钻井工程-2-压力特性VIP

地层压力特性,中国石油大学（北京）2012年9月29日,钻井工程,地层压力,授课内容,压力的基本概念孔隙压力坍塌压力破裂压力漏失压力,1.压力的概念,静液压力,上覆岩层压力,孔隙压力,基岩应力,压力异常,由液柱自身的重力所引起的压力ph=0.00981H静液压力梯度GhGhph/H0.00981淡水或淡盐水0.00981MPa/m；盐水0.0105MPa/m。,静液压力（hydrostaticpressure）,ph静液压力,MPa液体的密度,g/cm3H液柱的垂直高度，m,1.压力的概念,上覆岩层压力（Oveburdenpressure）,1.压力的概念,地层某处的上覆岩层压力是该处以上地层岩石基质和岩石孔隙中流体总重力所产生的压力，用p0表示,上覆岩层压力梯度,超过正常地层静液压力的地层压力(ppph)称为异常高压。而低于正常地层静液压力的地层压力(ppph)称为异常低压。,地层压力（formationpressue）,岩石孔隙中的流体所具有的压力，用pp表示。,正常地层压力梯度,地层水为淡水，GP=0.00981MPa/m,地层水为盐水，GP=0.0105MPa/m,异常地层压力地层压力大于或小于正常地层压力,1.压力的概念,基岩应力是岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力，亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或颗粒间压力，用表示。,基岩应力（matrixstress）,1.压力的概念,(1)不平衡压实作用(2)构造挤压(3)水热增压(4)生烃作用(5)蒙脱土脱水作用(6)浓差与逆浓差作用(7)石膏/硬石膏转化(8)流体密度差异(9)水势面的不规则性(10)深部气体充填封存箱的分隔和抬升,异常高压形成机制,1.压力的概念,快速沉积是造成不平衡压实的主要原因之一，由于沉积速率过快，造成沉积颗粒排列不规则(没有足够的时间)，排水能力减弱，继续增加的上覆沉积载荷部分由孔隙流体承担，形成异常高压，同时造成地层的欠压实。,不平衡压实作用,1.压力的概念,常见于陆地边缘的三角洲地区，异常高压我国东部地区的某些中新生代地层，泥质沉积物的压实不平衡（欠压实）是下第三系沉积盆地中遇到大多数异常高压的主要原因。,致密盖层,非渗透致密盖层的快速沉积导致其下地层的欠压实与异常高压，最为典型的例子是“复合盐层”中与岩盐层拌生的软泥岩地层。,1.压力的概念,基本原理（依据）,2.孔隙压力声波时差法,若岩性已知，地层水变化不大，tma、tf基本不变：,:孔隙度t:时差，us/mtma:骨架时差，us/mtf:孔隙流体时差，us/m。,为正比关系。,由Willie公式,正常压实地层,t:h处的时差，us/m.t0:地表时差，us/m.c系数,若将上式在半对数坐标(t为对数、h为常规坐标),则t与h成直线。在非正常压实地层：t偏离(大于)正常趋势线，意味着高压地层。,2.孔隙压力声波时差法,图板法：,Eaton法：,正常趋势线Eaton指数确定仅限于泥岩,计算方法,存在的问题,2.孔隙压力声波时差法,正常压实地层：埋深泥岩压实度泥岩钻速。异常高压地层：泥岩欠压实泥岩钻速利用该规律可以监测地层压力：机械钻速法。但是，机械钻速受各种工艺参数的影响，1966年Jorden依据Bingham方钻速方程提出了d指数法。钻速方程为：R钻速，m/hrK可钻性系数n转速rpmW钻压，KND钻头直径mme转速指数d钻压指数，即d指数。,2.孔隙压力Dc指数法,基本原理（依据）,设工艺条件（水水力因素、钻头类型）及岩性不变（均为泥页岩），则K为常数，取K=1，又泥页岩较软，n与R为直线关系，即e=1，可得：,式中：T：钻时min/m；n：rpm;W：钻压KN；D：钻头直径，mm。d指数法要求保证泥浆密度不变，但在现场难以做到，因进入压力过过渡后泥浆密度升高，钻速（压持效应），d，怎么办？