油田开发地质学-第5章-地层温度与压力

第五章地层压力和地层温度,地层压力、地层温度，是开发油气田的能量，也是油气田开发中重要的基础参数，决定着：,油、气等流体的性质；油气田开发的方式；油气的最终采收率。,地层压力分布、驱油动力、油层温度的变化：对合理开发油田具有十分重要的意义。,第五章地层压力和地层温度,第一节地层压力第二节地层温度第三节油气藏驱动类型,第一节地层压力,一、有关地层压力的概念二、原始油层压力研究三、目前油层压力四、油层折算压力五、异常地层压力研究,一、有关地层压力的概念,PH-静水压力，Pa；W-水的密度，kg/m3；H-静水柱高度，m；g-重力加速度，9.8m/s2。,1、静水压力-指由静水柱造成的压力。,1帕=1牛顿/米2（10达因/厘米2）105Pa1atm,2、上覆岩层压力,-指上覆岩石骨架和孔隙空间流体总重量所引起的压力,Pr-上覆岩层压力，Pa；H-上覆岩层的垂直高度，m；r-上覆沉积物总平均密度，kg/m3；g-重力加速度，9.8m/s2；-岩层平均孔隙度，小数；f-孔隙中流体平均密度，kg/m3；ma-岩层骨架平均密度，kg/m3。,4、地层压力-作用于岩层孔隙空间内流体上的压力。又称孔隙流体压力，常用Pf表示。含油气区内，地层压力被称为油层压力或气层压力。,5、压力系数-实测地层压力(pf)与同一地层深度静水压力(pH)的比值。,6、压力梯度-每增加单位深度所增加的压力，单位Pa/m。如：上覆岩层压力梯度、静水压力梯度,7、地层压力的来源,地层压力由多种因素形成，但主要有2个来源：地层孔隙空间内地层水重量产生的水柱压力-静水压力上覆岩层重量产生的岩石压力-地静压力：,勘探和开发中，把油层中流体所承受的所有压力统称为油层压力。一般情况下，油层压力与地静压力关系不大,地层封闭条件下：地静压力由组成岩石的颗粒质点和岩石孔隙中的流体共同承担。,地层与地表连通时：地静压力仅由岩石颗粒质点承担，静水压力与地静压力无关。,二、原始油层压力研究,1、原始油层压力及其分布2、原始油层压力的确定方法3、原始油层压力等压图的编制与应用,1、原始油层压力及其分布,原始油层压力-油层在未被打开之前所具有的压力。通常将第一口探井或第一批探井测得的油层压力近似代表原始油层压力。,油层在海拔+100m的地表出露，具供水区；另一侧，因岩性尖灭或断层封隔未露出地表，无泄水区。油藏的测压面：以供水露头海拔(+100m)为基准的水平面,1号井底原始地层压力(静水压力),5.88MPa,油水界面原始地层压力1井原始地层压力1井底至油水界面水柱产生压力,油气界面原始地层压力油水界面压力300m油柱产生压力,2井(4井)原始油层压力油水界面压力值油水界面至井底油柱重量产生的压力6.17MPa,o=0.85103kg/m3,2井液面海拔240.7m低于井口海拔(+350m)，原油不能自喷4井液面海拔240.7m高于井口海拔(+100m)，为自喷井,7.84MPa,3号井原始压力值：该井钻开油气藏的气顶部分，因天然气密度受温度和压力影响，该井原始压力值不能直接由油气界面上的压力导出，可由近似公式求出：,原始油层压力在背斜构造油藏上的分布特点：,A、原始油层压力随油层埋藏深度的增加而加大；,B、流体性质对原始油层压力分布有着极为重要的影响：井底海拔高度相同的各井：井内流体性质相同原始油层压力相等；井内流体性质不同流体密度大，原始油层压力小流体密度小，原始油层压力大,C、气柱高度变化对气井压力影响很小。