鉆井工程6油氣井壓力預(yù)測與控制

上世紀60年代以來，油氣井壓力預(yù)測與控制倍受重視，原因是井噴失控不但影響正常油氣勘探與開發(fā)，還會造成重大的經(jīng)濟損失和人身傷亡。目前，世界各石油公司發(fā)展了一整套油氣井壓力預(yù)測與控制新技術(shù)：在鉆井之前，根據(jù)三壓力剖面科學(xué)地選擇鉆井液密度，合理地設(shè)計一口井的套管程序，為實現(xiàn)平衡壓力鉆井提供保障；在鉆井過程中，通過一級井控（通過調(diào)整鉆井液密度）和二級井控（使用井控設(shè)備）能夠有效地減少鉆井復(fù)雜情況和事故（井噴、井漏等），從而大幅地降低鉆井成本。必要時采取三級井控。

一級井控：是指通過調(diào)整鉆井液密度使得鉆井液液柱壓力大于地層孔隙壓力，以阻止地層流體流入井筒。二級井控：是指一級井控失敗，出現(xiàn)井涌或井噴，此時依靠地面井控設(shè)備和適當?shù)木丶夹g(shù)來控制井涌或井噴。三級井控：是指二級井控失敗，即井噴失控，而不得不采用的打救援井、滅火等措施。井控分類第一節(jié)地層壓力及其預(yù)測

§1Formationpressureandprediction一、地下各種壓力的概念

1.靜液壓力

靜液壓力:是由液柱重量引起的壓力，它的大小與液體密度和垂直高度有關(guān)，而與液柱的橫向尺寸及形狀無關(guān)。靜液壓力上覆巖層壓力地層壓力基巖應(yīng)力

ph＝0.00981ρ1h1

式中:Ph—靜液壓力，MPaρ1—流體密度，g／cm3h1—靜液柱垂直高度，m靜液壓力用Ph表示:通常把單位高度（或深度)增加的壓力值稱為壓力梯度

式中GDh——靜液壓力梯度，MPa／m

GDh=ph/h1=0.00981ρ1靜液壓力梯度可表示為:

靜液壓力梯度受液體密度的影響和含鹽濃度、氣體的濃度以及溫度梯度的影響。含鹽濃度高會使靜液壓力梯度增大，溶解氣體量增加和溫度增高則會使靜液壓力梯度減小。

油氣井鉆井中遇到的有代表性的平均靜液壓力梯度有兩類:一類是淡水和淡鹽水盆地:

GDh

為0.0098MPa／m一類是鹽水盆地:

GDh

為

0.0105MPa

／m這相當于總含鹽量為80g／L的鹽水柱在25℃時的壓力梯度。

（平均靜液壓力梯度大多數(shù)為后一種）準噶爾盆地總的平均地溫梯度為2.2℃/100m，周緣部分地區(qū)地溫梯度為2.2-2.9℃/100m；腹部地區(qū)為2.1-2.4℃/100m。準噶爾盆地實測地溫與深度的關(guān)系圖★地溫梯度

2.上覆巖層壓力

上覆巖層壓力:是指覆蓋在該地層以上的地層基質(zhì)（巖石）和孔隙中流體（油氣水）的總重量造成的壓力。巖石密度與孔隙度的大小和埋藏的深度有關(guān)。

若用Pob表示上覆巖層壓力，且沿垂直高度h內(nèi)各參數(shù)取平均值，則：

pob=0.00981[(l－ф)ρma+фρf]

h

式中pob——上覆巖層壓力，MPah——地質(zhì)柱狀剖面垂直高度，m

ф——巖石的孔隙度，%ρma——巖石基質(zhì)的密度，g／cm3

ρf——巖石孔隙中流體的密度，g／cm3實際上：上覆巖層壓力梯度

3.地層壓力

地層壓力：是指作用在巖石孔隙內(nèi)流體（油、氣、水）上的壓力，也稱為地層孔隙壓力。

地層壓力用Pp來表示。正常地層壓力等于從地表到地下該地層處的靜液壓力，大小與沉積環(huán)境有關(guān)。根據(jù)式（6－2）的計算原理，可求得大多數(shù)正常地層壓力梯度為0.0105MPa／m。

