井筒内的压力及相互关系培训教材

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1、压力的概念

1.1压力定义

压力也称压强，其定义是单位面积上所受的力。

1.2压力表达式

A

2-1

式中：P---压力，N/m2；A----面积，m2；F----作用在

面积上的力，No

1.3压力的单位—Pa

有关压力单位的换算：

lPa=lN/m2；lkPa=1000Pa=103Pa；

lMPa=1000kPa=103kPa=1000000Pa=106Pa；

lMPa=10.194kgf/cm2；

lkgf/cm2=98.067kPa=0.098067MPa；

近似计算lkgf/cm2=100kPa=0.IMPa,误差约2%；

英制中，lpsi=6.895kPao

［例题］如图2-1,已知一

圆柱体立放在桌面上，其底面

直径100mm,高1m,重5kg。求

圆柱体对桌面压力。

解：圆柱体底面积

=3.14X1074=78.54cm2；

圆柱体对桌面压力图2-1圆柱作用下的压力

=5kg/78.54cm2

=0.064kgf/cm2=6.246kpa。

井控中的很多压力是由液体和气体产生的，但压力的概

念是一样的，所不同的是液体和气体在某点上的压力在各个

方向均相等。

2、地层压力

1

k

保存在地层孔隙内的

流体（油、气、水）所具有

的压力称为地层压力。在

钻井过程中，当钻至油气

水层后，地层压力便作用

于井底。在充满钻井液的

井眼中，井底具有以钻井图2-2钻井液对油气层的危害

液液柱为主的井底压力。1―固相颗粒；2—水；3—油；4

井底压力与地层压力的差一水；

值称为井底压差。当地层5—油；6—泥质吸水膨胀；7—

压力大于井底压力时，井水；8—油

底压差为负压差，地层孔隙中的流体便会侵入井内，发生井

喷事故。当井底压力大于地层压力时，井底压差为正压差，

地层孔隙中的流体就不会侵入井内。但是，当井底正压差大

时，就会产生下列危害。

（1）油气层的缝隙。钻井液中的粘土等固相颗粒在井

底正压差的作用下，侵入油气层的孔隙或裂缝之中，阻止或

防碍油、气流出。正压差越大，钻井液中的固相颗粒越多，

则固相颗粒越易侵入地层孔隙或裂缝之中，堵塞就越严重

（见图2-2）o

（2）油、气流产生“水锁效应”。在井底正压差的作用

下，钻井液中的自由水就会不断地向地层缝隙中渗透，在地

层缝隙中形成一段水、一段油，（如图1T）。由于油一水和

气一水之间有表面张力，油气要想流入井眼中，就必须克服

一段段水的表面张力所形成的阻力，这样，水就封锁了油气

流入井内的通道，这就是所谓的“水锁效应”。井底正压差

越大，失水量越大，钻井液浸泡时间越长，地层中的水量就

越多，渗入地层中的深度就越大，一般为几十厘米，有时可

达几米，甚至数十米，这就会严重阻碍油气流入，降低油气

产量。

（3）油、气层中泥质吸水膨胀，堵塞油、气通道。当

钻至油气层，如果油气层中的粘土等泥质成分含量较高，那

么在井底正压差的作用下，钻井液中的自由水就会进入油气

层。油气层中的泥质成分吸水膨胀堵塞油、气通道，就会降

低油、气产量。井底正压差越大，浸入油气层的自由水就会

越多，堵塞就越严重。

（4）降低机械钻速。在井底正压差的作用下，钻头破

碎的岩屑会被紧紧地压在井底而不能及时离开，造成钻头对

岩屑的重复破碎，从而影响钻头破碎岩石的效率，导致机械

钻速下降。井底正压差越大，机械钻速越慢。

（5）易形成粘附卡钻。钻井过程中，由于井眼不可能

完全垂直，当井下钻具静止不动时，钻柱在井底正压差的作

用下靠向井壁，与井壁泥饼紧密结合（陷入泥饼中），如果静

止时间较长，井底正压差较大就会把钻柱紧紧地压在井壁

上，从而产生粘附卡钻。

（6）易发生井漏。在钻井过程中，如果地层孔隙度大,

渗透性好，那么，钻井液就会在较大的井底正压差的作用下

发生渗透性漏失。

图2-3正常地层压力形成

ZF意图

1一地表；2—地层缝隙；3

一地层水；4—油层；5—油井。

当然，井底正压差较

大，对防止井喷是极其有利

的。过去人们往往怕井喷而

过大地增加钻井液密度，人

为地增大井底正压差，这样

做的结果是井虽未发生井

喷，但油气层却被堵塞了。

过去，常常会看到这种现象，有的油、气井在钻进时油气显

示很好，而完井试油时，却不出油产气，或者产油、气很少。

因为石油钻井的主要目的是为了开发地下油气资源。所以，

我们在钻井过程中，必须尽量减少井底正压差。

为了多出油，快打井，减少卡钻、井漏等事故的发生，

井底正压差应该是越小越好，最理想的钻井状态为井底压力

等于地层压力，使井底压差等于零。在井底压力等于地层压

力条件下的钻井过程为平衡钻井。平衡钻井是很难做到的，

一般情况下是使井底压力稍大于地层压力，保持最小的井底

