第二章井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、第二章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計井身結(jié)構(gòu)設(shè)計是鉆井工程的基礎(chǔ)設(shè)計。它的主要任務(wù)是確定套管的下入層次、下入深度、水泥漿返深、水泥環(huán)厚度、生產(chǎn)套管尺寸及鉆頭尺寸?；A(chǔ)設(shè)計的質(zhì)量是關(guān)系到油氣井能否安全、優(yōu)質(zhì)、高速和經(jīng)濟鉆達目的層及保護儲層防止損害的重要措施。由于地區(qū)及鉆探目的層的不同，鉆井工藝技術(shù)水平的高低，國內(nèi)外各油田井身結(jié)構(gòu)設(shè)計變化較大。選擇井身結(jié)構(gòu)的客觀依據(jù)是地層巖性特征、地層壓力、地層破裂壓力。主觀條件是鉆頭、鉆井工藝技術(shù)水平等。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足以下主要原則：1能有效地保護儲集層；2避免產(chǎn)生井漏、井塌、卡鉆等井下復(fù)雜情況和事故。為安全、優(yōu)質(zhì)、高速和經(jīng)濟鉆井創(chuàng)造條件；3當(dāng)實際地層壓力超過預(yù)測值發(fā)生溢流時

2、，在一定范圍內(nèi)，具有處理溢流的能力。本章著重闡明地下各種壓力概念及評價方法，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、方法、步驟及應(yīng)用。第一節(jié)地層壓力理論及預(yù)測方法地層壓力理論和評價技術(shù)對天然氣及石油勘探開發(fā)有著重要意義。鉆井工程設(shè)計、施工中，地層壓力、破裂壓力、井眼坍塌壓力是合理鉆井密度設(shè)計；井身結(jié)構(gòu)設(shè)計；平衡壓力鉆井；欠平衡壓力鉆井及油氣井壓力控制的基礎(chǔ)。一、幾個基本概念1靜液柱壓力靜液柱壓力是由液柱自身重量產(chǎn)生的壓力，其大小等于液體的密度乘以重力加速度與液柱垂直深度的乘積，即 （2-1）式中：Ph靜液柱壓力，MPa； r液柱密度，g/cm3； H液柱垂直高度，m。靜液柱壓力的大小取決于液柱垂直高度H和液體密度r

3、，鉆井工程中，井愈深，靜液柱壓力越大。2壓力梯度指用單位高度（或深度）的液柱壓力來表示液柱壓力隨高度（或深度）的變化。 （2-2）式中：Gh液柱壓力梯度，MPa/m； Ph液柱壓力，MPa； H液柱垂直高度，m。石油工程中壓力梯度也常采用當(dāng)量密度來表示，即 （2-3）式中：r當(dāng)量密度梯度，g/cm3；3有效密度鉆井流體在流動或被激勵過程中有效地作用在井內(nèi)的總壓力為有效液柱壓力，其等效（或當(dāng)量）密度定義為有效密度。4壓實理論指在正常沉積條件下，隨著上覆地層壓力P0的增加，泥頁巖的孔隙度f減小，f的減小量與P0的增量dP0及孔隙尺寸有關(guān)，即： 令CPr0g=C，且積分上式 （2-4）式中：f0地表

4、孔隙度； f井深H時的孔隙度； P0上覆地層壓力； CP壓實校正系數(shù)，CP>1。即正常壓實地層、泥頁巖孔隙度是井深H的函數(shù)。也就是說正常地層壓力段，隨著井深H增加，巖石孔隙度減小。若當(dāng)隨著井深增加，巖石孔隙度增大，則說明該段地層壓力異常。壓實理論是支持dc指數(shù)，聲波時差等地層壓力預(yù)測技術(shù)的理論基礎(chǔ)之一。5均衡理論指泥頁巖在壓實與排泄過程平衡時，相鄰沙泥巖層間的地層壓力近似相等。均衡理論是支持地層壓力預(yù)測技術(shù)不可缺少的理論基礎(chǔ)。6上覆地層壓力P0地層某處的上覆巖層壓力是指該處以上地層巖石基質(zhì)和孔隙中流體的總重量（重力）所產(chǎn)生的壓力，即 （2-5）式中：P0上覆巖層壓力，MPa； H地層垂直

5、深度，m； f巖石孔隙度，%； r0巖石骨架密度，g/cm3； rp孔隙中流體密度，g/cm3。由于沉積壓實作用；上覆巖層壓力隨深度增加而增大。一般沉積巖的平均密度大約為2.3g/cm3，沉積巖的上覆巖層壓力梯度一般為0.226MPa/m。在實際鉆井過程中，以鉆臺面作為上覆巖層壓力的基準(zhǔn)面。因此在海上鉆井時，從鉆臺面到海面，海水深度和海底未固結(jié)沉積物對上覆巖層壓力梯度都有影響，實際上覆巖層壓力梯度值遠(yuǎn)小于0.226MPa/m。例如，海上井的1524m深處，上覆巖層壓力梯度一般小于0.167MPa/m。上覆巖層壓力還可用下式計算： （2-6）式中：P0上覆巖層壓力，MPa； 沉積層平均體積密度，

6、g/cm3； H沉積層m。上覆巖層壓力梯度一般分層段計算，密度和巖性接近的層段作為一個沉積層。即 （2-7）式中：G0上覆巖層壓力梯度，MPa/m； Poi第i層段的上覆巖層壓力，MPa/m； Hi第i層段的厚度，m； 第i層段的平均體積密度，g/cm3。上式計算的是上覆巖層壓力梯度的平均值。測得的體積密度越準(zhǔn)確，計算出來的上覆巖層壓力梯度也就越準(zhǔn)確。如果有密度測井曲線，就能很容易地計算出每一段巖層的平均體積密度。如果沒有密度測井曲線，可借助于聲波測井曲線計算體積密度，不過，這是迫不得已才使用的方法。還可以使用由巖屑測出的體積密度，但這種方法不太準(zhǔn)確，因為巖屑在環(huán)空中可能吸水膨脹，使巖石體積密