当油藏平缓、含气面积不大时，油-气或气-水界面上的原始油层压力可以代表气顶内各处的压力。,2、原始油层压力的确定方法,常用方法主要有4种：,实测法压力梯度法计算法试井分析法,压力梯度法-具有统一水动力系统的油气藏，其压力梯度值为常数-即地层压力与油气层埋深呈直线关系。因此，实测不同海拔的原始地层压力作出压力随海拔高度变化的关系曲线(直线)对新钻井，只要准确测得深度，可根据关系曲线查得该井的原始地层压力。,实测法-油井完井后关井，待井口压力表上压力稳定后，把压力计下入井内油气层中部所测得的压力油气层的原始地层压力。-关井测压,压力与深度关系曲线（据BA特哈斯托维，1975）,俄罗斯地台某油田上泥盆统油藏原始地层压力与平均埋藏深度关系曲线。,计算法-对于新勘探或新开发油气藏,如果钻井的海拔高度和深度已知，且测定了原油、地层水或天然气密度：应用静水压力公式计算原始地层压力；,3、原始油层压力等压图的编制与应用,绘制方法与构造图相同-在目的层构造图上进行：根据各井原始油层压力，选择压力间隔值，在相邻两井间进行线性内插、圆滑曲线等。,原始油层压力等压图的编制,原始油层压力分布主要受构造因素影响油层厚度均匀，压力等值线与构造等高线基本平行；若两类等值线形态差异较大，必须检查原因-地层厚度不均，或因测量、计算导致数据不准等。,原始油层压力等压图的应用-主要有4个方面,通过等压图预测新井的原始油层压力-便于在探井设计中确定新钻井的套管程序与钻井液密度。,计算油藏的平均原始油层压力(常用面积权衡法求取)-平均值越大，天然能量越大，越有利于油藏开采。,判断水动力系统-对制定开发方案、分析开发动态十分重要。水动力系统-在油气层内流体具有连续性流动的范围。,同一水动力系统内，原始地层压力等值线分布连续；不同水动力系统，原始地层压力等值线分布不连续：-因断层或岩性尖灭等因素被分割。,某油田原始油层压力等压图,原始油层压力与饱和压力的差值越大，油层的弹性能量就越大，排出的流体量也就越多。,计算油层的弹性能量,油层的弹性能量-指油层弹性膨胀时能排出的流体量。,第一节地层压力,一、有关地层压力的概念二、原始油层压力研究三、目前油层压力四、油层折算压力五、异常地层压力研究,1、目前油层压力及其分布单井生产时油层静止压力的分布多井生产时油层静止压力的分布2、油层静止压力等压图的编制,三、目前油层压力,目前油层压力-指油藏投入开发后某一时期的地层压力。又分为油层静止压力和井底流动压力。,1、目前油层压力及其分布,油井生产时，油层静止压力PS井底流压Pb,平面径向流渗流场示意图,假定：油层均质、各向同性，只有1口井；油井生产时，流体从供给边缘流向井底的渗流过程中：流线呈径向分布；压力分布呈规则同心圆状。,单井生产时油层静止压力的分布,从供给边界到井底，地层中的压力降落过程按对数关系分布。空间形态上形似漏斗，习惯上称“压降漏斗”。,Pf-距井轴r处地层压力，PaPS油层静止压力，PaR-油井供给半径，mr-研究点与井筒轴距离，mQ-地层条件下产量，m3/s-地层原油粘度，PasK-油层渗透率，m2h-油层有效厚度，m,多口井同时生产时产生相互干扰。此时，任意一点的压力是油层上各井(产油井、注水井)在该处所引起压力的叠加。,多井生产时油层静止压力的分布,2、油层静止压力等压图的编制一般了解,油层静止压力的获取：,在油井中定期测压力恢复曲线；在水井中定期测压力降落曲线；将不同时期压力值换算为同一作图时期压力值(换算时多采用油藏平均压力递减曲线法);相邻两井之间某点油层静止压力一般采用线性内插法求取。