地层三个压力预测、监测技术发展现状及展望

1、地层三个压力预测、监测技术 发展现状及展望 汇报内容汇报内容 l前言前言 l地层三个压力在钻井中的重要性地层三个压力在钻井中的重要性 l地层三个压力分析的基本原理地层三个压力分析的基本原理 l地层三个压力研究历史及现状地层三个压力研究历史及现状 l自适应井壁稳定分析技术自适应井壁稳定分析技术 l井壁稳定的力学井壁稳定的力学/ /化学耦合研究化学耦合研究 l调整井地层压力预测技术调整井地层压力预测技术 l岩屑声波法地层三个压力监测岩屑声波法地层三个压力监测 一、前一、前 言言 科学钻井科学钻井 提高钻井速度，缩短钻井周期。提高钻井速度，缩短钻井周期。 提高钻井质量，实现地质目的。提高钻井质量，实

2、现地质目的。 提高钻井质量，实现地质目的十大技术提高钻井质量，实现地质目的十大技术 地质录井技术地质录井技术; 地层压力预测与监测技术地层压力预测与监测技术; 及时取心技术及时取心技术; 及时测井技术及时测井技术; 钻杆测试技术钻杆测试技术; 重复地层测试技术重复地层测试技术; 及时分析化验技术及时分析化验技术; 完井技术完井技术; 油气层改造技术油气层改造技术; 单井地质综合评价技术单井地质综合评价技术. 二、地层三个压力在钻井中的重要性二、地层三个压力在钻井中的重要性 l是井身结构设计的基础是井身结构设计的基础 l是泥浆密度设计的基础是泥浆密度设计的基础 l是泥浆体系设计的重要参考资料是泥

3、浆体系设计的重要参考资料 l是预防和减少井下复杂的关键是预防和减少井下复杂的关键 l是提高探井质量的前提条件是提高探井质量的前提条件 井身结构设计的基础井身结构设计的基础 泥浆密度设计的基础泥浆密度设计的基础 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 pf pc pp mud density for shengshen3 20 30 40 50 60 well caliper /cm 泥浆体系设计的重要参考资料泥浆体系设计的重要参考资料 3200 3400 3600 3800

4、0.51.01.52.02.5 pf pc pp 当量 泥 浆 密 度 g/cm3 1234567 86 xxx井 地 层力学 特性 剖 面 地 质 分层 J2x J3q J2q J2s 可 钻性 级 值 预防和减少井下复杂的关键预防和减少井下复杂的关键 地地 层层 三三 个个 压压 力力 剖剖 面面 井喷井喷/井涌井涌 井漏井漏 井塌井塌/掉块掉块 卡钻卡钻 提高探井质量的前提条件提高探井质量的前提条件 录井质量录井质量 测井质量测井质量 固井质量固井质量 实现地质目的实现地质目的 三、井壁稳定的基本原理三、井壁稳定的基本原理 l地层三个压力的概念地层三个压力的概念 孔隙压力孔隙压力 地层孔

5、隙压力是指地层中孔隙流体的压力。地层孔隙压力是指地层中孔隙流体的压力。 坍塌压力坍塌压力 地层坍塌压力是指井壁产生剪切破坏时的临地层坍塌压力是指井壁产生剪切破坏时的临 界井眼压力。界井眼压力。 破裂压力破裂压力 地层破裂压力是指地层产生拉伸破坏时的临地层破裂压力是指地层产生拉伸破坏时的临 界井眼压力。界井眼压力。 3.1 3.1 井眼围岩应力分布规律井眼围岩应力分布规律 l线弹性井眼围岩应力分析线弹性井眼围岩应力分析 l多孔弹性井眼围岩应力分析多孔弹性井眼围岩应力分析 l弹塑性井眼围岩应力分析弹塑性井眼围岩应力分析 l损伤力学井眼围岩应力分析损伤力学井眼围岩应力分析 l蠕变井眼围岩应力分析蠕变

6、井眼围岩应力分析 l块体理论井眼围岩应力分析块体理论井眼围岩应力分析 应力应力 强度强度 线弹性模型线弹性模型 G G G E E E zx zx yz yz xy xy yxzz zxyy zyxx 1 1 1 多孔弹性模型多孔弹性模型 G G G PP E PP E PP E zx zx yz yz xy xy ppyxzz ppzxyy ppzyxx 2 1 2 1 2 1 弹塑性模型弹塑性模型 应力应变关系的多值性应力应变关系的多值性 本构关系的复杂性本构关系的复杂性 0)( ij f 0),( p ijij f 损伤力学模型损伤力学模型 0),( p ijij f 蠕变模型蠕变模型