正压差，这种在井底压力稍大于地层压力条件下的钻井过程

为近平衡钻井，近平衡钻井有以下优点：

（1）避免堵塞油气缝隙，有利于发现与保护油气层。

（2）提高机械钻速。

（3）防止粘附卡钻。

（4）防止井漏。

2.1正常地层压力

地质上认为：含有油气水的地层是通过渗透性地层形成

的缝隙与出露在地表的地层相互沟通，在这个相互沟通的缝

隙内充满着地层水（如图2-3）o

2.1.1正常地层压力的定义与计算

某地区的正常地层压力就是该地区较为普遍的地层水

所形成的静液柱压力，其计算公式为：

P=PgH=O.0098PH

2-2

式中：P—正常地层压力，MPa；

P一地层水密度，g/cm3；

g—重力加速度，g=9.8m/s2；

H—地层深度，mo

地层深度一定是地层垂直深度，与某深度的地层相互沟

通的出露在地表的位置与该地层的水平距离可以达到数十

公里，产生沟通作用的渗透性地层的倾斜距离会更多，这种

水一平距离、倾斜距离都不能做为计算正常地层压力的依

据。

［例题］某地区较为普遍的地层水密度为1.07g/cm3,求

地层垂直深度分别为1000m,2000m,3000m的正常地层压力

为多少？

解：Pi=0.0098PH=0.0098XI.07X1000=10.486(MPa)；

P2=0.0098PH=0.0098X1.07X2000=20.972(MPa)；

P3=0.0098PH=0.0098X1.07X3000=31.458(MPa)o

答：地层垂直深度分别为1000m,2000m,3000m的正常

地层压力分别为10.486MPa；20.972MPa和31.458MPao

2.1.2正常地层压力的四种表示方法

(1)用压力的具体数值表示地层压力

如在例2-1中：地层垂直深度分别为1000m,2000m,3000m

的正常地层压力分别为10.486MPa；20.972MPa和31.458MPao

(2)用地层压力梯度表示地层压力

由例2-L可以看出，正常地层压力与地层深度成正比，

地层深度增加几倍，正常地层压力随着增加几倍；同样，地

层深度减小，地层压力也随着减小。它们扩大、减小的规律

是：地层压力和地层深度的比值总是一定的。这个定植

10.486MPa/m就是某地区的正常地层压力梯度。

地层压力梯度是单位地层深度地层压力的变化量。其计

算公式为：

G=£=0.0098加=0002-3

HH

式中：G一地层压力梯度，MPa/m；

P—地层压力，MPa；

H—地层深度，mo

对于某地区来说，由于地层水密度是一定的，所以某地

区的正常地层压力梯度是一个固定不变的值。正常地层压力

梯度能够较直观地表示某地区的正常地层压力。在异常压力

地层，同样可以用异常地层压力梯度来表示异常压力地层。

［例题］某地区3500m以上为正常地层压力，测得地层深

度为2500m处的地层压力为26.215MPa,求该地区的正常地

层压力梯度。

解：G=P/H=26.215/2500=0.0105(MPa/m)o

答：该地区的正常地层压力梯度为0.0105MPa/m。

［例题］某地区地层水密度为1.05g/cm3,求该地区正常地

层压力梯度。

解:G=0.0098P=0.0098X1.05=0.0103(MPa/m)o

答：该地区正常地层压力梯度0.0103MPa/mo

在钻井施工前，我们如果已经了解本地区的正常地层压

力梯度，那么，在钻井过程中，如果想知道某地层深度的正

常地层压力的具体数值，只要将正常地层压力梯度乘以地层

深度即可。

［例题］某地区正常地层压力梯度为0.0118MPa/m,当井

深为2000m时，地层压力为多少？

解：P=GH=0.0118X2000=23.6MPao

答：地层压力为23.6MPa。

（3）用地层压力当量钻井液密度表示地层压力

地层压力梯度消除了地层深度的影响，如果同时消除地

层深度和重力加速度的影响，那么，地层压力便可直接用地

层压力当量钻井液密度来表示，地层压力当量钻井液密度就

是平衡地层压力所需的钻井液密度：

P-4=P2-4

gHgH"

式中：Pe一地层压力当量钻井液密度，g/cm3o

由上式可知，正常地层压力当量钻并液密度的数值等于

形成地层压力的地层水密度。因此，只要知道某地区的地层

水密度，就能直接得到正常地层压力当量钻井液密度，钻井

工作者便可以采用相当的钻井液密度实现平衡钻井，或者采

用比地层压力当量钻井液密度略高的钻井液密度，实施近平

衡钻井。由于地层压力当量钻井液密度易与钻井中所用的钻

井液密度形成对比，因此用地层压力当量钻井液密度表示地

层压力较之地层压力梯度更为直观。

［例题］地层深度为2000m时，地层压力为20.972MPa,

问地层压力当量钻井液密度为多少?

解：Pe=P/(0.0098H)=20.972/(0.0098X2000)