在鉆井實踐中，經(jīng)常會遇到實際的地層壓力遠遠偏離正常地層壓力的情況。

pp＞ph稱為異常高壓

pp＜ph

稱為異常低壓異常高壓的形成與泥巖層壓實過程（欠壓實）、水熱增壓及蒙脫石的脫水作用等有關(guān)。

▓異常壓力的成因

異常低壓：是指地層壓力梯度小于0.0105MPa／m，甚至只有其一半的情況。產(chǎn)生主要原因：油氣藏多年開采而壓力補充不足

后果：井漏

異常高壓

正常壓力系統(tǒng)可以看成是一個水力學(xué)的“開啟”系統(tǒng)，即是可滲透的、流體可以流通的地層，它允許建立或重新建立靜液壓力條件，而異常高壓系統(tǒng)則基本上是“封閉”的，即異常壓力與正常壓力之間有一個封閉層，它阻止了或至少大大限制了流體的流通。據(jù)穩(wěn)定性理論，異常高壓是不能超過上覆巖層壓力的。

異常高壓成因異常高壓的形成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、構(gòu)造作用、沉積速度等密切相關(guān)。目前，被普遍公認的成因主要有沉積壓實不均、水熱增壓、滲透作用、構(gòu)造作用等。沉積壓實機理是各種地層壓力評價方法的理論依據(jù).

異常高壓的后果：井涌、井噴有時地層孔隙壓力梯度超過上覆巖層壓力梯度的40％－－存在一個“壓力橋”的局部化條件。

4.基巖應(yīng)力

上覆巖層的重量是由巖石顆粒和孔隙內(nèi)的流體共同支撐的。

基巖應(yīng)力：是指沒有被孔隙內(nèi)流體所承擔(dān)的那部分上覆巖層的壓力。用σ表示基巖應(yīng)力。pob=pp+σ上覆巖層壓力=地層壓力+基巖應(yīng)力在正常的壓力環(huán)境（pp＝ph）中，因顆粒間相互接觸，巖石基體支撐著上覆巖層重量，當σ減小甚至趨于零，就將導(dǎo)致孔隙內(nèi)流體多支撐部分上覆巖層而形成異常高壓（pp＞ph

）。bb、pob=pp+σ1.地球物理方法

（1）地震資料法（2）聲波測井法（3）電阻率測井法2.鉆井過程中預(yù)測地層壓力的方法（1）d（或dc）指數(shù)法（2）標準化鉆井法（3）其它方法二、地層壓力的預(yù)測原理與方法

1.地球物理方法

（1）地震資料法因為地震波是一種彈性波，傳播速度與巖石致密程度有關(guān)。通常，巖石愈致密，波的傳播速度愈快，傳播時間愈短。在正常壓力梯度下，巖石的致密程度隨深度增加而增大，因此地震波傳播速度亦隨深度增加而增大，其傳播時間隨深度增加而減小。當?shù)貙映霈F(xiàn)異常高壓（pp＞ph）時，巖石致密度下降，地震波傳播速度減小，傳播時間增大，就是根據(jù)這一特性來解釋地震波與井深的關(guān)系曲線，從而預(yù)報異常高壓。莊1井聲波測井層速度、VSP層速度和地震層速度對比圖地震層速度1是從Z01ZIG640地震測線上井旁速度譜CDP4490-Trace2245點（莊1井在該測線上的投影位于Trace2311)的迭加速度計算出，該CDP點距莊1井井位大約為1.2km。地震層速度2是從Z01ZI-T2地震測線上的CDP-Trace1020點（莊1井在該測線上的投影位于Trace1017）的迭加速度算出的.