,我国某油藏某一时期油层静止压力等压图,与该油藏原始油层压力等压图比较，油层压力分布发生较大变化；油层静止压力等压图与构造等高线相交。,第一节地层压力,一、有关地层压力的概念二、原始油层压力研究三、目前油层压力四、油层折算压力五、异常地层压力研究,1、油层折算压力的概念,折算压头-指井内静液面距某一折算基准面的垂直高度。折算基准面可以是海平面、原始油水(或油气)界面等。,折算压头换算示意图,0,L,折算压力：指测点相对于某一基准面的压力，数值上等于由测压面到折算基准面的水柱高度所产生的压力-指折算压头产生的压力，可用静水压力公式导出。,静液面在折算基准面以上时，折算压头取静液面在折算基准面以下时，折算压头取,两口井，钻遇油层顶部海拔-380m、-470m。经过一段时间开采后，关井测得1井的油层静止压力2.82，2井油层静止压力3.25。求：两口井此时的折算压头。原油密度0.8103/。,H1=360H2=4101井折算压头360-38020米2井折算压头410-47060米,油藏中流体流动方向：从南、北两翼向轴部及东、西两端,2、折算压力等压图的编制,-编图方法与油层静止压力等压图相同。,A）更直观、准确地反映油藏的开采动态及地下流体的流动状况-由折算压力高处向折算压力低处流动；,油层折算压力等压图的作用：,B）判断水动力系统-静水条件下，若油藏各井原始油层压力的折算压头或折算压力相等，则该油藏为一个统一的水动力系统；反之，则为多个水动力系统。,C）利用压头或压力分布与变化特征，可拟定油藏分区的配产、配注方案等等。,第一节地层压力,一、有关地层压力的概念二、原始油层压力研究三、目前油层压力四、油层折算压力五、异常地层压力研究,五、异常地层压力研究,研究和预测压力异常的意义：对认识油层能量特征，评价油气藏形成条件，指导安全生产、保护油气层等极为重要(钻遇压力异常低时易产生井漏；钻遇压力异常高时易产生井喷)。,压力系数-指实测地层压力(Pf)与同一深度静水压力PH的比值，可用P来表示：,p1，属正常地层压力；P1，称为高异常地层压力，或称高压异常；P1，称为低异常地层压力，或称低压异常。,压力梯度GP表示异常地层压力的大小：GP0.01Mpa/m时，属正常地层压力；GP0.01Mpa/m时，属高异常地层压力；GP0.01Mpa/m时，属低异常地层压力。,(二)异常地层压力的成因分析,大量研究、实验、分析后认为，异常地层压力的成因多种多样，主要有：,成岩作用热力和生物化学作用构造作用(断裂、剥蚀、刺穿）渗析作用流体密度差异,1、成岩作用。成岩过程中造成高压异常的主要因素有：,泥页岩压实作用,正常压实正常地层压力,欠压实高压异常。,硫酸盐岩的成岩作用石膏(CaSO42H2O)向无水石膏(CaSO4)转化时析出大量水，封闭条件下高压异常；无水石膏水化变为石膏，体积发生膨胀(1540%)。,2、热力作用和生化作用,生化作用：研究证明，催化反应、放射性衰变、细菌作用等，使烃类的微小颗粒裂解为较简单化合物体积增大，在封闭的系统中形成高异常地层压力。,剥蚀作用常常引起地形起伏甚大，而测压面的位置未变，于是测压面与地面的高低关系可能因地而异，造成A、B两个油藏分别出现压力过剩与压力不足的现象。,3、剥蚀作用,在一些高原地区，河流侵蚀形成深山峡谷，泄水区海拔很低，测压面横穿圈闭，导致油藏内地层压力非常低。-不均衡侵蚀侧压面变化,测压面的位置改变,发生断裂，切断油藏与供水区联系；且由于剥蚀作用使油藏埋深变小，油藏中保持原来压力值，造成高压异常；,油层和地面供水区连通时为正常压力；,断层切割，并使油层变深，油藏中保持原来压力值，造成低压异常。