修正：,2.孔隙压力Dc指数法,式中：n:正常压力层段地层水密度，g/cm3m:实际使用的泥浆密度，g/cm3正常压实地层：H(泥页岩）dc趋势。异常压力地层：H（泥页岩）dc偏离趋势。,2.孔隙压力Dc指数法,图板法：p=f(dcn-dc)伊顿法（Eaton）:,p:压力梯度当量密度0:上覆压力梯度当量密度n:正常地层压力梯度当量密度Dcn:深度H的正常趋势率de值Dc:实际计算的de值n:Eaton指数。,（1）确定dcn正常趋势（2）由偏离情况计算出地层压力,算法,2.孔隙压力Dc指数法,dc的求法:钻头磨损（牙齿磨损、轴承磨损）、水力因素等影响不易消除；正常趋势确定：非直线Eaton指数确定仅限于泥岩使用,存在的问题,2.孔隙压力Dc指数法,Pp：计算的地层压力，MPa，Vmax：为0时的岩石速度，m/s，Vmin：为50%时的岩石速度，m/s,Vint：层速度，m/s，P0：上覆岩层压力。,2.孔隙压力预测地震层速度法,基本原理,孔隙度=f（地层压力）,低速意味着高压,算法,（1）等同于声波时差法,（2）直接计算方法,3.破裂压力（fracturepressure）,地层破裂压力,在井下一定深度出露的地层，承受流体压力的能力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压力。,破裂压力的预测方法,休伯特和威利斯(Hubbert&Willis)法,马修斯和凯利（Mathews&Kelly）法,伊顿（Eaton）法,新模式与前述三个模式相比有两个显著特点：地应力一般是不均匀的，模式中包括了三个主应力的影响。垂直应力可以认为是由上覆岩层重力引起的。地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。深部地层的水压致裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过了岩石的抗拉强度。,K构造应力系数，无因次；,St岩石的抗拉强度，兆帕。,新模式,PRro,地破试验曲线,地破试验,定义目的工程实施方法数据的利用,地层破裂井漏,若井内泥浆密度较小，不能对井壁提供足够的支撑，将使井壁岩石所受的应力超过其本身的强度产生剪切破坏而造成井壁坍塌。,泥浆密度低,损坏区,坍塌,最大水平主地应力,r,4.坍塌压力（Breakoutpressure）,维持井壁不坍塌或不缩径的最小井内钻井液柱压力,最大水平主地应力,最小水平主地应力,泥浆密度高,泥浆密度过大：地层剪切破坏产生大量径向微裂缝形成剪切破碎带（造成泥浆的大量侵入使井壁失稳）,剪切破碎带，使得泥浆更易渗入井壁,a,4.坍塌压力（Breakoutpressure）,pBD,pCL,pLOT,pressure,time,pw,LOTexamples,XLOT,“knee”,stoppumping,pLOT,actualclosurepressure,5.漏失压力,作业,名词解释：上覆岩层压力、地层孔隙压力、地层破裂压力、基岩应力简述在正常压实的地层中岩石的密度、强度、孔隙度、声波时差和DC指数随井深变化的规律解释地层破裂压力的概念，怎样根据液压实验曲线确定地层破裂压力？上覆岩层压力25MPa,地层孔隙压力10MPa,计算基岩应力。井深1000m,地层压力梯度当量密度1.25g/cm3,计算地层压力。根据伊顿（Eaton）法，井深1000m,上覆岩层压力25MPa,地层孔隙压力10MPa,地层岩石泊松比0.25,计算地层破裂压力梯度当量密度。根据地层破裂压力的新方法，井深1000m,上覆岩层压力25MPa,地层孔隙压力10MPa,地层岩石泊松比0.25,构造应力系数为0.3,抗拉强度为2MPa,计算地层破裂压力梯度当量密度。某井钻至2500m，钻进时所用的钻头直径为215mm，钻压160kN，钻速110r/m