7、t tt E EE 2 0 1 1 1 0 2 0 exp1 块体理论块体理论 分析举例：直井线弹性井眼围岩应力分布规律分析举例：直井线弹性井眼围岩应力分布规律 l假设：地层为线性、均质、各向同性弹性体。 H h h H h h H- h 则，井眼围岩应力分布规律为：则，井眼围岩应力分布规律为： 2sin231 2 2cos2 2cos31 2 1 2 2cos341 2 1 2 2 2 4 4 2 2 2 2 4 4 2 2 2 2 4 4 2 2 2 2 r a r a p r a pp r a r a r a pp r a r a r a r a hH r phHvz pm hHhH p

8、m hHhH r 0246810 0 5 10 15 20 25 30 35 sigmar sigmas sigmaz stress r/a H=48MPa h=42MPa v=44MPa =0.25 =0 Pm=1.2g/cm3 Pp=1.02g/cm3 应力随井眼距离的变化应力随井眼距离的变化 H=48MPa h=42MPa v=44MPa =0.25 =0 Pm=2g/cm3 Pp=1.02g/cm3 0246810 0 5 10 15 20 25 30 35 sigmar sigmas sigmaz stress r/a 应力随井眼距离的变化应力随井眼距离的变化 井壁应力随圆周角的变化

9、井壁应力随圆周角的变化 0102030405060708090 0 10 20 30 40 50 60 Sr St Sz stress sita H=48MPa h=42MPa v=44MPa =0.25 =0 Pm=1.2g/cm3 Pp=1.02g/cm3 应力应力 强度强度 拉伸破坏拉伸破坏 剪切破坏剪切破坏 3.2 3.2 强度破坏准则强度破坏准则 l最大拉应力破坏准则 3=-t 是水力压裂的起点或井漏的起点。 max min 拉伸破坏拉伸破坏 Coulomb-Mohr强度准则强度准则 Lades强度准则强度准则 Hoek-Brown强度准则强度准则 Drucker-Prager准则准

10、则 剪切破坏准则剪切破坏准则 lCOULOMB- MOHRCOULOMB- MOHR破坏准则破坏准则 岩石沿某一面发生剪切破坏，不仅与该面上剪应岩石沿某一面发生剪切破坏，不仅与该面上剪应 力的大小有关，而且与该面的正应力有关。岩力的大小有关，而且与该面的正应力有关。岩 石并不沿着最大剪应力作用面产生破坏，而是石并不沿着最大剪应力作用面产生破坏，而是 沿着其剪应力与正应力达到最不利组合的某一沿着其剪应力与正应力达到最不利组合的某一 面产生破裂。即：面产生破裂。即： f f = = 0 0+f+f 在在 、 坐标系下，上式为一直线方程。坐标系下，上式为一直线方程。 剪切破坏剪切破坏/压缩破坏压缩破

11、坏 sin1 cos2 0 c /4-/2 2sin 2 1 2cos 2 1 2 1 31 3131 1 3 Lades 强度准则强度准则 0, 321 f Hoek-Brown 强度准则强度准则 a cbc sm/ 331 1 最大主应力；3最小主应力 c单轴抗压强度；mb HOEK-BROWN常数 s，a岩体特征常数 Drucker-Prager 强度准则强度准则 110 2 1 2 JccJ J2第二偏应力不变量； J1第一偏应力不变量； C0，C1材料常数。 3.3 3.3 直井坍塌压力的计算直井坍塌压力的计算 lMohr-Coulumb 准则 l直井坍塌压力表达式： 应力应力 强度

12、强度 1tan 23 2 0 phH c P p 3.4 直井破裂压力的计算直井破裂压力的计算 拉伸破坏准则： tpHhf pp 3 t 3 t 破裂压力表达式： 四、地层三个压力研究历史及现状（四、地层三个压力研究历史及现状（1 1） l八十年代以前，地层孔隙压力以监测为主， 主要方法有页岩密度法、dC指数法等。地层 破裂压力预测处于经验模式阶段，如 Mathews & Kelly模式、Eaton模式等。 没有地层坍塌压力的概念。 l八十年代，提出了地层坍塌压力的概念，并 从理论上对地层三个压力进行了公式推导。 l九十年代，实用技术开发阶段。 四、地层三个压力研究历史及现状（四、地层三个压力