,4、构造断裂作用,对于岩性遮挡油藏：原来埋藏较深，具有较大的压力。断裂作用岩性油藏上升，保持原始压力形成高压异常断裂作用岩性油藏下沉，保持原始压力形成低压异常,高压异常,低压异常,构造断裂与岩性遮挡作用造成的压力异常,断裂勾通深部高压气藏所形成的浅部油层高压异常示意图,断裂作用把深部高压气层与浅层油藏勾通，形成一个统一的压力系统。,油层压力将显著高于按井深H计算出的静水压力。,在不均衡压力作用下，塑性岩层发生侵入、刺穿作用，使上覆一些软的页岩和固结的砂层发生挤压与断裂变动，从而减少孔隙容积，使其中流体压力增大而形成高压异常。,5、刺穿作用,刺穿盐丘周围的异常地层压力带(据Harkins和Baugher，1969),流体密度差形成异常地层压力,流体密度差异影响地层压力的分布，特别是气-水系统。当地层倾斜较陡，气藏高度大时，影响更明显。位于气藏顶部的气井往往显示出特别高的异常地层压力：,6、流体密度差异,对于1井而言：按深度计算P19.8井内原始地层压力可根据最大关井压力Pmax求取23.9,在粘土或页岩地层两侧液体的含盐浓度不同时，浓度低的液体以粘土或页岩作半渗透膜，向浓度高液体渗流，而产生渗析压力。在封闭的地质环境中，形成高压异常。,7、渗析作用,8、测压水位的影响若测压水位高于井口海拔高度油井显示高压异常；若测压水位低于井口海拔高度油井显示低压异常。,测压面,测压水位不同而显示的异常地层压力,测压水位影响形成的异常压力多是中、小型的，重要程度不及前述与封闭地质环境有关的异常地层压力。,(三)异常地层压力预测方法,异常地层压力部位特点：(异常)高压油气层周围的泥、页岩层处于从异常压力到正常压力过渡带上，该过渡带的泥、页岩由于欠压实而具有某些特征：,过渡带岩石密度较小、孔隙度较大电阻率低、声波时差大。,钻入过渡带时，可能产生井喷、井漏、井涌及钻井参数出现异常等现象。,异常地层压力预测方法：-预测砂/泥岩剖面异常地层压力方法,地球物理勘探方法地球物理测井方法钻井地质资料分析法,1、地震勘探法,地震波传播速度(层速度)或旅行时间与岩石密度密切相关,正常压实情况下：泥岩、页岩密度随埋深增加而增加-随埋深增加，层速度加大，旅行时间减小。,异常压力过渡带：由于页岩欠压实，随埋深增加，页岩孔隙度增大，密度减小，地震波传播的层速度将偏离正常压实趋势线向着减小的方向变化，地震波传播旅行时间向着增加的方向变化。,在尚未钻探地区，利用地震勘探法：可确定异常压力过渡带的层位与顶部位置，获得钻探目的层的压力数据，为探井设计提供依据。,电阻率测井,若岩石为纯页岩，地层水矿化度为一定值，则地层(页岩)的电阻率主要受孔隙度的影响。,正常压实下：页(泥)岩的孔隙度随埋深增加而减小，电阻率随埋藏深度的增加而加大。高异常压力井段：由于孔隙度增加，其中所含地层水数量增加电阻率向降低方向偏离正常趋势线。,以纯页岩井段的电阻率对数值1gRsh为横坐标，以相应井深为纵坐标，将页岩电阻率数据按相应深度点投点获得一散点图回归分析求出lgRsh与井深的关系曲线，曲线上开始偏离正常趋势线的位置即为高压异常过渡带顶部位置。右图中，高异常地层压力过渡带顶部大约在4038.6m处。,声波时差与深度关系曲线,正常压实时：随埋深增加，声波传播速度，传播时间。高异常压力过渡带：声波传播时间向增大方向偏离正常趋势线。,声波测井-预测异常地层压力,声波的纵向传播速度主要是岩性和孔隙度的函数。