7、度降低。在厚巖鹽層和高孔隙壓力帶的一個小范圍內(nèi)，上覆巖層壓力梯度可能發(fā)生反向變化。高孔隙度的泥巖通常是異常高壓層，其體積密度非常小。如果異常高壓層足夠厚，就可能使總的平均體積密度降低。實際上這些低密度帶很薄，所以上覆巖層壓力梯度的反向變化一般很小，而且發(fā)生在很小的范圍內(nèi)。因而異常高壓層的上覆巖層壓力仍然增加，但增加的速率減慢。7地層壓力（地層孔隙壓力）PP地層壓力是指巖石孔隙中流體的壓力，亦稱地層孔隙壓力，用PP表示。在各種沉積物中，正常地層壓力等于從地表到地下某處連續(xù)地層水的靜液壓力。其值的大小與沉積環(huán)境有關(guān)，取決于孔隙內(nèi)流體的密度。若地層水為淡水，則正常地層壓力梯度（Gp）為0.0981M

8、Pa/m，若地層水為鹽水，則正常地層壓力梯度隨含鹽量的不同而變化，一般為0.0105MPa/m。石油鉆井中遇到的地層水多數(shù)為鹽水。表2-1為不同地層水的正常地層壓力梯度值。表2-1 不同礦化度地層水的靜水壓力地層流體氯離子濃度毫克/升Ppm(NaCl)正常地層壓力梯度MPa/m當(dāng)量泥漿密度g/cm3淡水000.009811.0微咸水609812287249211006220273411200.009890.00990.010041.0031.0101.024海水33000544500.010121.033鹽水37912512966498762554846381072280.010190.010

9、330.010491.0401.0541.070典型海水含鹽量梯度6528779065935071083731236041393201554401719051888951077091304571542861788152039462298782564762834733116760.010500.010620.010780.010950.011070.011240.011400.011540.011711.0721.0841.1001.1171.1301.1471.1631.1781.195飽和鹽水1916003166400.011731.197在鉆井實踐中，常常會遇到實際的地層壓力梯度大于或小于

10、正常地層壓力梯度的現(xiàn)象，即壓力異常現(xiàn)象。超過正常地層靜液壓力的地層壓力（PP>Ph）稱為異常高壓。8骨架應(yīng)力s骨架應(yīng)力是由巖石顆粒之間相互接觸來支撐的那部分上覆巖層壓力（亦稱有效上覆巖層壓力或顆粒壓力），這部分壓力是不被孔隙水所承擔(dān)的。骨架應(yīng)力可用下式計算： （2-8）式中：s骨架應(yīng)力，MPa； P0上覆巖層壓力，MPa； Pp地層壓力，MPa。上覆巖層的重力是由巖石基質(zhì)（骨架）和巖石孔隙中的流體共同承擔(dān)的。當(dāng)骨架應(yīng)力降低時，孔隙壓力就增大?？紫秹毫Φ扔谏细矌r層壓力時，骨架應(yīng)力等于零，而骨架應(yīng)力等于零時可能會產(chǎn)生重力滑移。骨架應(yīng)力是造成地層沉積壓實的動力，因此只要異常高壓帶中的基巖應(yīng)力存

11、在，壓實過程就會進行，即使速率很慢。上覆巖層壓力、地層壓力和骨架應(yīng)力之間的關(guān)系如圖2-1所示。低于正常地層靜液壓力的地層壓力（Pp<Ph）稱為異常低壓。二、異常壓力1異常低壓異常低壓的壓力梯度小于0.00981MPa/m，有的為0.00810.0088MPa/m，有的甚至只有靜液壓力梯度的一半。世界各地鉆井情況表明，異常低壓地層比異常高壓地層要少。但是，不少地區(qū)在鉆井過程中還是遇上不少異常低壓地層。如美國的得克薩斯州和俄克拉何馬州的潘漢德爾（Panhandle）地區(qū)、科羅拉多州高地的部分地區(qū)、猶他州的尤英塔（Uinta）盆地、加拿大艾伯塔省中部下白堊統(tǒng)維金（Viking）地層、蘇聯(lián)的Ch

12、okrak和Karagan地區(qū)的第三紀(jì)中新世地層和伊朗的Arid地區(qū)都遇到異常低壓地層。 圖2-1 P0、Pp和s之間的關(guān)系 圖2-2壓力橋一般認(rèn)為異常低壓是由于從滲透性儲集層中開采石油、天然氣和地層水而人為造成的。大量從地層中開采出流體之后，如果沒有足夠的水補充到地層中去，孔隙中的流體壓力下降，而且還經(jīng)常導(dǎo)致地層被逐漸壓實的現(xiàn)象。美國墨西哥灣沿海地帶的地下水層被數(shù)千口井鉆開之后，廣大地區(qū)的水源頭下降。面積最大的是得克薩斯州的休斯敦地區(qū)，水源頭下降的面積大約有12950平方公里。從1954年至1959年，在卡蒂-休斯敦-帕薩迪納-貝敦地區(qū)泵出水的20%左右是由于產(chǎn)水層的被壓實而供給的。在干旱或

13、半干旱地區(qū)遇到了類似的異常低壓地層，這些地層的地下水位很低。例如在中東地區(qū)，勘探中遇到的地下水位在地表以下幾百米的地方。在這樣的地區(qū)，正常的流體靜液壓力梯度要從地下潛水面開始。2異常高壓異常高壓地層在世界各地區(qū)廣泛存在，從新生代更新統(tǒng)至古生代寒武系、震旦系都曾見到過。正常的流體壓力體系可以看成一個水力學(xué)的“敞開”系統(tǒng)，就是說流體能夠與上覆地層的流體溝通，允許建立或重新建立靜液條件。與此相反，異常高的地層壓力系統(tǒng)基本上是“封閉”的，即異常高壓力層和正常壓力層之間有一個封閉層，阻止或至少是大大地限制著流體的溝通。封閉層可以是地殼中的一種或幾種物質(zhì)所組成的。壓力封閉的起因可以是物理的、化學(xué)的、或者是