13、研究历史及现状（2 2） l室内实验研究方法 l地震层速度法 l常规测井资料法 l页岩比表面积法 l人造岩心法 l岩屑法 lLWD、SWD法 井壁稳定分析井壁稳定分析 （4.1）室内实验研究方法 l基本原理基本原理 地应力 井壁应力 强度准则 坍塌压力 破裂压力 l特点特点：岩心来源有限、成本高、可操作 性差、精度高。 （4.2）常规测井资料法 l基本原理基本原理 纵横波时差、密度、自然 地应力 纵横波时差、密度、自然 强度参数 计算坍塌压力和破裂压力 l特点特点：数据来源广泛、成本低、相关性 好、精度较高。 （4.3）地震层速度法 l基本原理基本原理 地震层速度 地应力 地震层速度 强度参数

14、 计算坍塌压力和破裂压力 l特点特点：数据来源广泛、成本低、单因素 相关性差、精度低。 邻近区块测井资料邻近区块测井资料 邻近区块地震资料邻近区块地震资料 神经网络神经网络 聚类分析聚类分析 预测区块地震资料预测区块地震资料 预测井测井资料预测井测井资料 地层三压力预测地层三压力预测 （4.4）页岩比表面积法 l基本原理基本原理 恒定地应力梯度 页岩比表面积 强度参数 计算坍塌压力和破裂压力 l特点特点：处理过程比较复杂、成本较低、 相关性较差、精度较低。 （4.5）人造岩心法 l基本原理基本原理 恒定地应力梯度恒定地应力梯度 人造岩心强度人造岩心强度 实际岩心强度参数实际岩心强度参数 计算坍

15、塌压力和破裂压力计算坍塌压力和破裂压力 l特点：处理过程简单、成本较低、相关特点：处理过程简单、成本较低、相关 性一般、精度一般。性一般、精度一般。 （4.6）岩屑显微硬度法 l基本原理基本原理 恒定地应力梯度 测量岩屑的显微硬度、塑性系数 由岩屑的显微硬度、塑性系数求地层强度参数， 再计算坍塌压力和破裂压力 l特点特点：处理过程比较复杂、成本低、相关性较 好、精度一般。 （4.7）岩屑声波法 l基本原理基本原理 在井场测量岩屑的声波时差 地层声波时差 地层纵横波时差、密度、自然 地应力 地层纵横波时差、密度、自然 强度参数 计算坍塌压力和破裂压力 l特点特点：数据来源广泛、成本低、相关性好、

16、精度较 高。 （4.8） LWD、SWD法 l基本原理基本原理 测量参数 地应力 测量参数 强度参数 计算坍塌压力和破裂压力 l特点特点：设备要求高、处理过程简单、相 关性和精度取决于测量参数的多少。 四、地层三个压力研究历史及现状（3） l 需求：钻井全过程地层三个压力 l如何确定所有钻遇地层的力学参数 l如何确定所有钻遇地层的地应力 l如何考虑水基钻井液对地层参数的影响。 五、自适应井壁稳定研究 l分层地应力确定技术 l反分析法确定地层的原位强度 l关联数据库 l可分层确定地应力、弹性模量、泊松比、强 度、有效应力系数、地层三个压力 l定井深计算 l分段推荐地层三个压力 并联弹簧模型 T

17、E1 E4 反分析法确定地层的原位强度 l压力预测精度取决于两种数据：地应力 和强度数据。 实验法结果 常规测井法结果 自适应井壁稳定技术结果 020406080100 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 方位角 45度 方位角 75度 方位角 90度 方位角 105度 方位角 120度 方位角 135度 坍塌 压力g/cm3 井 斜 角 / 度 井斜角的影响井斜角的影响 020406080100 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 方位角 45度 方位角 75度 方位角 90度 方位角 105度 方位角 120度 方位角 135度 破裂 压力当量 密 度 /g/cm3