3

=1.07g/cmo

3

答：地层压力当量钻井液密度为1.07g/cmo

由于各地区的地层水矿化度各不相同，有的是淡水，有

的是海水，有的是盐水，因此，各地区的地层水密度也各不

相同。所以，各地区的正常地层压力当量钻井液密度值也各

不相同。例如，胜利油田为1.02g/cn13,东南亚为1.03g/cm3

时，墨西哥湾为L07g/cm3。

(4)用地层压力系数来表示地层压力

当用地层压力当量钻井液密度表示地层压力时，人们在

3

叙述时要说某地区正常地层压力为1.07g/cmo为了叙述方

便起见，人们往往把单位去掉，而说某地层压力为L07,这

就是地层压力系数。

地层压力系数是指某地层深度的地层压力与该深度处

的淡水静液柱压力之比。地层压力系数无单位，其数值等于

平衡该地层压力所需钻井液密度的数值。

K=—=PGH=2=p(取掉单位)2-5

P水P水gH。水

如2000m深度的地层压力为20.972MPa,相同深度的淡

水静液柱压力为1X0.0098X2000=19.6MPa,则：

地层压力系数=20.972MPa/19.6MPa=l.07o

在钻井工作中谈到地层压力时，上述四种表示方法都可

能用到，当用地层压力当量钻井液密度表示地层压力时，可

以不再说明是地层压力当量钻井液密度而直接称之为地层

压力。由于它们的数值与单位都相同，所以要按上下文的意

思进行理解，以与钻井液密度相互区别。

在前面我们提到地层压力、地层压力梯度、地层压力当

量钻井液密度、地层压力系数时仅对正常地层压力进行了一

些阐述。实际上上述概念也适用于其它压力，如异常高压层、

异常低压层、静液柱压力、地层破裂压力等。

［例题］如地层液体密度为1.20g/cm3,试求垂直深度为

2000m处地层压力，地层压力梯度,地层压力当量压井液密度,

地层压力系数。

解：地层压力Pp=0.0098P

pH=0.0098*1.20*2000=23.52MPa；

地层压力梯度Gp=O.0098P

p=0.0098*1.20=0.01176MPa/m；

地层压力当量压井液密度Pe=Pp=l.20g/cm3;