14、物理和化學(xué)的綜合作用。據(jù)目前所知，地層壓力圈閉有表2-2所示的幾種類型。表2-2 地層壓力圈閉的類型封 閉 類 型圈 閉 的 種 類實 例垂 直橫 向垂直與橫向綜合1塊狀頁巖或粉砂巖2塊狀巖鹽3硬石膏4石膏5石灰?guī)r、泥灰?guī)r、白堊6白云巖斷 層美國墨西哥灣地區(qū)德國北部的澤克斯坦北海、中東美國、蘇聯(lián)世界各地世界各地通常認(rèn)為異常高壓力的上限等于上覆巖層的總重量，即與0.0226MPa/m的壓力梯度等效。在一個區(qū)域的地層中，異常高壓力將接近上覆巖層壓力。根據(jù)穩(wěn)定性理論，它們是不能超過上覆巖層壓力的。但是，在一些地區(qū)，如巴基斯坦、伊朗、巴比亞和蘇聯(lián)的鉆井實際中，都曾遇到過比上覆巖層壓力高的高壓地層。有的

15、孔隙壓力梯度可以超過上覆巖層壓力梯度的40%。這種超高壓地層可以看作存在一種“壓力橋”（圖2-2）的局部化條件。覆蓋在超高壓地層上面的巖石的內(nèi)部強度幫助上覆巖層部分地平衡超高壓地層中向上的巨大作用力。形成異常高壓力常常是多種因素綜合作用的結(jié)果。這些因素與地質(zhì)作用、物理、地球化學(xué)和機械過程等有關(guān)。異常高壓的成因很多，一般有以下幾種：（1）沉積物的快速沉積，壓實不均勻（2）滲透作用（3）構(gòu)造作用（4）儲集層的結(jié)構(gòu)三、地層壓力預(yù)測方法地層壓力預(yù)測方法都是基于壓實理論、均衡理論及有效應(yīng)力理論。預(yù)測方法有鉆速法、地球物理方法（地震波）、測井（聲波時差等）。目前應(yīng)用某一種方法是很難準(zhǔn)確評價一個地區(qū)或區(qū)塊的

16、地層壓力，往往需要采用多種方法進行綜合分析和解釋。地層壓力評價方法可分為兩類，一類是利用地震資料或已鉆井資料進行預(yù)測，建立單井或區(qū)塊地層壓力剖面，用于鉆井工程設(shè)計、施工；另一類是鉆井過程中的地層壓力監(jiān)測，掌握地層壓力的實際變化、確定現(xiàn)行鉆井措施及溢流監(jiān)控。下面主要講述dc指數(shù)法、聲波時差法、地震層速度法。1dc指數(shù)法dc指數(shù)法是利用泥頁巖壓實規(guī)律和壓差理論對機械鉆速的影響規(guī)律來檢測地層壓力的一種方法。也是鉆井過程中地層壓力檢測的一種重要方法。 d（dc）指數(shù)檢測原理機械鉆速是鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭類型及尺寸、水力參數(shù)、鉆井液性能、地層巖性等因素的函數(shù)。當(dāng)其它因素一定時，只考慮壓差對鉆速的影響，則機械

17、鉆速隨壓差減小而增加。在正常地層壓力情況下，如巖性和鉆井條件不變，機械鉆速隨井深的增加而下降。當(dāng)鉆入壓力過渡帶之后，由于壓差減小，巖石孔隙度增大，機械鉆速轉(zhuǎn)而加快。d指數(shù)則正是利用這種差異預(yù)報異常高壓。d指數(shù)是基于賓漢方程建立的。賓漢在不考慮水力因素的影響下建立了鉆速方程： （2-9）式中：V機械鉆速； K巖石可鉆性系數(shù)； N轉(zhuǎn)速； e轉(zhuǎn)速指數(shù)； P鉆壓； Db鉆頭尺寸； d鉆壓指數(shù)。根據(jù)室內(nèi)及油田鉆井試驗，發(fā)現(xiàn)軟巖石e接近1。假設(shè)鉆井條件（水力因素和鉆頭類型）和巖性不變（同層位均質(zhì)泥頁巖），則K為常數(shù)。取K=1，方程兩邊取對數(shù)，且采用統(tǒng)一單位，式（2-9）變?yōu)椋?（2-10）式中Vm/h；

18、NRPM； PKN；Dbmm； d無因次。根據(jù)油田目前選用參數(shù)范圍，式（2-10）中，<1、<1，因此（2-10）式中分子、分母均為負(fù)數(shù)。分析可知：的絕對值與機械鉆速V成反比，因此d指數(shù)與機械鉆速V也成反比。進而d指數(shù)與壓差大小有關(guān)，即正常壓力情況下，機械鉆速隨井深增加而減小，d指數(shù)隨井深增加而增加。當(dāng)進入壓力過渡帶和異常高壓帶地層，實際d指數(shù)較正常值偏小，如圖2-3。d指數(shù)正是基于這一原則來檢測地層壓力。由于當(dāng)鉆入壓力過渡帶時，一般情況要提高鉆井液密度，因而引起鉆井液密度變化，進而影響d指數(shù)的正常變化規(guī)律，為了消除鉆井液密度變化影響，Rehm和Meclendon在1971年提出了

19、修正的d指數(shù)法，即dc指數(shù)法。 （2-11）式中：dc修正的d指數(shù)； rmN正常地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3； rmR實際鉆井液密度，g/cm3。圖2-3 d-H曲線 圖2-4 dc-H曲線 dc指數(shù)檢測地層壓力步驟1）按一定深度取點，一般1.53m取一點，如果鉆速高可510m，重點井段1m取一點。同時記錄每對應(yīng)點的鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、地層水和鉆井液密度。2）計算d和dc指數(shù)3）在半對數(shù)坐標(biāo)上作出dc指數(shù)和相應(yīng)井深所確定的點（縱坐標(biāo)為井深H、對數(shù)坐標(biāo)為dc指數(shù)）4）作正常壓力趨勢線，如圖2-4。5）計算地層壓力PP作出dc-H圖和正常趨勢線后，可直接觀察到異常高壓出現(xiàn)的層位和該層段由dc指數(shù)的偏