18、 井 斜 角 /度 方位角的影响方位角的影响 六、井壁稳定的力学六、井壁稳定的力学- -化学耦合研究化学耦合研究 l半透膜的概念半透膜的概念 l油基钻井液平衡活度原理油基钻井液平衡活度原理 l水基钻井液作用下泥页岩的膜效率水基钻井液作用下泥页岩的膜效率 l力学力学- -化学耦合研究方法化学耦合研究方法 半透膜的基本概念半透膜的基本概念 高浓度高浓度 溶液溶液 低浓度低浓度 溶液溶液 阳离子阳离子 水水 油基钻井液平衡活度原理油基钻井液平衡活度原理 地层高浓度地层高浓度 （低活度）（低活度） 油基钻井液油基钻井液 低浓度低浓度 水 产生膨胀压产生膨胀压/水化应力水化应力 0 p 水基钻井液作用下

19、泥页岩的膜效率水基钻井液作用下泥页岩的膜效率 高浓度 水溶液 低浓度 水溶液 页岩 0 pp =0-1 力学力学- -化学耦合研究方法化学耦合研究方法 水力压差水力压差 化学势差化学势差 地层孔隙压力分布地层孔隙压力分布 地层强度弱化地层强度弱化 最优的钻井液活度最优的钻井液活度 最优的钻井液密度最优的钻井液密度 最 小 水 平 主 应 力 梯 度 MPa/m 0.017 最 大 水 平 主 应 力 梯 度 MPa/m 0.021 垂向主应力梯度MPa/m0.026 内聚力 MPa9 内摩擦角 度 泊松比 0.13 Biot系数 0.8 原始地层孔隙压力梯度 MPa/m 0.0106 井深 m

20、 2500 孔隙度 0.05 渗透率D10-9 地层活度0.95 1。钻井液活度的影响。钻井液活度的影响 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0.70.750.80.850.90.951 钻井液活度 Pc (g/cm3) 32 128 1.04倍井径处32小时和128小时临界坍塌压力随钻井液活度的变化 0 0.5 1 1.5 2 1515.51616.51717.5 R (cm) Pc (g/cm3) 0.3 0.8 2。活度为0.9的钻井液浸泡4小时时坍塌压力随径向位置的变化 3。坍塌压力在时间域内的变化 15.3 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.

21、4 1.5 050100150200250300 T (Hr) Pc (g/cm3) 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 15.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 050100150200250300 T (Hr) Pc (g/cm-30 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 膜效率 0.3 15.9 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 050100150200250300 T (Hr) Pc (g/cm-30 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 16.

22、2 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 050100150200250300 T (Hr) Pc(g/cm-3) 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 16.5 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 050100150200250300 T (Hr) Pc (g/cm-3) 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 16.8 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 050100150200250300 T (Hr) Pc (g/cm-3) 0

23、.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 17.1 0.6 0.7 0.8 0.9 1 050100150200250300 T (Hr) Pc(g/cm3) 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 15.3 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 050100150200250300 T (Hr) Pc (g/cm3) 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 15.6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 050100150200250300 T (Hr) Pc (g/cm3) 0.7 0.75 0.8 0.

24、85 0.9 0.95 1 膜效率0.8 15.9 0 0.5 1 1.5 050100150200250300 T (Hr) Pc (g/cm3) 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 16.2 0 0.5 1 1.5 050100150200250300 T (Hr) Pc(g/cm3) 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 16.2 0 0.5 1 1.5 050100150200250300 T (Hr) Pc(g/cm3) 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 16.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

25、 050100150200250300 T (Hr) Pc (g/cm3) 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 16.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 050100150200250300 T (Hr) Pc (g/cm3) 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 17.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 050100150200250300 T (Hr) Pc(g/cm3) 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 坍塌压力在空间域内的变化坍塌压力在空间域内的变化 0.5 1 1.5 2 2.5 3 1

26、515.51616.51717.5 距井眼中心距离 (cm) Pc (g/cm3) 0.9 0.95 1 七、调整井地层压力预测七、调整井地层压力预测 八、岩屑声波法地层三个压力监测八、岩屑声波法地层三个压力监测 岩屑综合实验研究岩屑综合实验研究 自适应井壁稳定分析自适应井壁稳定分析 8.1 8.1 岩屑综合实验研究岩屑综合实验研究 岩屑纵横波时差测试岩屑纵横波时差测试 岩屑密度测定岩屑密度测定 岩屑泥质含量的测定岩屑泥质含量的测定 岩屑声波测量的影响因素岩屑声波测量的影响因素 岩芯声波的影响因素岩芯声波的影响因素 岩屑地面参数与地层原位参数的转换岩屑地面参数与地层原位参数的转换 岩屑纵横波时