地层压力系数K=l.20o

2.2异常地层压力

在钻井过程中所遇到的压

力不单是正常地层压力，还经常图2-4砂岩层的正常与

会遇到异常低压地层和异常高异常压力

压地层。

2.2.1异常低压层

异常低压层是指地层压力低于正常地层压力的地层。

在一般情况下，地层压力小于1.00g/cm3的地层才称之

为异常低压层（或低压层），低压层的压力可能低到0.80g/

cm3,甚至更低。

异常低压的成因：

（1）生产多年的衰竭油气层；

（2）大量生产而没有充分注水补偿的油气产层；

（3）同一水动力系统的地层露头低于井口；

（4）地下水位很低，等等。

2.2.2异常局压层

异常高压层是指地层压力高于正常地层压力的地层。

在一般情况下，地层压力高于1.07g/cm3的地层才称之

为异常高压层（或高压层），高压层的压力可能高到2.35g/

cm3,甚至更高。

异常高压的成因：主要有沉积压实不均、水热增压、渗

透作用和构造作用等。应该清楚地懂得，任何一种含油气的

地质构造，都可能是异常高压层。

总上所述：正常压力地层Pp=l.0-1.07g/cm3；

3

异常高压地层PP>1.07g/cm；

3

异常低压地层PP<1.0g/cmo

2.3地层压力预报

在钻至油气层时，就会遇到异常高压层，如果不知道异

常高压层的压力值，而仍采用比异常高压低的井底压力进行

钻井，就会造成井喷。如果人们为了防止井喷而盲目地增大

钻井液密度，就会使井底压力大大超过高压层的压力值，造

成油气通道的严重堵塞。因此，必须在钻开高压油气层前就

知道高压油气层的压力值，只有这样，才能够准确地确定合

理的钻井液密度，实施近平衡钻井。

在钻井施工前进行的地层压力测定工作为地层压力预

报。

地层压力预报方法主要有地震法和邻井资料对比法。

2.3.1地震法

利用地震法进行地层压力预报是物探部门的一项重要

工作，钻井工作者只需了解一下它的基本原理即可。

在正常压力地层，随着岩石埋藏深度的增加，上面的岩

层压力逐渐增大，地层孔隙度逐渐减小，这就使地震波的传

播速度随岩石埋藏深度的增加而成正比地增加。当地震波到

达高压油气层时，由于高压油气的存在，使地层孔隙度增大,

这就使地震波的传播速度随之下降，因此，人们可以根据地

震波在高压油气层中的减小值来确定高压层的压力值。

2.3.2邻井资料对比法

如果在某地要钻的井附近，有一些已钻过的井，这些井

地层压力资料对要钻的井有着重要的指导意义。邻井的电测

数值能够很准确地反映出各个地层深度的地层压力数值，这

是最好的参考资料，大多数新井钻井过程中的高压层位置都

是与邻井电测资料进行对比而知道的。我们要充分了解邻井

的正常地层压力值，高压地层压力值和与其相对应的井深。

在该井的钻进过程中，要经常与邻井压力资料进行对比，在

钻进到与邻井相应井深的高压层时要特别引起注意，并可按

照邻井的高压层压力值适当调整钻井液密度，实施近平衡钻

井。

2.4地层压力监测

钻井过程中，在钻开高压油气层前进行的地层压力测定

工作为地层压力监测。

地层压力监测方法有机械钻速法、de指数法、页岩密度

法等。

2.4.1机械钻速法

在钻进过程中，当钻压、转速、地层岩性、钻头类型、

钻井液密度及水力参数不变时，在正常地层压力情况下，随

着井深的增加，岩石孔隙度减小，岩石越来越致密、坚硬，

机械钻速越来越低。当钻达高压油气层时，岩石孔隙度增大,

岩石较疏松，易于钻进，同时，在高压过渡带与高压带地层

中，地层压力逐渐增加，井底压差逐渐减小，因此，机械钻

速逐渐增加。人们根据这一规律可以检测地层压力。

2.4.2dc指数法

机械钻速法的前提是钻压、转数、钻井液密度及水力参

数固定不变，但在实际的钻井过程中，钻压、转速很难固定

不变，因此，机械钻速法不能准确预报地层压力，更难定量

计算，为此，出现了de指数法。

de指数的计算公式：

公」g(O047V/N)xp,2-6

lg(0.0684P/D)pm

式中：V一机械钻速，m/h；

N—转数，r/min；

P一钻压，kN；

D—钻头直径，mm；

Pn—该地区地层水密度或正常地层压力当量钻

井液密度，g/cm3；

Pm—实际使用的钻井液密度，g/cm3；

de一修正钻压指数。

在钻进过程中，当地层岩性、钻头类型、水力参数固定

不变时，在正常地层压力情况下，随着井深的增加，岩石孔

隙度减小，难于钻进，de指数值增加；当钻达高压油气层时,

岩石孔隙度增大，易于钻进，de指数值减小。人们可以根据

de指数在高压油气层中的减小值来定量汁算高压油气层的

压力值。

计算de指数值是钻井技术人员的一项重要工作。但是,

计算de指数值时需要钻压、钻速、转速、钻井液密度等数

据，准确及时地收集这些数据是钻井工作者的重要职责。在

进行上述资料的收集时，应注意以下几点：

（1）收集点距。快速钻进时，每10—20m收集一次上

述数据；一般情况下，每5-10m收集一次上述数据，在高

压过渡带和高压层等重要井段每1—2m收集一次上述数据。

（2）只能在泥岩中收集上述数据（在其它类型地层中不

能使用de指数法）。

（3）用de指数检测地层压力的井段，钻头类型、水力

因素不能改变，钻压、转速变化

不能太大。

（4）钻速资料可根据钻井队

地质班的钻时资料进行计算。钻

压由钻井班记录工进行收集，为

了保证钻压的正确，指重表必须

灵敏可靠。记录工责任心要强，

记录要及时，严禁事

后回忆填写。指重表记录卡

曲线要记录清楚，以备参考。转

速资料分二部分进行收集，记录

工记录转盘的使用挡数，机房甲

司助记录钻进时柴油机的相应转

数，以各挡的传动比除柴油机转

数得到转盘转数值。钻井液密度

由井队泥浆工进行收集。图2-5dc-H曲线

(5)一般认为，应从可能存1—正常地层压力

在高压井段的前500—1000m开带；2—高压过渡带；3—

始收集资料数据。异常高压带；4—正常趋

当计算出各不同井深的de势线。

指数值后，就可以画出de—H曲线(如图2-5)。

dc-H曲线主要由三部分组成：

正常地层压力带：随着井深的增加，de值基本上成正比

地增加，根据它们的变化趋势可以画出正常趋势线。

高压过渡带：它也叫高压层的封闭带，是地层压力由正

