地层三个压力剖面预测技术现状与发展趋势

1、地层三项压力预测、监测技术的研究现状和发展趋势石油大学（华东）钻井工程研究室程远方教授汇报内容l地层三项压力在钻井中的重要性l地层三项压力预测的基本原理l地层三项压力预测、监测技术研究现状l我们的研究特色l本研究的应用推广情况l目前存在的问题l进一步研究设想一、地层三项压力在钻井中的重要性l是井身结构设计的基础l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l是预防和减少井下复杂的关键l是提高井眼质量的重要手段二、井壁稳定的基本原理二、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

2、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。2.1 2.1 井眼围岩应力分布规律井眼围岩应力分布规律应力应力 强度强度l直井线弹性井眼围岩应力分布直井线弹性井眼围岩应力分布l斜井线弹性井眼围岩应力分布斜井线弹性井眼围岩应力分布l直井非线性井眼围岩应力分布直井非线性井眼围岩应力分布l直井弹塑性井眼围岩应力分布直井弹塑性井眼围岩应力分布 直井线弹性井眼围岩应力分布规律直井线弹性井眼围岩应力分布规律l假设：地层为线性

3、、均质、各向同性弹性体。HhhHhhH- h2sin23122cos22cos312122cos34121222442222442222442222raraparppraararppraarararhHrphHvzpmhHhHpmhHhHr则，井眼围岩应力分布规律为：则，井眼围岩应力分布规律为：2.2 2.2 强度破坏准则强度破坏准则l拉伸破坏准则 3=-t是水力压裂的起点或井漏的起点。maxminlMOHR-COULOMBMOHR-COULOMB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

4、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。ffff2123212101212sin1cos20c/4-/22sin212cos2121212121HOEK-BROWN 破坏准则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lGriffith Griff

5、ith 断裂准则断裂准则13222mmxyyb裂纹尖端周向应力：裂纹尖端周向应力：0ddb0dd03)03(083133131231ttGriffith断裂准则断裂准则2.3 2.3 坍塌压力的计算坍塌压力的计算lMohr-Coulumb 准则l直井坍塌压力表达式：1tan320hHcp2.4 破裂压力的计算破裂压力的计算拉伸破坏准则：tpHhfpp 3t3t破裂压力表达式：三、地层三项压力研究历史及现状（1）l八十年代以前，地层孔隙压力以监测为主，如页岩密度法、DC指数法等。地层破裂压力预测处于经验模式阶段，如马修斯-凯利模式、伊顿模式等。没有地层坍塌压力的概念。l八十年代，提出了地层坍塌压

6、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。三、地层三项压力研究历史及现状（2）l室内实验研究方法（研究院）l地震层速度法（石大北京）l常规测井资料法（华北钻井所、石大）l页岩比表面积法（Exxon)l人造岩心法(Norway)l岩屑法(Amoco、石油大学）lLWD、SWD法（厂家）l经验模式法（ USA)（3.1）室内实验研究方法l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：岩心来源有限、成本高、可操作性差、精度高。 （3.2）地震层速度法l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：数据来源广泛

7、、成本低、单因素相关性差、精度低。 （3.3）常规测井资料法l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：数据来源广泛、成本低、相关性好、精度较高。 （3.4）页岩比表面积法l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：处理过程复杂、成本较低、相关性较差、精度较低。 （3.5）人造岩心法l基本原理恒定地应力梯度人造岩心强度 实际岩心强度参数计算坍塌压力和破裂压力l特点：处理过程简单、成本较低、相关性一般、精度一般。 （3.6）岩屑法l基本原理岩屑的显微硬度、塑性系数、纵横波速度、密度 地应力岩屑的显微硬

8、度、塑性系数、纵横波速度、密度 强度参数计算坍塌压力和破裂压力l特点：处理过程简单、成本低、相关性好、精度较高、监测。 （3.7） LWD、SWD法l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：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。 （3.8）经验模型法l基本原理孔隙压力：声波时差法、电阻率法、页岩密度法，可接LWD数据。坍塌压力（无）破裂压力经验模式：马修斯-凯利法、伊顿法。l特点：简便、成本低，精度有限。 三、地层三项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

9、考虑水基钻井液对地层参数的影响。四、我们研究的创新性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五、本技术应用推广情况l89年起开始研究，经过八五攻关，初步形成了一套预测方法，并在水平井中进行了应用。l滩海新区事业部GH3-1井的成功应用。l大港探井的应用l江苏油田的应用（盐城-海南花4）l冀东油田高尚堡、老爷庙、北堡、柳赞区块的应用。

10、l辽河、冀东、大港、吐哈、江苏、青海、海洋5.1 冀东高26-22井10001200140016001800200022000.00.51.01.52.02.5 pf pc pp pm G26-22井 压力剖 面 图当量 泥 浆 密 度 (g/cm3)井 深 (m)2200240026002800300032000.00.51.01.52.02.5 pf pc pp pm G26-22井 压力剖 面 图当量 泥 浆 密 度 (g/cm3)井 深 (m)5.2 冀东柳12-6井90012001500180021000.51.01.52.02.5pfpcppdensity /cm3depth /m

11、24002700300033000.51.01.52.02.5pfpcppdensity /cm3depth /m5.3 江苏盐城1井2 7 0 03 0 0 03 3 0 03 6 0 03 9 0 00 .51 .01 .52 .02 .5 pf pc pp当量 密 度 /g/cm3垂深 /m1 8 0 02 1 0 02 4 0 02 7 0 00 .51 .01 .52 .02 .5 pf pc pp当量 密 度 /g/cm3垂深 /m5.4 柳104井l正常趋势线lnt=5.9295-0.0001162l地区指数c=2.933l构造应力系数：beita1=0.04422beita2=0.016053600370038003900400041004200123pfpcpppm当量 密 度 /g/cm3井 深 /m3600370038003900400041004200202530354045井 径 /cmcalbit六、目前存在的问题l野猫井地层三个压力预测与监测l老区加深井地层三个压力预测与监测l调整井地层三个压力预测技术l水基钻井液对岩石力学性质的影响七、下一步工作构想l岩屑法地层三个压力监测研究lLWD、SWD随钻压力检测l通过上部测井资料、井底钻井信息和下部地震资料预测钻头以下一定范围内的地层三个压力岩屑法系统研究l显微硬度测试