超壓帶的頂界埋深可通過地震層速度的變化大致來加以判斷。4450m盆參2井聲波測井層速度、VSP層速度和地震層速度對比圖地震層速度1：盆參2井位于地震測線Z02ZII634.6上的Trace892,該層速度是從該測線上井旁速度譜CDP-Trace910點的迭加速度計算出的。地震層速度2：該井位于地震測線Z01ZI-T1E上的Trace2088點,該層速度是從該測線上井旁速度譜CDP-Trace2080點的迭加速度計算出的。

地震低速帶大體與VSP和聲波測井層速度是吻合。沙1井聲波測井層速度、煤層聲波層速度和地震層速度對比圖地震層速度1：沙1井在地震測線Z01ZIG236上的投影位于CDP4715點,該層速度是從該測線上靠近的速度譜CDP9610-Trace4805點的迭加速度計算出的。地震層速度2：該井在地震測線Z01ZIG668上的投影位于CDP1880點,該層速度是從該測線上靠近的速度譜CDP3850-Trace1925點的迭加速度計算出的。

地震層速度與聲波測井層速度變化趨勢大致相同。所選不同地震測線的均方根速度與時間的關(guān)系，反映了低速帶的存在（2）聲波測井法

1）預(yù)測原理聲波傳播速度主要是孔隙度和巖性的函數(shù)。若巖性為泥頁巖時，則聲波測井主要反映孔隙度的變化。在正常壓力地層中，隨深度增大，地層壓實程度增強，孔限度下降，則聲波傳播速度加快，傳播時間減少。深度D與傳播時間Δtn

的對數(shù)之間呈一條正常趨勢線。2）預(yù)測方法

a.地區(qū)經(jīng)驗曲線法

繪制該地區(qū)lgΔt與D的正常趨勢線，圖中偏離正常趨勢線的（3）電阻率測井法

電阻率測井法的預(yù)測原理：在正常壓力地層中，隨深度增大，地層壓實程度加大，空隙度減小，導(dǎo)電流體也減少，頁巖電阻率加大。在一定的地區(qū)，頁巖電阻率（對數(shù)）與井深之間存在一條正常趨勢線；在異常壓力地層中，因地層欠壓實，孔隙度增大，地層流體多，地溫高，頁巖電阻率向著低于正常電阻率的一側(cè)偏離正常趨勢線，其偏離值越大，地層壓力越高。預(yù)測地層壓力方法有地區(qū)經(jīng)驗曲線及當量深度法，具體操作步驟與前面介紹的聲波測井法大致相同。

2.鉆井過程中預(yù)測地層壓力的方法（1）d（或dc）指數(shù)法

上世紀60年代以來，人們了解了機械鉆速和地層壓力之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一種改進機械鉆速預(yù)測地層壓力的方法，稱為d（或dc）指數(shù)法。

1）工作原理

d（或dc）指數(shù)法:是利用泥頁巖的壓實規(guī)律及欠壓實地層機械鉆速增大的特性和壓差影響機械鉆速的原理，同時考慮了鉆井參數(shù)對機械鉆速的影響來監(jiān)測地層壓力的。υpe——機械鉆速m/hn——轉(zhuǎn)速，r/minW——鉆壓，kNdb——鉆頭直徑，mmvpe——機械鉆速m/sn——轉(zhuǎn)速，r/minW——鉆壓，kNdb——鉆頭直徑，mmρwf——正常壓力層段地層水密度ρd——實際使用的鉆井液密度2）預(yù)測方法應(yīng)收集的現(xiàn)場資料有：井深、地層巖性、鉆時、鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓、排量、鉆頭尺寸及類型、密度、粘度、流變性。要求取全取準資料，并舍去非正常的鉆井數(shù)據(jù)和非泥巖、頁巖數(shù)據(jù)。計算dc指數(shù)，繪制dc與D的關(guān)系曲線：按式（6－7）計算dc指數(shù)，并將計算的dc值繪制在dc與D的錄井圖上，如圖6－4所示。建立dc指數(shù)正常趨勢線方程：要求取過渡帶前大于300m的井段為回歸段。使正常趁勢線通過大多數(shù)泥巖點。2）預(yù)測方法

反算式：

ρf——實際地層壓力時流體密度，g/cm3

ρfn——正常地層壓力時流體密度，g/cm3

ρd——實際使用的鉆井液密度，g/cm3第二節(jié)地層破裂壓力及其預(yù)測

§2Formationfracturepressureandprediction

一、地層破裂壓力及破裂壓力梯度井中一定深度處的地層，其承受壓力的能力是有限的，當壓力達到某一值時會使地層破裂，這個壓力稱為地層破裂壓力pf。

地層破裂壓力的大小取決于許多因素，如上覆巖層壓力、地層壓力、巖性、地層年代、埋藏深度以及該處巖石的應(yīng)力狀態(tài)。為了衡量某一深度D的破裂壓力的大小，引入地層破裂壓力梯度GDf的概念。

對于油氣鉆井工程來說，準確地掌握地層破裂壓力梯度，既可預(yù)防井漏、井塌、卡鉆及井噴事故的發(fā)生，也是制定鉆井液方案和設(shè)計套管程序及其下深的重要依據(jù).

GDf=pf/D二、地層破裂壓力預(yù)測方法●休伯特和威利斯（Hubbert&Wills）法

●馬修斯和凱利（Mathews&Kelly）法觀點：地層所受的壓力必須克服地層壓力和水平骨架應(yīng)力，地層才能破裂觀點：實際破裂壓力大于地層壓力是由于克服骨架應(yīng)力所致目前常用－伊頓法史蒂芬法黃榮樽法

▓伊頓法（Eaton）◣觀點：地下巖層處于均勻水平地應(yīng)力狀態(tài)，且其中充滿著層面、層理和裂縫，流體在壓力作用下將沿著這些薄弱面侵入，使其張開并向遠處延伸，且張開裂縫的流體壓力只需克服垂直裂縫面的地應(yīng)力。

◣預(yù)測模式

上式基于：伊頓的泊松比：測壓系數(shù)◣預(yù)測步驟1.用地球物理方法或隨鉆檢測方法，確定pp2.由密度測井資料，計算并繪制pob與D的關(guān)系曲線3.據(jù)實際壓裂及擠水泥資料和井漏數(shù)據(jù)，取得pf資料4.由pp、pob、pf，計算并繪制ν與D的關(guān)系曲線5.由pp、pob、ν，由伊頓模式計算任一深度的GDf，得出地區(qū)性的破裂壓力梯度預(yù)測曲線

伊頓法對于連續(xù)沉積盆地是比較準確的，但因其未考慮井壁應(yīng)力集中和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的影響，因此使用受到限制。泊松比ν伊頓法的關(guān)鍵是獲得該地區(qū)的ν-D關(guān)系曲線ν－反算得到墨西哥灣地區(qū)ν-D關(guān)系曲線▓史蒂芬法（Stephen）◣觀點：與伊頓法一樣，即破裂壓力只是張開地層中已有裂縫所需的流體壓力，這個壓力等于垂直裂縫面的水平地應(yīng)力。區(qū)別在于史蒂芬把構(gòu)造應(yīng)力所產(chǎn)生的影響從地層的泊松比中分了出來。

進步：可用實測泊松比，而不象伊頓法那樣是靠破裂壓力反算泊松比。

◣預(yù)測模式

動態(tài)泊松比反算動態(tài)▓黃榮樽法◣觀點：地層的破裂決定于井壁的應(yīng)力狀態(tài)，且還須考慮地下實際存在的非均勻的地應(yīng)力場的作用和地層本身強度的影響。

地應(yīng)力是作用在地殼內(nèi)巖體上的各種相互平衡的外力使巖體內(nèi)部產(chǎn)生附加內(nèi)力，其效應(yīng)是引起巖體的形變。這種附加內(nèi)力的分布密度就是地應(yīng)力。它是巖體內(nèi)部相鄰質(zhì)點間沿分界面的相互作用力，以作用在單位面積上的力來度量。地應(yīng)力可分解為兩個部分－－作用在界面法線方向的為正應(yīng)力；作用在界面方向的為剪應(yīng)力。◣預(yù)測模式：

◣它與前述模式相比，有兩個顯著特點：●地應(yīng)力一般是不均勻的，模式中包括了三個主應(yīng)力的影響。垂直應(yīng)力可以認為是由上覆巖層重力引起的；水平應(yīng)力由兩部分組成，一部分是由上覆巖層的重力作用引起的，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。●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拉強度。◣預(yù)測步驟第一步：利用三軸巖石力學(xué)試驗確定巖石的泊松比。試驗發(fā)現(xiàn)，ν隨圍壓的升高而增大，即SBEL型三軸壓力試驗機考慮地層重力場的作用，巖層在某深度處的圍壓為聯(lián)立兩式即可確定某一深度處的●●第二步：利用現(xiàn)場地層破裂壓力試驗確定巖層的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)和抗拉強度。首先，確定地層的抗拉強度和破裂壓力，再計算構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。代入黃榮樽公式K▓漏失試驗法主要適用于砂泥巖為主的地層漏失試驗曲線▓安德森法（Anderson）◣觀點：地層破裂壓力預(yù)測公式中均含有泊松比。認為砂巖中的泥質(zhì)含量對泊松比的影響很大，原因是砂巖中的泥質(zhì)本質(zhì)上起著顆粒間塑性膠結(jié)物的作用，對砂巖的形變有明顯的影響。◣預(yù)測模式：

Ish——地層的泥質(zhì)指數(shù)反映了砂巖的泥質(zhì)含量%φfn——聲波時差求得的地層總空隙度，%φd——密度測井求得的地層有效空隙度，%

油氣鉆井過程中，一方面有地層孔隙中的流體壓力Pp

；另一方面有鉆井液柱形成的靜液壓力Pdh。正常鉆進情況下，正是用Pdh來平衡Pp

，保持Pdh略大于Pp的平衡條件下進行鉆井的。第三節(jié)地層----井眼系統(tǒng)的壓力控制§3Controlofformationwellborepressure壓而不死，活而不噴！

如果失去平衡：當Pdh＞Pp過多時，會造成機械鉆速慢，壓差卡鉆多，同時在鉆進時油氣顯示不好；當超過pf后將形成井漏或地下井噴。

當Pdh＜Pp時，地層流體將向井內(nèi)流動，這種現(xiàn)象稱為井涌（或叫溢流）。此時若不及時進行壓井作業(yè)，使這種流動失去控制則會形成井噴。在地面失去控制，稱為地面井噴。這種流動進入裸露地層，則稱為地下井噴。一、關(guān)井當發(fā)現(xiàn)井噴預(yù)兆或井口溢流時，應(yīng)立即采取關(guān)井措施，其目的是：

l）盡量減少進入井內(nèi)的流體量，流入量越小，越容易處理。

2）盡可能多地保持環(huán)空內(nèi)的鉆井液量，以減少循環(huán)壓井時的井口回壓。

3）取得壓井數(shù)據(jù)，以確定地層壓力、壓井所需鉆井液密度及判斷流體類型。

液壓防噴器系統(tǒng)防噴器（BlowoutPreventer）BOP硬關(guān)井法－－停泵后立即關(guān)閉萬能防噴器軟關(guān)井法－－先打開節(jié)流閥，再關(guān)閉萬能防噴器，最后關(guān)節(jié)流閥

硬關(guān)井法產(chǎn)生的液擊效應(yīng)：液壓系統(tǒng)在工作過程中，因液流通道的突然關(guān)閉或開啟，使液流速度急劇變化，將會引起系統(tǒng)中液體動量的迅速變化，動能幾乎全部轉(zhuǎn)化為壓力能，產(chǎn)生“液擊”現(xiàn)象。

后果：井口、套管和地層所承受的壓力急劇會增加，甚至超過其相應(yīng)的安全值。

優(yōu)點：關(guān)井程序簡單，控制井口的時間段。

軟關(guān)井法可避免突然關(guān)井而產(chǎn)生的水擊效應(yīng)，但壓井過程中地層流體仍要繼續(xù)進入井內(nèi)。

“四七動作”關(guān)井程序：四種鉆井作業(yè)狀態(tài)（鉆進中、起下鉆桿中、起下鉆鋌中、空井）下，各用七個主要動作完成控制井口的程序。

起下鉆桿中發(fā)生溢流：

◣發(fā)出信號并停止起下鉆作業(yè)

◣搶接回壓閥（或投鉆具止回閥）

◣適當打開節(jié)流閥

◣關(guān)防噴器（先關(guān)環(huán)形，再關(guān)閘板）

◣關(guān)節(jié)流閥，試關(guān)井

◣迅速向平臺經(jīng)理和鉆井技術(shù)員報告

◣認真觀察、準確記錄立管和套管壓力及鉆井液池增減量

二、壓井

按照一定的方法往井內(nèi)注入適當密度的加重鉆井液來制止井涌（或稱溢流），以達到迅速恢復(fù)或重建井內(nèi)的壓力平衡，此作業(yè)稱為壓井。

井控設(shè)備：1-閘板防噴器

2-環(huán)形防噴器3-控制臺1.壓井基本數(shù)據(jù)的計算（l）關(guān)井鉆桿壓力的確定（2）地層壓力的確定（3）壓井所需鉆井液新密度pd1（4）地層流體的判別（l）關(guān)井鉆桿壓力的確定

關(guān)井前由于發(fā)生地層流體的侵入，地層流體壓力下降，關(guān)井后地層壓力開始恢復(fù)，經(jīng)過一段時間后達到壓力的平衡和穩(wěn)定。因此關(guān)井后10～15min即可進行關(guān)井鉆桿壓力的確定，具體分兩種情況：

l）鉆桿中未裝回壓閥：在關(guān)井10～15min后，即可從立管壓力表直接測出。2）鉆桿中裝有回壓閥：步驟－－關(guān)井；裝一個低容積的高壓泵與立管相接；開始泵入，充滿地面管線；逐漸加大負荷，繼續(xù)泵入，使液體沿鉆桿向下移動；頂開回壓閥，液體開始流動的立管壓力，即為關(guān)井鉆桿壓力。（2）地層壓力的確定把地層一井眼系統(tǒng)看成一個壓力系統(tǒng)，則可將鉆柱與環(huán)形空間視為連通的“U’形管，其底部視為井底地層。根據(jù)“U”形管壓力平衡原理，關(guān)井時井內(nèi)的壓力平衡關(guān)系為

pd+pdd=

pp=pa+pda

式中pd——關(guān)井鉆桿壓力；pdd——鉆桿內(nèi)鉆井液柱壓力

pp——地層壓力；pa——關(guān)井套管（環(huán)空）壓力

pda——環(huán)空內(nèi)受侵鉆井液柱壓力當井深為Dw、鉆柱內(nèi)未受侵鉆井液密度為ρd時，根據(jù)以上壓力平衡關(guān)系，可得

pp=pd+ρdgDw

（3）壓井所需鉆井液新密度pd1

根據(jù)關(guān)井鉆桿壓力，可求出地層壓力及平衡此壓力所需的鉆井液新密度pd1，即

ρd1=ρd+pd/（gDw

）

立管（4）地層流體的判別

根據(jù)壓力平衡關(guān)系，可得（GDd－GDf）hf＝pa－pd

hf＝△V/Va可以由GDf

(地層流體壓力梯度)大小，初步判斷地層流體的種類。一般如下：天然氣GDf

＝1.08～4.51kPa／m天然氣與石油（鹽水的混合物）GDf

＝4.51～9.03kPa／m石油或鹽水GDf

＝