常地层压力过渡到异常高压的区间。de值明显减小而连续地

向正常趋势线左侧偏离。

异常高压带：de值变化终了趋于稳定的一段。

在钻进过程中，尤其是在钻

至高压过渡带和异常高压带时,

一定要及时进行de值的计算，应

钻到哪，就计算到哪，绘制de—H

图2-6dc-H曲线曲线到哪，不能滞后所钻达的地

1—正常地层压力层。当根据de值和de—H曲线，

带；一旦发现地层压力增高时，就应

2—高压过渡带；3及时增大钻井液密度，一边循环,

一异常高压带；4—正常一边进行加重工作，直至钻速稳

趋势线。定为止。只有这样逐渐增加钻井

液密度，才能及时平衡地层压力，实施近平衡钻井。

de指数法简便易行，钻井现场应用比较广泛。但是，由

于de指数法没有考虑钻头类型、水力参数、钻头磨损等对

钻速的影响，因此，在钻头更换前后和水力参数变化时，钻

速变化剧烈，de指数法便不能应用。标准化钻速法考虑了钻

头类型、钻头磨损及水力参数对钻速的影响，应用时较为准

确，但是，它的计算、作图相当复杂，井队应用较少。

2.4.3页岩密度法

在正常地层压力情况下，随着井深的增加，岩石孔隙度

减小，岩石密度增大；当钻达高压油气层时，岩石孔隙度增

大，岩石密度减小，根据这一规律可以监测地层压力。

页岩密度法的施工步骤：

（1）岩屑惟备

钻进过程中，从出日钻井液槽处或震动筛上捞取页岩砂

样，然后用清水轻轻冲去岩屑上的钻井液，用干毛巾擦清和

用滤纸吸出岩屑上的自由水（有时用电炉烤干）。对每次取得

的岩屑必须经过严格挑选，要剔除大的掉块和经反复磨圆了

的岩屑。为了卡准岩屑的真实深度，还必须准确计算岩屑迟

到时间。

（2）岩屑密度的测定

将准备好的岩屑放入钻井液密度计的杯中进行称量。

（3）作图求压

压力（MPa）

图2-7上覆岩层压力与

把每一个测点的页岩密度值,地层压力

及时画在密度与井深的关系图上，然后，通过正常地层压力

井段的页岩密度点引出密度变化的正常趋势线。该线是检测

地层压力的基础，其准确度对求压关系甚大。从图2-6可清

楚看到，当页岩密度开始偏离正常趋势线后，即表明进入高

压过渡带顶部，偏离量越大，地层压力越高。人们还可以根

据页岩密度偏离正常趋势线值的大小求出地层压力。

除上述几种方法外还可通过电测井，气测井、声波测井

资料以及页岩坍塌、页岩岩屑中膨润土含量变化、钻井液性

能变化、钻井液中天然气含量及氯化物变化、钻井液返出温

度及体积变化等多种方法监测及预报异常压力地层。在同时

用多种方法监测地层压力时，应将所测数据绘制在同一总图

上进行综合对比，但应注意这些方法的测点间隔要一致。如

果只有一两种方法有异常显示，这可能是其它因素影响所造

成的；如果大多数方法都指示出地层压力升高，这就要密切

注意异常高压地层的到来。此时，可加密测点或进行一次证

实性电测井等

措施处理，并同时作好防止井喷的各项准备工作。

2.5上覆岩层压力

上覆岩层压力是某深度以上的岩石和其中流体对该深

度所形成的压力。地下某一深处的上覆岩层压力就是指该点

以上至地面岩石的重力和岩石孔隙内所含流体的重力之总

和施加于该点的压力。如图2-7,这种情况与把圆柱体放在

桌面上的情况很相似。地下岩石平均密度大约为2.16-

3

2.64g/cmo于是平均上覆岩层压力梯度大约为0.02262MPa

/mo

上覆岩层压力的计算公式：

P=0.0098H：(1-0)prm+Op]

2-7

式中：P。——上覆岩层压力，MPa；H——该处垂直深度,

m；P——岩石孔隙中流体的密度，g/cm3；①一一岩石孔隙

度，％；prm岩石密度，g/cm3o

上覆岩层压力与地层孔隙压力的关系是

Po=M+Pp2-8

式中：Po—上覆岩层压力，MPa；M—基体岩石重力，MPa；

Pp一地层孔隙压力，MPa。

[R]样，可以与成Go=GM+GPO

式中：Go—上覆岩层压力梯度，MPa/m；GM—基体岩石

压力梯度，MPa/m；Gp一孔隙压力梯度，MPa/mo

2.6地层破裂压力

2.6.1地层破裂压力的概念

地层破裂压力是指某一深度地层发生破碎和形成裂缝

时所能承受的压力。井内压力过大会使地层破裂并将全部压

井液漏入地层。

在地层破裂之前，液体首先必须穿入地层，这就是说，

作用在地层上的压力必须超过地层压力，井中压力必须大于

岩石的强度。例如，花岗岩是非常硬的，所以其破裂梯度也

会很高。另一方面，砂岩或破碎灰岩是比较软的，所以容易

破裂。

地层破裂压力Pf的计算：

Pf=0.0098PfHf2-9

式中:Pf，地层破裂压力MPa；P『地层破裂压力当

量密度g/cm3；压一一漏失层垂直深度m；

地层破裂压力梯度

Gt-=Pf/Hf=0.0098Pf2-10

0

1603204806408009601120泵入量（口

Gf地层破裂压力梯

度MPa/mo图2-8地层破裂压力试验曲

2.6.2掌握破裂压力的

重要性

为了合理进行井身结构

设计和制定施工措施，除了

掌握地层压力梯度剖面外，还应了解不同深度处地层的破裂

压力。在钻井中，合理的压井液密度不仅要略大于地层压力,

还应小于地层破裂压力，这样才能保持油气层，获得高钻速,

实现安全高效钻井。破裂压力是确定最大关井压力的依据。

2.6.3影响地层破裂压力的主要因素

（1）取决于其自身的特性。这些特性主要包括地层中

天然裂缝的发育情况、它的强度及其弹性常数的大小。

漏失压力=8.274MPa

在井深1524m，钻井液密度~1.0瓯全小

压裂松度=[OltPa/m

4

W

•

国

用

£

&

长

曲般大允眸套氏丁配723Mp.

钻井液生层增加到LSSg/cm1

3

(2)地层压力

对其破裂压力有很

大的影响。一般来

说，地层的孔隙压力

越大，其破裂压力也

越高。

(3)地层破裂图2-9最大允许关井套压与井内压井

是地层受力作用的液密度的关系

结果，与地层中存在的地应力大小有很大关系。

2.6.4地层破裂压力试验

试验目的：

(1)检查注水泥作业的质量。每层套管注完水泥并钻

掉水泥塞后，再钻1m新井眼，进行液压试验，检查套管鞋

处水泥封闭质量。

(2)实测地层破裂压力。

试验方法和步骤:

（1）井眼准备一一钻开套管鞋以下第一个砂层后，循

环调整压井液性能，使压井液密度均匀稳定。一般钻3〜5m,

最多不超过10m新井眼。

（2）上提钻具，关封井器。

（3）用小排量高压泵以0.8-1.32L/s的排量缓慢向井

内注入压井液（最好用水泥车）。

（4）准确记录不同时间的注入量和井口压力。

（5）一直注到井内压力不再升高并有下降（地层已经

破裂漏失），停泵，记录数据后，从节流阀泄压。

（6）在直角坐标系内作出以井口压力与泵入量为坐标

的试验曲线；如果泵速不变，也可作出井口压力和泵入时间

的关系曲线。如图2-8所示。

（7）从图上确定以下各压力值：

PL——漏失压力，单位为MPa,即开始偏离直线的点的压

力值，此点之后的压力仍然上升，但非直线上升；

PR——破裂压力，单位为MPa,是最大压力值点的压力,

此点之后压力下降

2.6.6最大允许压井液密度的计算方法

(1)计算地层破裂压力Pf。

钻井工程中，一般以漏失压力PL作为允许压力，根据PL

值计算破裂压力及破裂压力梯度。

Pf=PL+O.0098PmHf2-11

式中：Pf——地层破裂压力，MPa；PL——漏失压力MPa；

Hf——套管鞋处垂深mo

(2)计算地破裂压力梯度Gf

Gf=Pf/Hf

2-12

式中：Gf地层破裂压梯度，MPa/m；符号同刖。

(3)破裂压力当量压井液密度Pmf

Pmf=102Pf/Hf

2-13

Pmf=102Gf

2-14

3

式中：Pmf——破裂压力当量压井液密度，g/cm；其他

符号同前。

（4）确定最大允许压

井液密度P™axo

考虑安全附加压力，

实际允许的最大压井液密

度应小于地层破裂压力当

量压井液密度。通常表层

图2-10钻井液静液压力和地层

套管取安全附加压力

压力

Sf=0.06g/cm3,技术套管

3

Sf=0.12g/cm,贝［J：

表层套管以下：Pmmax二P0.06,g/cil?；

3

技术套管以下：PPmf-0.12,g/cmo

（5）最大允许关井套压与井内压井液密度的关系。

如图2-9,以地层最大破裂压力为纵坐标，以最破裂压

力当量压井液密度为横坐标，把两点连接成一直线，则从很

快得出所用压井液密度的最大允许关井套压。

3、井底压力

为了实施近平衡钻井，我们在掌握了地层压力的基本知

识后，还必须理解和掌握井底压力的基本知识。井底压力主

要包括有：钻井液静液柱压力、抽汲压力、激动压力、环空

流动阻力。

3.1静液柱压力

钻井液静液柱压力是井内钻井液液柱重量所产生的压

力。如图2-10o

我们己经知道，钻井液静液柱压力是井底压力的主要压

力，它对井底压力起决定性因素，有时人们认为，井底压力

就是钻井液静液柱压力。现在，我们进一步深入分析一下钻

井液静液柱压力。

3.1.1静液柱压力的定义与计算

静液柱压力可用下式计算

Pm=0.0098PmH2-15

式中:Pm一钻井液静液柱压力，MPa；Pm一钻井液密度，

3

g/cm；H一钻井液液柱高度，mo

在一般情况下，井眼内是充满钻井液的，因此，钻井液

液柱高度一般以井深的数值进行计算。在定向斜井中，井深

一定要是垂直井深。

3.1.2静液柱压力的影响因素

由钻井液静液柱压力的计算公式可知，钻井液静液柱压

力的影响因素是钻井液密度的变化和钻井液液柱高度的变

化。

※钻井液密度的变化：

（1）钻速越快，岩屑越多，钻井液密度增加越快，钻

井液静液柱压力增加越快；反之，钻井液静液柱压力减少。

（2）向钻井液中加入重晶石粉等加重材料或固体处理

剂后，钻井液密度增加，钻井液静液柱压力增加。

（3）向钻井液中加水或雨水通过泥浆池或泥浆罐进人

钻井液中，会使钻井液密度下降，从而钻井液静液柱压力减

小。

（4）发生油气水侵后，钻井液密度减小，钻井液静液

柱压力减小。由于天然气比较轻，因此钻井液气侵会严重影

响钻井液密度，使钻井液静液柱压力大幅度下降。

（5）钻井液中加人絮凝处理剂，固相颗粒在钻井液罐

等地面设备中絮凝沉淀，并被有关设备排除出去，使钻井液

密度减小，从而钻井液静液柱压力减小。

※钻井液静液柱高度的变化：

（1）井越深，钻井液静液柱高度越大，钻井液静液柱

压力越大。

（2）井深一定，起出一定数量的钻柱后，井眼内的钻

井液高度就要下降，钻井液静液柱压力也随之下降。

（3）当钻遇易漏层后，钻井液发生漏失，井眼内钻井

液高度下降，钻井液静液柱压力下降。

（4）开泵过猛，下钻过快而造成井下压力激动，引起

井漏，使井眼内钻井液高度下降，从而使钻井液静液柱压力

下降。

3.2波动压力

3.2.1波动压力的定义

波动压力是抽汲压力和激动压力的总称。

抽汲压力是指由于上提钻柱，而使井底压力减小的压

力。抽汲压力值就是阻挠压井液向下流动的流动阻力值。

激动压力是指由于下放钻柱，而使井底压力增加的压

力。激动压力值就是阻挠压井液向上流动的流动阻力值。

3.2.2波动压力给施工带来的危害

管柱提升速度快，压井液切力大、粘度大，井眼缩径和

钻头泥包都将引起过大的抽汲压力，过大的抽汲压力是引起

井喷和井眼垮塌的因素，因此应引起足够的重视。

引起过大激动压力的主要因素是下钻速度快，其它影响

因素同抽汲压力。过大的激动压力会引起井漏，带来的危害

更大

3.2.3引起波动压力的主要原因

（1）压井液静切力引起的波动压力

压井液静止时，粘土颗粒之间要形成网状结构，静止时

间越长，网状结构的强度越大，压井液静切力也随之增大。

当压井液由静止状态变为流动状态时，必须先克服静切力，

然后压井液才会流动。

在井内的压井液和钻柱都处于静止状态时，钻柱由静止

状态变为运动状态，而压井液却不能在钻柱运动的同时立刻

产生流动，必须克服压井液的静切力后才能开始流动。因此

下放钻具的开始，为克服压井液的静切力，会使井底压力增

加，即产生激动压力；相反，起升钻柱时，会产生抽汲，使