对页岩或泥岩，声波测井曲线基本上为一条反映孔隙度变化的曲线。,预测方法与电阻率测井或声波测井相同。右图两条曲线均较清晰地反映出高异常地层压力过渡带的顶面约在3352.8m处，这两种资料所得结果吻合较好。,页岩密度测井,密度测井受井眼大小影响，在预测异常地层压力时，其精度和效果不及电阻率及声波测井。,具体应用时，应尽可能选用多种地球物理测井方法和其它方法进行综合分析，相互验证，以获得较可靠结果。,3、钻井资料分析法,钻井速度、d指数、返出钻井液温度、页岩岩屑密度,d指数-一般了解,影响钻速的因素较多，为了较准确反映钻速与高异常地层压力间的关系，必须消除其他因素对钻速的影响。Jorden和Shirley(1966)提出用d指数替代钻井速度(d指数是用来标定钻进速度的)。,为了消除钻井液密度对d指数的影响，可用dc指数代替d指数，其间关系为：,l-正常地层压力下钻井液密度2-实际使用的钻井液密度,正常压实情况下：深度，d(dc)指数。钻遇高压异常过渡带时，深度，d(dc)指数偏离正常压实趋势线。绘制研究井的d(dc)指数与深度关系曲线，可预测过渡带的顶部位置和异常地层压力。,右图为同一口井的d指数-深度、dc指数-深度关系曲线：高异常地层压力过渡带顶面位置约在2652m处。,由于dc指数消除了钻井液密度的影响，dc指数比d指数更能清楚地反映出高异常地层压力过渡带的存在。,返出钻井液温度-异常高压带常伴有异常高温带出现,在钻遇高异常地层压力过渡带时，地层温度远远超过了正常情况，钻井液出口的钻井液温度突然增高，该现象可判断钻遇高异常地层压力过渡带。,页岩岩屑密度,在异常高压过渡带，欠压实页岩岩屑的密度急剧变小而偏离正常压实趋势线。该方法简便、见效快、精度高,注意，当页岩中含有大量碳酸盐矿物和重矿物时，将影响解释精度，所以，应当对碳酸盐矿物和重矿物的含量进行校正。,异常压力的其它钻井资料判断方法：,除上述4种方法(钻井速度、d指数、返出钻井液温度、页岩岩屑密度)之外；钻井过程中的井喷、井涌、转盘扭距突然增大、起钻时阻力加大等现象，均可作为钻遇高压异常的显示。,(四)研究异常地层压力的意义-一般了解,1、研究高异常地层压力与油气藏工业价值之间关系，指导找油、找气,2、预测异常地层压力，实现平衡钻井,1、研究高异常地层压力与油气藏工业价值之间关系，指导找油、找气,2、预测异常地层压力，实现平衡钻井,在高压异常地区钻探时，为了顺利地完成钻探任务，并为油气开采提供优质井身，在开钻之前做两项工作：,确定两个关键地质参数：孔隙流体压力、岩石破裂压力。再根据上述两个关键地质参数进行钻探设计。-主要包括：钻井液密度、套管程序。,小结-异常地层压力研究,(一)异常地层压力的概念(二)异常地层压力的成因分析成岩作用、热力和生物化学作用、断裂作用、刺穿作用、剥蚀作用、流体密度差异、渗析作用、测压水位影响(三)异常地层压力预测方法地球物理勘探方法、地球物理测井法、钻井资料分析法(四)研究异常地层压力的意义,第二节地层温度,一、概述研究地层温度的主要意义地壳的地温带划分地温梯度与地温级度二、地温场研究地温测量地温场特征地温场与油气分布的关系影响地温场分布的主要因素,现代生油理论认为地温是有机质向油气演化过程中最为重要、最有效的因素；,理论和实际资料研究证明，油气田上方常常存在地温的正异常，利用地温场的局部正异常可以寻找油气田；,地热是一种宝贵的热能资源，具有成本低、使用简便、污染小等优点。