20、離值。dc指數(shù)偏離正常勢線越遠(yuǎn)，說明地層壓力越高。目前根據(jù)dc指數(shù)偏離值計算地層壓力的方法有.M諾瑪納公式、等效深度法、伊頓法、康布法等。下面介紹A.M諾瑪法和等效深度法。.M諾瑪法 （2-12）式中：rP所求井深地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3； rn所求井深正常地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3； dCN所求井深的正常dc指數(shù)； dca所求井深實際dc指數(shù)。等效深度法：由于dc指數(shù)反映了泥頁巖的壓實程度，若地層具有相等的dc指數(shù)，則可視其骨架應(yīng)力相等。由于上覆地層壓力總是等于骨架應(yīng)力s和地層壓力PP之和，所以利用dc指數(shù)相等，骨架應(yīng)力相等原理，通過找出異常地層壓力下井深H的dc指數(shù)值與正常地層壓力下

21、dc指數(shù)值相等的井深HE，求出異常高壓地層的地層壓力。 式中：PP所求深度的地層壓力，MPa； H所求地層壓力點的深度，m； G0上覆地層壓力梯度，MPa/,； Gn等效深度處的正常地層壓力梯度，MPa/m； HE等效深度，m。2聲波時差法聲波時差法是利用聲波測井曲線檢測地層壓力的方法，也是對已鉆井地區(qū)進行單井或區(qū)域進行地層壓力預(yù)測，建立單井或區(qū)域地層壓力剖面的一種常用而有效的方法。 聲波時差法預(yù)測原理聲波在地層中傳播速度與巖石的密度、結(jié)構(gòu)、孔隙度及埋藏深度有關(guān)。不同的地層，不同的巖性，有不同的聲波速度。當(dāng)巖性一定時，聲波的速度隨巖石孔隙度的增大而減小。對于沉積壓實作用形成的泥巖、頁巖、聲波時

22、差與孔隙度之間的關(guān)系滿足懷利（Wyllie）時間平均方程，即： （2-14）式中：F巖石孔隙度，%； Dt地層聲 波時差，ms/m； Dtm骨架聲波時差，ms/m； Dtf地層孔隙流體聲波時差，ms/m?；鶐r和地層流體的聲波時差可在實驗室測取。當(dāng)巖性和地層流體性質(zhì)一定時，Dtm和Dtf為常量。在正常沉積條件下，泥頁巖的孔隙度隨深度的變化滿足方程： （2-15）式中：F0泥頁巖在地面孔隙度； C壓實系數(shù)； H井深。由（2-14）式，地面孔隙度F0為 （2-16）Dt0為起始聲波時差，即深度為零時的聲波時差。在一定區(qū)域、Dt0可近似看著常數(shù)。由（2-14）、（2-15）、（2-16）式，當(dāng)泥頁巖的

23、巖性一定時，Dtm也為常數(shù)。若Dtm=0，則 （2-17）在半對數(shù)坐標(biāo)系中（H為縱坐標(biāo)，Dt為對數(shù)坐標(biāo)），即聲波時差的對數(shù)與井深呈線性關(guān)系。在正常地層壓力井段，隨著井深增加，巖石孔隙度減小，聲波速度增大，聲波時差減小。當(dāng)進入壓力過渡帶和異常高壓帶地層后，巖石孔隙度增大，聲波速度減小，聲波時差增大，偏離正常壓力趨勢線。因此可利用這一特點檢測地層壓力。 聲波時差檢測地層壓力步驟1）在標(biāo)準(zhǔn)聲波時差測井資料上選擇泥質(zhì)含量大于80%的泥頁巖層段，以5m為間隔點讀出井深相應(yīng)的聲波時差值，并在半對數(shù)坐標(biāo)上描點。2）建立正常壓實趨勢線及正常壓實趨勢線方程。3）將測井曲線上的聲波時差值代入趨勢線方程，求出等效深

24、度HE。4）代入（2-13）式計算地層壓力PP。3地震波法地震反射波法是地球物理中最為廣泛應(yīng)用的一種方法。地震波法預(yù)測地層壓力是根據(jù)在不同巖性，不同壓實程度情況下，地震波速度傳播的差異來預(yù)測地層壓力的方法。即正常壓實條件下，隨著深度的增加，地震波速逐漸增大；在異常壓力層則隨著深度增加，地震波速反而減小的原理來預(yù)測壓力異常。地震波法預(yù)測地層壓力計算方法主要有等效深度法，F(xiàn)illipone法、R比值法。其中Fillipone法不需要建立正常壓力趨勢線而可直接計算地層壓力。當(dāng)然無論采用哪種方法，預(yù)測值的精度主要取決于層速度采集的精度。關(guān)于地震法預(yù)測地層壓力的方法，讀者可參考其它專著或教材。第二節(jié) 地

25、層破裂壓力預(yù)測方法在井下一定深度出露的地層，承受液體壓力的能力是有限的。當(dāng)液體壓力達到某一數(shù)值時會使地層破裂，這個液體壓力稱為地層破裂壓力。利用水力壓裂地層，從40年代起就開始用作油井的增產(chǎn)措施。但對鉆井工程而言，并不希望地層破裂，因為這樣容易引起井漏，造成一系列的井下復(fù)雜事故，所以了解地層的破裂壓力對合理的油井設(shè)計和鉆井施工十分重要。為準(zhǔn)確地掌握地層破裂壓力，國內(nèi)外學(xué)者提出了不同檢測計算地層破裂壓力的方法和模型，如馬修斯和凱利（Mathews和Kelly法）、休伯特和威利斯（Hubbert和Willis）法、伊頓（Eaton）法、Anderson模型、Stephen模型及黃榮樽教授提出的預(yù)測

26、模型，這些方法和模型都有其局限性。有待進一步完善。下面介紹黃榮樽教授提出的預(yù)測模型和液壓試驗法，其它方法，讀者請查文獻2。一、地應(yīng)力地應(yīng)力是指地下環(huán)境中某一巖層深度所處的應(yīng)力狀態(tài)。地應(yīng)力可用三個主應(yīng)力表示，即垂直主應(yīng)力sz、最大水平地應(yīng)力sH、最小水平地應(yīng)力sh，因此地應(yīng)力一般是不均勻的。垂直主地應(yīng)力sz由上覆地層壓力P0確定，水平地應(yīng)力sH、sh由兩部分組成：一部分由上覆地層壓力引起，它是巖石泊松比的函數(shù)；另一部分由地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力確定，它與巖石的泊松比無關(guān)，并在兩個方向一般是不相等的。由Hafner理論，原地水平應(yīng)力由上覆地層壓力P0和構(gòu)造應(yīng)力引起，且為： （2-18） （2-19）式中：sH

27、最大原地水平應(yīng)力，MPa； sh最小原地水平應(yīng)力，MPa； A、B構(gòu)造應(yīng)力場影響系數(shù)；構(gòu)造應(yīng)力場影響系數(shù)對于不同的地質(zhì)構(gòu)造是不同的，但在同一構(gòu)造斷塊內(nèi)部，它是一個常數(shù)，且不隨地層深度變化。 P0上覆地層壓力，MPa；P0=sz PP地層壓力，MPa； a有效應(yīng)力系數(shù) bm巖石骨架壓縮率； b巖石容積壓縮率； 地應(yīng)力是客觀存在于地下環(huán)境中的一個應(yīng)力系，當(dāng)今地震預(yù)測及地下巖石工程的開挖和結(jié)構(gòu)設(shè)計都離不開地應(yīng)力數(shù)據(jù)。在石油工程中，地層破裂壓力和井壁坍塌應(yīng)力的預(yù)測、酸化壓裂設(shè)計、油井防砂、套管的巖壓外載計算等等都需要有地應(yīng)力數(shù)據(jù)。地應(yīng)力確定的方法有：井壁崩落法、巖芯差應(yīng)變試驗、巖芯滯彈性應(yīng)變松弛試驗、

28、聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)巖芯測試、長源距聲波測井分析、水力壓裂分析等。目前確定深層地應(yīng)力較為有效的方法是現(xiàn)場裸眼水壓裂試驗法和室內(nèi)聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)法。二、井筒壁面應(yīng)力狀態(tài)方程井眼未形成前，地下環(huán)境應(yīng)力處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，在鉆井井眼形成過程中，井筒壁面應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，根據(jù)有關(guān)力學(xué)理論可導(dǎo)出極坐標(biāo)系下井筒巖層內(nèi)應(yīng)力分布關(guān)系： （2-20）式中：sr距井軸r距離并與sH按逆時針方向成q角處的徑向正應(yīng)力，MPa； sq距井軸r距離并與sH按逆時針方向成q角處的切向正應(yīng)力，MPa； srq距井軸r距離并與sH按逆時針方向成q角處的剪切力分量，MPa； r距井軸的距離，cm; R井筒半徑，cm; Pm

29、井筒中的液柱壓力，Mpa。當(dāng)r=R時，井壁應(yīng)力分布： （2-21）地層的破裂是由井壁上的應(yīng)力狀態(tài)決定的?？紤]深部地層的水壓裂主要是形成垂直裂縫，其起裂是由于井壁上的有效切向應(yīng)力達到或超過巖層的抗張強度而產(chǎn)生，即裂縫形成的條件是： sqE³ -St （2-22）式中：sqE有效切向應(yīng)力，Mpa； St巖層抗張強度，Mpa。有效切向應(yīng)力等于正應(yīng)力減去孔隙壓力，即： （2-23）井壁巖石中垂直裂縫的產(chǎn)生是由于有效切向應(yīng)力sqE從壓縮變?yōu)槔觳⒊^巖層的抗張強度所造成，由式（2-21）可知，在q=0°和180°的方向首先達到這個狀態(tài)。即： （2-24）滿足（2-22）式條

30、件時的井內(nèi)液柱壓力Pm稱為地層破裂壓力PF，即： （2-25）設(shè)垂直方向的主地應(yīng)力sz等于上覆地層壓力P0，則有效的垂直地應(yīng)力。三、地層破裂壓力的計算模型由構(gòu)造應(yīng)力確定的部分，在一般情況下，構(gòu)造應(yīng)力在各個方向是不相等的。根據(jù)現(xiàn)場水力壓裂資料分析證明構(gòu)造應(yīng)力在兩個水平主應(yīng)力方向分別為sa、sb，且： （2-26）式中：A、B構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。由此可導(dǎo)出水平方向上最大和最小主地應(yīng)力為： （2-27） （2-28）將（2-27）、（2-28）式代入（2-25）式得： （2-29）令K=A-3B，（2-29）式變?yōu)椋?（2-30）式（2-30）較前面所述預(yù)測地層破裂壓力模式相比有兩個顯著特點。圖2-5 液

31、壓試驗曲線（1）地應(yīng)力一般是不均勻的，模式中包括了三個主地應(yīng)力的影響。垂直地應(yīng)力可以認(rèn)為由上覆巖層重量引起的。水平地應(yīng)力有兩部分組成，一部分是由上覆巖層的重力作用引起，它是巖石泊松比的函數(shù)；另一部分是地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，它與巖石的泊松比無關(guān)，且在兩個方向上一般是不相等的。（2）地層的破裂是由井壁上的應(yīng)力狀態(tài)決定的。深部地層的水壓致裂是由于井壁上的有效切向應(yīng)力達到或超過了巖石的抗張強度。四、液壓試驗檢測地層破裂壓力目前所用檢測計算地層破裂壓力的方法都有一定局限性，計算值與實際值都有一定誤差，而液壓試驗法是一種準(zhǔn)確有效獲取地層破裂壓力的方法，并且由液壓試驗取得的數(shù)據(jù)，還可提供一個區(qū)域或區(qū)塊的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力

32、值。液壓試驗也稱漏失試驗是在下完一層套管并注完水泥后，再鉆穿水泥塞，鉆開套管鞋下面第一個砂巖層之后進行的。美國已形成法令，規(guī)定每口井每下一層套管必須進行液壓試驗，以準(zhǔn)確獲得地層破裂壓力梯度的原始資料，作為鉆井設(shè)計的依據(jù)。液壓試驗的目的通常是檢查注水泥作業(yè)和實測地層破裂壓力。液壓試驗時地層的破裂易發(fā)生在套管鞋處，這是因為套管鞋處地層壓實程度比其下部地層的壓實程度差。液壓試驗法的步驟如下：（1）循環(huán)調(diào)節(jié)泥漿性能，保證泥漿性能穩(wěn)定，上提鉆頭至套管鞋內(nèi)，關(guān)閉防噴器。（2）用較小排量（0.661.32l/s）向井內(nèi)泵入泥漿，并記錄各個時間的注入量及立管壓力。（3）作立管壓力與泵入量（累計）的關(guān)系曲線圖，

33、如圖2-5所示。（4）從圖上確定各個壓力值，漏失壓力P1，即開始偏離直線點的壓力，其后壓力繼續(xù)上升；壓力上升到最大值，即為斷裂壓力Pf；最大值過后壓力下降并趨于平緩，平緩的壓力稱為傳播壓力。（5）求破裂壓力當(dāng)量泥漿密度gmzx： （2-31）式中：rm試驗用泥漿密度，g/cm3； P1漏失壓力，MPa； H裸眼段中點井深，m。（6）求破裂壓力梯度Gf（MPa/m）： （2-32）有時鉆進幾天后再進行液壓試驗時，可能出現(xiàn)試壓值升高的現(xiàn)象，這可能是由于巖屑堵塞巖石孔隙道所致。試驗所需的泥漿量決定于裸眼長度。如果裸眼只有幾米，則需要幾百升泥漿。若裸眼較長，則需要幾立方米的泥漿。試驗壓力不應(yīng)超過地面設(shè)

34、備和套管的承載能力。否則可提高試驗用泥漿密度。在有些液壓試驗中，試驗曲線不呈直線，出現(xiàn)幾個臺階，這樣不易判斷真實的漏失點。如果發(fā)現(xiàn)臺階的壓力低于預(yù)期的壓力，則應(yīng)繼續(xù)試壓，直至達到破裂壓力。因此，如超過臺階后壓力繼續(xù)上升，說明這個臺階處并不是真實的漏失點。出現(xiàn)臺階的原因，可能是天然氣或空氣進入環(huán)空，或是泥漿漏失。當(dāng)裸眼很長時應(yīng)該注意到，在同一試驗壓力下，裸眼最深部分的試驗壓力梯度大大小于套管鞋處的試驗壓力梯度。因此，不能保證裸眼最深部位一定能夠承受得住套管鞋處所能承受的最大泥漿密度。液壓試驗法適用于砂泥巖為主的地層。對石灰?guī)r、白云巖等硬地怪的液壓試驗尚待試驗研究。第三節(jié) 井眼坍塌應(yīng)力預(yù)測方法井眼

35、系統(tǒng)穩(wěn)定性評價技術(shù)是近年鉆井工程研究的熱門課題，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，世界范圍內(nèi)每年用于處理井眼系統(tǒng)失穩(wěn)的費用高達5億美元，損失鉆井總時間56%。造成井眼系統(tǒng)失穩(wěn)的原因是鉆井形成井眼后，打破了原有的地下力學(xué)系統(tǒng)平衡，造成井壁周圍巖石的應(yīng)力集中。當(dāng)井筒內(nèi)有效液柱壓力小于井壁應(yīng)力時，對于脆性巖層將出現(xiàn)坍塌；塑性巖層出現(xiàn)縮徑。當(dāng)井筒有效液柱壓力過高，又將壓裂巖層出現(xiàn)漏失，導(dǎo)至井下復(fù)雜和事故。另一方面由于鉆井液進入巖層，也將導(dǎo)至巖石力學(xué)特性參數(shù)的改變，改變井壁巖石力學(xué)狀態(tài)至使井眼系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。目前尚未有一套完整的理論和方法有效地解決井眼系統(tǒng)的失穩(wěn)問題。下面簡要介紹有關(guān)力學(xué)失穩(wěn)的一些解決方法。一、井眼失穩(wěn)破

36、壞準(zhǔn)則地下巖體在原地應(yīng)力作用下，一般處于三向壓力狀態(tài)。鉆井形成井眼后，在鉆井液柱壓力及其它井筒攏動力的作用下，井壁應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。巖體材料可能是彈性體，塑性體或彈塑性體和脆性巖體。因此在外力作用下巖體將出現(xiàn)彈性，彈塑性，塑性變形屈服和脆性破壞。巖石的力學(xué)行為大體遵循線彈性力學(xué)規(guī)律。當(dāng)然由于地下巖體在高圍壓作用，其非均質(zhì)性和各向異性得到極大弱化，甚至消失，這也滿足線彈性體連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)。由于井眼幾何形狀和鉆遇巖體力學(xué)特征的不同，井眼所處應(yīng)力狀態(tài)就不一樣，其破壞形式也不一樣。對軟而塑性大的泥巖表現(xiàn)為塑性變形而縮徑，硬脆性泥頁巖為坍塌擴徑。石油工程對脆性泥頁巖一般采用摩爾庫爾（MohrCoulom

37、b）強度準(zhǔn)則，下面導(dǎo)出該準(zhǔn)則條下，井壁穩(wěn)定鉆井液當(dāng)量梯度。該準(zhǔn)則認(rèn)為巖體破壞（失穩(wěn)）是由破壞面上的內(nèi)聚力和法向力產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力確定。即當(dāng)巖石剪切面所受剪切力大于或等于巖體固有剪切強度與剪切面上的摩擦力時，巖塊從母體脫落（沿剪切面破壞），即： （2-33）式中：t0巖體固有剪切強度，MPa； sN剪切面 法向正應(yīng)力，MPa； F內(nèi)摩擦角。剪切破壞如圖2-6所示，s1為最大主應(yīng)力，s3為最小主應(yīng)力，q為剪切面的法向和s1的夾解，法向正應(yīng)力為sN，剪應(yīng)力為t，用s1、s3來描述（MohrCoulomb）準(zhǔn)則。 （2-34）考慮巖石孔隙壓力PP，則（ohrCoulomb）準(zhǔn)則有效應(yīng)力為： （2-35）

38、由（2-25）式，當(dāng)q=90°，q=270°時，smax即： （2-36）考慮應(yīng)力非線性修正系數(shù)h，且令，將（2-36）式代入（2-35）式得： （2-37）式中：rST井眼穩(wěn)定鉆井液當(dāng)量密度，g/cm3； h應(yīng)力非線性修正系數(shù)，無因次； H計算點井深，m； sH最大水平地應(yīng)力，MPa； sh最小水平地應(yīng)力，MPa； a有效應(yīng)力系數(shù)，無因次。二、有關(guān)巖石力學(xué)特性參數(shù)測取圖2-6 巖石剪切破壞巖石抗張強度St是利用鉆取的地下巖芯，在室內(nèi)采用巴西試驗求得的。巴西試驗是對圓盤形巖樣從徑向兩端加壓，使之破裂。若巖樣的直徑為d，厚度為t，巖樣破裂時的載荷為P，則抗張強度St為： （2

39、-38）式中：St巖石抗張強度，MPa； P巖樣破裂時的壓力，（N）； d巖樣的直徑，（cm）； t巖樣的厚度，(cm)。構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)K對不同的地質(zhì)構(gòu)造是不同的，但它在同一構(gòu)造斷塊內(nèi)部是一個常數(shù)，且不隨深度變化。構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)是通過現(xiàn)場實際破裂壓力試驗和在室內(nèi)對巖芯進行泊松比試驗相結(jié)合的辦法來確定的。如果準(zhǔn)確地掌握了破裂層的泊松比m和破裂壓力Pf，以及抗張強度St，便能精確地求出構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)K。第四節(jié) 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計一、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計原理1地層井內(nèi)壓力體系在裸眼井段中存在著地層壓力、地層破裂壓力和井內(nèi)鉆井液有效液柱壓力這三個相關(guān)的壓力、地層井內(nèi)壓力系統(tǒng)必須滿足以下條件： （2-39）式中：Pf地層破

40、裂壓力； PmE鉆井液有效液柱壓力； PP地層壓力。在（2-39）的工程意義為，裸眼井內(nèi)鉆井液有效液柱壓力必須大于或等于地層壓力，防止井噴，但又必須小于等于地層破裂壓力，防止壓裂地層發(fā)生井漏?？紤]到井壁的穩(wěn)定，還應(yīng)補充一個與時間有關(guān)的不等式： （2-40）式中：Gt（t）該截面巖層的坍塌壓力梯度； Gm（t）該截面鉆井液有效壓力梯度。能滿足不等式（2-39）、（2-40）的同一井段，則該井段截面間不需要套管封隔。反之，則需要用套管封隔。因此，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計有嚴(yán)格的力學(xué)依據(jù)，即地層井內(nèi)壓力系統(tǒng)的平衡和失穩(wěn)。2液體壓力體系的當(dāng)量梯度分布非密封液柱體系的壓力分布和當(dāng)量梯度分布設(shè)有深度H的井眼，充滿密度

41、為rm的鉆井液，則液柱壓力隨井深呈線性變化，而當(dāng)量梯度自上而下是一個定值，見圖2-7。圖 2-7 非密封液柱壓力體系的梯度分布密封液柱體系的壓力分布和當(dāng)量梯度分布若將上述體系密封起來，并施加一個確定的附加壓力P0，則P0相當(dāng)于施加于每一個深度截面上，仍不改變壓力的線性分布規(guī)律。但此時的壓力當(dāng)量梯度分布卻是一條雙曲線，見圖2-8。鉆井工程中，當(dāng)鉆遇高壓地層，發(fā)生溢流或井噴而關(guān)閉防噴器時，井內(nèi)液柱壓力和當(dāng)量梯度分布即為這種情況。此時的立管壓力為Psd或套壓Pa即為P0。圖2-8 密封液柱壓力體系的梯度分布3地層壓力和地層破裂壓力剖面的線性插值地層壓力和地層破裂壓力的數(shù)據(jù)一般是離散的，是由若干個壓力

42、梯度和深度數(shù)據(jù)的散點構(gòu)成。為了求得連續(xù)的地層壓力和地層破裂壓力梯度剖面，擬合曲線是不適用的，但可依靠線性插值的方法。在線性插值中，認(rèn)為離散的兩鄰點間壓力梯度變化規(guī)律為一直線。對任意深度H求線性插值的步驟：設(shè)自上而下順序為i的點具有深度為Hi，地層壓力梯度為GPi，地層破裂壓力梯度為Gfi，而其上部相鄰點的序號為i-1，相鄰的地層壓力梯度為GPi-1，地層破裂壓力梯度為Gfi-1，則在深度區(qū)間HiHi-1內(nèi)任意深度H有： （2-41） （2-42）4必封點深度的確定我們把裸露井眼中滿足壓力不等式（2-39）條件的極限長度井段定義為可行裸露段?？尚新懵抖蔚拈L度是由工程和地質(zhì)條件決定的井深區(qū)間，其頂

43、界是上一層套管的必封點，底界為該層套管的必封點深度。 工程約束條件下必封點深度的確定1）正常作業(yè)工況（起下鉆、鉆進）在滿足近平衡壓力鉆井條件下，某一層套管井段鉆進中所用最大鉆井液密度rm應(yīng)大或等于該井段最大地層壓力梯度當(dāng)量密度rPmax與該井深區(qū)間鉆進中可能產(chǎn)生的最大抽汲壓力梯度當(dāng)量密度Sw之和，以防止起鉆中抽汲造成溢流。即 （2-43）式中：rPmax該層套管鉆井區(qū)間最大地層壓力梯度當(dāng)量密度，g/cm3； Sw抽汲壓力梯度當(dāng)量密度，g/cm3。下鉆中使用這一鉆井液密度，在井內(nèi)將產(chǎn)生一定的激動壓力Sg。因此在一定鉆井條件（井身結(jié)構(gòu)，鉆柱組合，鉆井液性能等），井內(nèi)有效液柱壓力梯度當(dāng)量密度為： （

44、2-44）考慮地層破裂壓力檢測誤差，給予一個安全系數(shù)Sf。則該層套管可行裸露段底界（或該層套管必封點深度）由下式確定 （2-45）式中：Sg激動壓力梯度當(dāng)量密度，g./cm3； Sf地層壓裂安全增值當(dāng)量密度，g/cm3。當(dāng)然，任何一個已知的rfmax也可以向下開辟一個可行裸露井深區(qū)間，確定可以鉆開具有多大地層壓力梯度當(dāng)量密度的地層。rPmax的數(shù)值為 （2-46）2）出現(xiàn)溢流約束條件下必封點深度的確定正常鉆井時，按近平衡壓力鉆井設(shè)計鉆井液密度為 （2-47）鉆至某一井深Hx時，發(fā)生一個大小為Sk的溢流，停泵關(guān)閉防噴器，立管壓力讀數(shù)為Psd， 或 （2-48）式中：Psd立管壓力，MPa； Hx

45、出現(xiàn)溢流的井深，m。關(guān)井后井內(nèi)有效液柱壓力平衡方程為 PmE=Pm+Psd或 即 井內(nèi)有效液柱壓力的當(dāng)量密度梯度沿井深按雙曲線規(guī)律分布。裸露井深區(qū)間內(nèi)地層破裂強度（地層破裂壓力）均應(yīng)承受這時井內(nèi)液柱的有效液柱壓力，考慮地層破裂安全系數(shù)Sf，即 （2-49）由于溢流可能出現(xiàn)在任何一具具有地層壓力的井深，故其一般表達式為 （2-50）同樣，也可以由套管鞋部位的地層破裂壓力梯度，下推求得滿足溢流條件下的裸露段底界。此時Hx為當(dāng)前井深，它對應(yīng)于rfmin，H為下推深度。其數(shù)學(xué)表達式如下 （2-51）3）壓差卡鉆約束條件下必封點深度的確定下套管中，鉆井液密度為（rP+Sw），當(dāng)套管柱進入低壓力井段會有壓

46、差粘附卡套管的可能，故應(yīng)限制壓差值。限制壓差值在正常壓力井段為DPN，異常壓力地層為DPa。就是說，鉆開高壓層所用鉆井液產(chǎn)生的液柱壓力不能比低壓層所允許的壓力高DPN或DPa。即 Pm-PPmin£DPN（或DPa） （2-52）在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計不，由（2-46）式或（2-50）式設(shè)計出該層套管必封點深度后，一般用（2-52）式來校 核是否能安全下到必封點位置。 目的層是裸露段的底界，油層套管的下深根據(jù)完井方法不同而定。 對于地質(zhì)復(fù)雜層（如坍塌層，鹽膏層，漏失層等），水層，非目的油氣層，以及目前鉆井工藝技術(shù)難于解決的其它層段，只要裸露段中出現(xiàn)了這一類必封點，則這些井段是應(yīng)考慮的必封井段

47、的頂界。必封點深度確定的幾點說明：1）式（2-46）、（2-50）一般作該層套管可下深度的設(shè)計計算，式（2-52）作為校核計算。2）（2-46）式使用條件為，地質(zhì)勘探確認(rèn)該層段無高壓油氣層及地層壓力檢測精度高的區(qū)域。3）（2-50）式用于地質(zhì)探井，對地層壓力掌握得不確切，地質(zhì)情況模糊，高壓油氣區(qū)域的井。4）一般情況下，采用（2-50）式設(shè)計偏于安全。5）按工程約束條件設(shè)計的必封點深度必須滿足地質(zhì)復(fù)雜情況要求必封點位置。若地質(zhì)復(fù)雜必封點在工程約束必封點深度區(qū)段外，則該層套管下延至地質(zhì)復(fù)雜必封深度。若設(shè)計地層破裂壓力梯度全落在地層破裂壓力梯度剖面內(nèi)（即在0目的層井深區(qū)間，PfD<Pf），可不

48、下中間套管，但井段中任何一位置若有地質(zhì)復(fù)雜，那么必封點深度以此為頂界。二、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)包括地質(zhì)方面數(shù)據(jù)和工程等數(shù)據(jù)。1地質(zhì)方面數(shù)據(jù)（1）巖性剖面及故障提示；（2）地層壓力梯度剖面；（3）地層破裂壓力梯度剖面。2工程數(shù)據(jù)（1）抽汲壓力系數(shù)Sw，以當(dāng)量鉆井液密度表示；單位g/cm3。Sw應(yīng)根據(jù)設(shè)計井實際施工參數(shù)，由本教材第五章講述方法計算出該井施工中可能出現(xiàn)的最大抽汲壓力Prw，再由下式計算抽汲壓力當(dāng)量鉆井液密度Sw （2-53）對于某一個區(qū)域，若鉆機類型、井深、井身結(jié)構(gòu)、管柱（鉆柱、套管）組合、鉆井液性能都已定型，可選用參數(shù)井（或前面已鉆井）的Sw進行后續(xù)井的設(shè)計參數(shù)。如美國墨西灣地區(qū)采用Sw=0.06。我國中原油田Sw=0.0150.049。（2）激動壓力系數(shù)Sg，以當(dāng)量鉆井