井底压力减小。压井液的静切力越大，产生的激动压地和抽

汲压力越大。

(2)起下钻引起的波动压力

起钻时，钻柱在井内的体积不断减小，压井液要充填起

出钻柱所空出的空间而向下流动，产生流动阻力，使井底压

力减小。下钻时，井内钻具体积不断增加，排挤压井液向上

流动，而产生流动阻力，使井底压力增加。

(3)惯性力引起的波动压力

在起下钻或接单根等作业中，钻柱的运动有加速和减速

的过程，从而产生惯性力。引起井内压力波动。加速度越大,

产生的波动压力越大。

3.2.4减小波动压力对井眼影响的措施

（1）控制起下钻速度，不要过快。在钻开高压油气层

和压井液性能不好时，更应注意。

（2）起下钻具时，防止猛提猛刹，防止过大的惯性力

产生的波动压力。

（3）要调整好压井液性能，防止因切力、粘度过大产

生无穷大的波动压力。

（4）要保持井眼畅通，防止钻头泥包、井眼缩径等造

成的严重抽汲。

3.2.4波动压力的影响因素

※抽汲压力的影响因素：

（1）起钻时加速度或速度越大，随同钻柱一同上行的

钻井液就越多，抽汲压力就越大。

无论起钻速度多慢，抽汲作用都会存在，但我们应当尽

量减小抽汲作用，并必须使钻井液液柱压力始终能够平衡地

层压力。这样才可以防止溢流和井涌。

（2）粘度、切力越大，钻井液向下流动的阻力就越大,

抽汲压力越大：

起钻

（3）井径越不规则，座擦系数越大，图2-11抽吸压力

钻井液向下流动的阻力就越大，抽汲压力的产生

越大。

（4）井眼环形空间尺寸越小，胶皮

护箍尺寸越大，钻头泥包程度越大，钻井

液向下流动的阻力就越大，抽汲压力越大。如果泥包特别严

重，钻具与泥包钻头在井眼内就会象一个打气筒或皮下注射

器一样将油气水大量抽汲到井内。

（5）井越深，钻柱越长，随钻柱一同上行的钻井液就

越多，钻具中问和环空中间的钻井液就越不能及时充填空出

的井眼空间，因此，抽级压力就越大。

最大的抽汲作用是钻头刚离开井底的时候，因此，在起

钻前期，很容易把地层流体抽入井内。

※激动压力的影响因素：

（1）粘度、切力越大，对钻井液产生的流动阻力越大,

激动压力越大。

（2）井径越不规则，摩擦系数越大，对钻井液的流动

阻力越大，激动压力越大。

(3)下钻时加速度或速度越大，下入的钻柱体积就越

多，被挤出的钻井液体积就越多。钻井液向上流动的速度就

越大，由钻井液粘度、切力等引起的流动阻力也越大，激动

压力也越大。

3.2.5波动压力的形成过程分析

(1)抽汲压力的形成过程分析

图2—12起钻时钻

井液流速分布

MJ

N

鼠

图2—13激动压力

如图2-n,上提钻柱时，钻柱下端的产生

会因钻柱上升而空出一部分环形空间，井内的钻井液应该向

下流动，迅速充满这个空间，但是由于钻具内壁和外壁与钻

井液之间存在有摩擦力巨钻井液具有一定的粘度和切力，从

而对钻井液的向下流动产生一定的流动阻力，其结果是只有

钻柱内中间的部分钻井液向下流动，而紧靠钻具内外壁的钻

井液却附在钻柱上随钻柱一同上行，这部分钻井液失去了对

井底的压力作用。从而使井底压力降低。另外，当上提钻柱

时，环形空间的钻井液也力图填补因钻柱上升而空出来的井

眼空间，但是，由于井壁与钻井液之间也存在有摩擦力，再

加上钻井液的粘度与切力，这就又对环形空间的钻井液向下

流动产生了一定的流动阻力，其结果是只有环形井眼中间的

钻井液能够迅速充满环形空间，而紧靠井

壁的钻井液却不能迅速充满空出的井眼空间，这部分钻

井液也失去了对井底的压力作用，使井底压力减小（如图

2-12）o

抽汲压力就是由于上提钻柱而使井底压力减小的压力。

抽汲压力值就是阻挠钻井液向下流动的流动阻力值。

由于抽汲压力的存在，使得井内钻井液不能及时充满上

提钻柱时空出来的井眼空间，这样，在钻头下方就会对地层

中的流体产生抽汲作用，而使地层流体进入井内造成油气水

侵。

（2）激动压力的形成过程

如图2-13,下放钻柱时，钻柱下行，挤出钻柱下端的

钻井液向上流动，由于井径不规则和钻井液具有一定的粘度

与切力，从而对钻井液向上流动产生一定的流动阻力使钻井

液难于向上流动，只有克服了这个流动阻力，钻井液才会向

上流动。在钻柱下行克服这个流动阻力迫使钻井液向上流动

时，井壁与井底也承受了该流动阻力，因此，使井底压力增

加，形成激动压力。

动压力就是由于下放钻柱而使井底压力增加的压力，激

动压力值就是阻挠钻井液向上流动的流动阻力值。

3.3环空流动阻力

3.3.1环空流动阻力定义

流动阻力:在压力的推动下压井液从泵进入循环系统。

由于压井液循环及其与所碰到的物体发生摩擦所引起的压

力降低。

环空流动阻力：循环压井液时，压井液在环空上返。产

生的流动阻力作用于井底，使井底压力增加。当停止循环时,

流动阻力消失。压井液经地面管汇，沿钻柱向下，通过钻头

喷嘴而后沿环形空间上返，当钻井液返至地面进入泥浆池

时，处于大气压的情况下，表压为零，数十兆帕的压力损失

到循环系统中。损失压力的大小取决于钻井液密度，钻井液

的粘度、排量和流通面积，大部分压力损失在钻柱内和钻头

喷嘴处。如图2-14所示。

3.3.2环空流动阻力的形成过程

在钻井过程中，当开泵

循环钻井液，钻井液在井眼

环形空间上返流动时，由于

井径不规则，钻井液具有一

定的粘度，切力等因素，从

而对钻井液向上流动产生一

定的流动阻力，这个流动阻

力就是环空流动阻力。在钻

井泵克服这个流动阻力迫使

钻井液向上流动时，井壁和

井底也承受了该流动阻力，

因此，使井底压力增加。当

停泵钻井液停止循环时，流

动阻力消失，井底压力又减

小。图2T4井内循环压力损失

3.3.3环空流动阻力的影响因素

钻井液上返速度越大，井越深，并径越不规则，环空间

隙越小，钻井液密度越高，粘度、切力越高，环空流动阻力

越大；反之，环空流动阻力越小。

环空流动阻力的大小取决于：

(1)压井液上返速度；

(2)环空间隙;