,1、研究地层温度的主要意义,根据地下温度变化，常把地壳划分为下4个地温带：,2、地壳的地温带划分,温度日变化带：该带温度受每天气温的影响，该带深度范围一般为12m。温度年变化带：该带温度受季节性的气温变化影响，深度变化范围一般为1530m左右。恒温带：30m以下深度，不受季节性气温变化的影响。增温带：恒温带之下，地层温度随埋深增加而升高。,3、地温梯度与地温级度,地温梯度：在恒温带之下，埋藏深度每增加100m地温增高的度数。计算公式如下：,G-地温梯度，/100m；t-井深H处的温度，；to-平均地面温度或恒温带温度，；H-井下测温点与恒温带深度之差，m。,地温级度：在恒温带之下，地温每增高1时，深度的增加值，计算公式：,右图为根据东营凹陷133口预探井资料编绘的地温与深度关系图。从该图可得地温与深度的线性关系式：,东营凹陷地温与深度关系图（据杨绪充，1984）,地温梯度：3.6/100m平均地面温度：14,地球的平均地温梯度3/100m-正常地温梯度。3/100m-地温梯度负异常；3/100m-地温梯度正异常。,1、地温测量2、地温场特征3、地温场与油气分布的关系4、影响地温场分布的因素,二、地温场研究,1、地温测量,关井实测：在打开油层的第一批探井中实测。关井，待井内流体温度与围岩原始温度一致时测量。,2、地温场的分布特征,地温梯度在纵向上、平面上都具有明显的规律性变化。,根据井温资料可编制井温与深度关系图，了解地温梯度在纵向上的变化：,这种变化主要受各段岩石热导率控制。,东营凹陷系统测温井温度与深度关系图,地温场平面展布,整体来看，地温异常的平面分布明显受区域构造和大断层的控制；地温梯度等值线与区域构造轮廓基本一致。,1、地温测量关井实测；外推法2、地温场特征地温梯度的纵向变化；地温场平面展布3、地温场与油气分布的关系4、影响地温场分布的因素,二、地温场研究,一般而言，单位面积上探明储量：高梯度值区(4/100m)比中梯度值区(24/100m)高9倍，比低梯度值区(2/100m)高120倍。天然气单位面积上的探明储量：高值区比中值区高5.6倍；比低值区高28倍。,3、地温场与油气分布的关系,地温与油气生成,较高的地温对于油气生成十分重要。,油气分布与地温、地温梯度,统计资料表明，油田分布深度在6005000m之间；多数在15003000m。相应地温为60150，且大多数不超过100。,四川隆昌某气田构造剖面及地温剖面,4、影响地温场分布的主要因素,实际资料表明，地温场是很不均一的。影响地温场的主要因素有：大地构造性质、基底起伏、岩浆活动、岩性、盖层褶皱、断层、地下水活动、烃类聚集等。,但是，起主导作用和具全局性影响的因素是：大地构造的性质，如：地壳的稳定程度及地壳的厚度等。,大地构造性质,大地构造性质及所处构造部位是决定区域地温场基本背景的最重要的控制因素：大洋中脊-高地温；海沟部位-低地温；海盆部位-一般地温；稳定的古老地台区-较低地温；中新生代裂谷区-较高地温。,地壳厚度对地温也有重要影响。如我国东部地区地壳普遍薄于西部，故东部各盆地的地温及地温梯度一般均高于西部。,中国东西向地壳厚度变化与地温关系示意图(据王钧等，1990),由于基底的热导率往往高于盖层，-深部热流向基底隆起处集中，使基底隆起区具有高热流、高地温梯度特征，坳陷(凹陷区)具有低地温特征。,基底起伏,地温异常与重力异常相当吻合-重力异常是基岩埋深的反映：两者的低值区同处于凹陷内部、两者的高值区同处于凹陷的边部和基岩潜山凸起带。-地温分布在平面上与基底起伏密切相关。,东营凹陷布