27、差测试岩屑纵横波时差测试 岩屑的特点岩屑的特点 颗粒形状不规则、尺寸细小，一般在数毫米；颗粒形状不规则、尺寸细小，一般在数毫米； 泥浆浸泡几十分到数小时；泥浆浸泡几十分到数小时； 疑问疑问 能否进行各种参数测试？能否进行各种参数测试？ 能否真实反映地层的性质？能否真实反映地层的性质？ 泥浆的作用如何？泥浆的作用如何？ 声波实验仪器声波实验仪器 由于岩屑尺寸小，纵横波测试需要研制特殊的由于岩屑尺寸小，纵横波测试需要研制特殊的 仪器，厚度测量要精确。仪器，厚度测量要精确。 高频 信号 发生 器， 定制 高 频 探 头 自 研 1 1）挑选岩屑挑选岩屑 挑选适合做声波测试和密度测试的岩屑颗粒（结构完

28、整），使挑选适合做声波测试和密度测试的岩屑颗粒（结构完整），使 岩屑样品加工后满足直径大于岩屑样品加工后满足直径大于3mm3mm，厚度大于，厚度大于1mm1mm的要求，的要求， 记录井深、并进行岩性描述。记录井深、并进行岩性描述。 2 2）磨制试样）磨制试样 利用特制的加工台对选好的样品进行磨削加工，使测试两端面利用特制的加工台对选好的样品进行磨削加工，使测试两端面 平行。加工后测试样品厚度。平行。加工后测试样品厚度。 3 3）声波测试）声波测试 利用新研制的便携式超声仪，对样品进行测量，读取声波穿过利用新研制的便携式超声仪，对样品进行测量，读取声波穿过 样品所需的时间，再将此数据转换成声波时

29、差或波速。一般样品所需的时间，再将此数据转换成声波时差或波速。一般 每个井深做每个井深做3-53-5个样品的测试。个样品的测试。 实验过程实验过程 岩屑密度测定岩屑密度测定 所用仪器所用仪器 电子天平、试管、滴管。电子天平、试管、滴管。 1 1）用试管量取一定体积）用试管量取一定体积v1v1的水；的水； 2 2）用电子天平对）用电子天平对2 2克左右的岩屑称重，质量为克左右的岩屑称重，质量为mm； 3 3）将称量好的岩屑放入试管中，记录此时岩屑加水的总体）将称量好的岩屑放入试管中，记录此时岩屑加水的总体 积积v2v2； 4 4）根据上述三个数据，计算岩屑的密度）根据上述三个数据，计算岩屑的密度

30、 。 实验过程实验过程 12 vv m 2.3 2.3 泥质含量的测定泥质含量的测定 根据岩性描述资料对岩屑的泥质含量进行分级处理。根据岩性描述资料对岩屑的泥质含量进行分级处理。 砂岩：砂岩：vc=0.4vc=0.4 泥质砂岩：泥质砂岩：vc=0.6vc=0.6 砂质泥岩：砂质泥岩：vc=0.8vc=0.8 泥岩：泥岩：vc=1vc=1 据调研，目前已有测试岩心自然伽玛的仪器据调研，目前已有测试岩心自然伽玛的仪器 岩屑声波测量的影响因素岩屑声波测量的影响因素 0510152025 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 泥 页岩 岩 屑 纵 波 时 差

31、 /m/s 岩 屑 直 径 /mm 0510152025 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 砂岩 岩 屑 纵 波 速 度 /m/s 岩 屑 直 径 /mm 岩屑大小对声波的影响岩屑大小对声波的影响 012345 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 泥 页岩 纵 波 波 速 /m/s 岩 屑 厚度 /mm 012345 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 砂岩 岩 屑 纵 波 速 度/m/s 岩 屑 厚度/mm 岩屑厚度对声波的影响岩屑厚度对声波的影响 钻井液浸泡时间对岩屑声波的影响钻井液浸泡时间对岩屑声波的影响 010002000300040005000 0 500 1000 1500 2000 2500