(3)井深和压井液性能。

如返速越大、井越深，环空间隙越小，压井液密度和粘

度越高，则流动阻力越大。反之，流动阻力则越小。

3.4井底压力

3.4.1井底压力的定义

所有作用在环形空间的压力总合，就是井底压力。这个

压力随井下作业不同而变化。

3.4.2不同工况下井底压力的计算方法

(1)井内钻井液处于静止状态(包括空井、电测、射

孔等)时：

井底压力二钻井液静液柱压力。

(2)下钻时:

井底压力二环空钻井液静液柱压力+激动压力。

(3)钻进时：

井底压力二环空钻井液静液柱压力+环空流动阻力+钻

井液中岩屑引起的附加压力。

(4)起钻时：

井底压力二环空钻井液静液柱压力-抽汲压力-起钻时液

面下降而减小的压力。

(5)关井时：

井底压力二环空钻井液静液柱压力+井口套压+气侵附加

压力。

(6)压井循环时：

井底压力二环空钻井液静液柱压力+环空流动阻力+井口

节流阀回压+气侵附加压力。

由以上公式可以看出，在钻井液静液柱压力一定的情况

下，起钻时井底压力最小，而下钻和钻进时井底压力较大。

［例题］某定向井钻至井深H=3820米，相应垂深Hl=3210

米，起钻前压井液密度p=L46g/cm3,若起钻抽汲压力P抽

为1.57MPa,起钻未及时灌压井液引起静液压力减小值P减

为0.3MPa,求起钻时井底压力Pb为多少MPa?

解：Pb=pgH「P抽一P减=0.00981X1.46X

3210-1.57-0.3=45.93-1.57-0.3=44.06MPa

4、钻井液密度的确定

4.1安全钻井时钻井液密度确定的基本原理

一级井控的目的是防止地层液体进入井内，为此需保持

井底压力略大于地层压力。要实现近平衡，需研究怎样最合

理地确定压井液密度。

井眼的裸眼井段存在着地层孔隙压力、压井液柱压力和

地层破裂压力。三个压力体系必须满足以下条件：

PfNPmNPp2-16

式中：Pp一地层孔隙压力；Pm一压井液柱压力；Pf—地层

破裂压力。

所确定的压井液密度还要考虑保护油气层、防止粘卡满

足井眼稳定的要求。为确保一级井控成功，在各种作业中,

均应使井底压力略大于地层压力，这样可达到近平衡钻井和

保护油气层的目的。

如果在钻井过程中所采用的钻井液密度只有在井内钻

井液处于静止状态时才能平衡地层压力，那么，在起钻时，

由于抽汲压力的存在和起出钻柱液面下降等原因，井底压力

就会小于地层压力，从而造成井侵与溢流。

4.2钻井液密度的计算

通常确定压井液密度的原则是最小井底压力等于地层

压力。确定方法如下：

(1)公式计算法

压井液密度的确定可用以下公式计算

Pm=[102(PP-Psb-Pdp)]/H

2-17

3

式中：Pm——压井液密度，g/cm；Psb——抽吸压力，

MPa；Pdp——起钻液面下降压井液柱压力减小值，MPa；Pp——

地层压力，MPa；H---产层埋藏深度，m。

(2)附加当量密度

为了预防溢流，就必须在平衡地层压力所需的钻井液密

度的基础上再增加一个附加压力，这个附加压力应能平衡抽

汲压力等。因此，确定钻井过程中钻井液密度的公式是：

Pm=Pc+Pe2-18

式中：Pm一钻井过程中的钻井液密度；Pc一地层压力

当量钻井液密度；Pe—附加压力当量钻井液密度。

我们可以采用自动灌钻井液等方法，使起钻时液面下降

高度减小或不下降。因此起钻时液面下降而减少的压力不

大，有时可忽略不计。而抽汲压力是不可忽视的，只要钻柱

上提，就会有抽汲压力，减小上提钻柱的速度，只能减小抽

汲压力、但不能消除抽汲压力。影响抽汲压力的因素很多，

其值变化范围较大。根据计算可知，抽汲压力一般为

0.03-0.13g/cm3,国外要求把抽汲压力减小到0.OBGg/cn?左

右，考虑到气侵对钻井液密度的影响，地层压力预报的误差

等因素，附加压力应比抽汲压力略高。只有这样，才能在整

个钻井过程中保证井底压力大于地层压力，以防止井侵与溢

流。

中国石油天然气总公司对附加当量压井液密度值的规

定如下:

油井：Pe=0.05〜0.10g/cnf或1.5〜3.5MPa；

气井:P『0.07〜0.0g/cn?或3.0〜5.OMPa。

在实际工作中应根据灌钻井液的措施、钻井液粘切等性

能、地层压力预报精度等条件在规定范围内合理确定Pe值;

因为：Pc二薪不

所以: