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，实现地质目的。提高钻井质量，实

2、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浆体系设计的重要参考资料l是预防和减少井下复杂的

3、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2000220024002600280030003200340036003800400042000.51.01.52.02.5pfpcppmud density for shengshen32030405060well 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32003400360038000.51.01.52.02.5pfpcpp当量 泥 浆 密 度 g/cm3123456786 xxx井 地 层力学 特性

4、剖 面地 质 分层J2xJ3qJ2qJ2s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。

5、 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GGGEEEzxzxyzyzxyxyyxzzzxyyzyxx111多孔弹性模型多孔弹性模型GGGPPEP

6、PEPPEzxzxyzyzxyxyppyxzzppzxyyppzyxx212121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)(ijf0),(pijijf损伤力学模型损伤力学模型0),(pijijf蠕变模型蠕变模型tttEEE20111020exp1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。HhhHhhH- 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：2sin23122cos22cos312122cos341212224422224

7、42222442222raraprapprararapprarararahHrphHvzpmhHhHpmhHhHr024681005101520253035sigmarsigmassigmazstressr/aH=48MPah=42MPav=44MPa=0.25=0Pm=1.2g/cm3Pp=1.02g/cm3应力随井眼距离的变化应力随井眼距离的变化H=48MPah=42MPav=44MPa=0.25=0Pm=2g/cm3Pp=1.02g/cm3024681005101520253035sigmarsigmassigmazstressr/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

8、角的变化井壁应力随圆周角的变化01020304050607080900102030405060SrStSzstresssitaH=48MPah=42MPav=44MPa=0.25=0Pm=1.2g/cm3Pp=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。maxmin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准则准则剪切破坏准则剪切破坏准则lCOULOMB- MOHRC

9、OULOMB- 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/压缩破坏压缩破坏sin1cos20c/4-/22sin212cos2121313131

10、1 3Lades 强度准则强度准则0,321fHoek-Brown 强度准则强度准则acbcsm/3311 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110212JccJJ2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 强度强度1tan2320phHcPp3.4 直井破裂压力的计算直井破裂压力的计算拉伸破坏准则：tpHhfpp 3t3t破裂压力表达式：四、地层三个压力研究历

11、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

12、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 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

13、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

14、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、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

15、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TE1E4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0204060801001.01.21.41.61.82.0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

16、影响井斜角的影响0204060801001.01.52.02.53.03.5 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

17、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0p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高浓度水溶液低浓度水溶液页岩0pp =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/m0.021垂向主应力梯度MPa/m0.026

18、内聚力 MPa9内摩擦角 度泊松比 0.13Biot系数 0.8原始地层孔隙压力梯度 MPa/m 0.0106井深 m 2500孔隙度 0.05渗透率D10-9地层活度0.951。钻井液活度的影响。钻井液活度的影响00.20.40.60.811.21.40.70.750.80.850.90.951钻井液活度Pc (g/cm3)321281.04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 00.511.521515.51616.51717.5R (cm)Pc (g/cm3)0.30.82。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

19、.30.70.80.911.11.21.31.41.5050100150200250300T (Hr)Pc (g/cm3)0.70.750.80.850.90.95115.60.70.80.911.11.21.3050100150200250300T (Hr)Pc (g/cm-300.70.750.80.850.90.951膜效率 0.315.90.70.750.80.850.90.9511.051.11.151.2050100150200250300T (Hr)Pc (g/cm-300.70.750.80.850.90.95116.20.70.750.80.850.90.9511.051.1

20、1.151.2050100150200250300T (Hr)Pc(g/cm-3)0.70.750.80.850.90.95116.50.70.750.80.850.90.9511.051.11.151.2050100150200250300T (Hr)Pc (g/cm-3)0.70.750.80.850.90.95116.80.60.70.80.911.1050100150200250300T (Hr)Pc (g/cm-3)0.70.750.80.850.90.95117.10.60.70.80.91050100150200250300T (Hr)Pc(g/cm3)0.70.750.80.8

21、50.90.95115.300.20.40.60.811.21.4050100150200250300T (Hr)Pc (g/cm3)0.70.750.80.850.90.95115.600.20.40.60.811.21.4050100150200250300T (Hr)Pc (g/cm3)0.70.750.80.850.90.951膜效率0.815.900.511.5050100150200250300T (Hr)Pc (g/cm3)0.70.750.80.850.90.95116.200.511.5050100150200250300T (Hr)Pc(g/cm3)0.70.750.80.

22、850.90.95116.200.511.5050100150200250300T (Hr)Pc(g/cm3)0.70.750.80.850.90.95116.500.20.40.60.811.21.4050100150200250300T (Hr)Pc (g/cm3)0.70.750.80.850.90.95116.800.20.40.60.811.2050100150200250300T (Hr)Pc (g/cm3)0.70.750.80.850.90.95117.100.20.40.60.811.2050100150200250300T (Hr)Pc(g/cm3)0.70.750.80.

23、850.90.951坍塌压力在空间域内的变化坍塌压力在空间域内的变化 0.511.522.531515.51616.51717.5距井眼中心距离 (cm)Pc (g/cm3)0.90.951七、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

24、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

25、试和密度测试的岩屑颗粒（结构完整），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

26、据转换成声波时差或波速。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

27、。实验过程实验过程12vvm2.3 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：vcvc=0.4=0.4泥质砂岩：泥质砂岩：vcvc=0.6=0.6砂质泥岩：砂质泥岩：vcvc=0.8=0.8泥岩：泥岩：vcvc=1=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051015202505001000150020002500300035004000泥 页岩 岩 屑纵 波 时 差 /m/s岩 屑 直 径 /mm051015

28、202505001000150020002500300035004000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01234505001000150020002500300035004000泥 页岩纵 波 波 速 /m/s岩 屑 厚度 /mm0123450500100015002000250030003500400045005000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 01000200030004000500005001000150020002500300035