鉆井與完井工程-第二章-地層壓力理論及預(yù)測方法

地層壓力理論及預(yù)測方法第二章井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2基本概念異常壓力地層壓力預(yù)測方法地層壓力理論及預(yù)測方法3鉆井與完井工程概述1.1基本概念靜液柱壓力由液柱自身的重力所引起的壓力，Ph。

Ph=0.00981ρH式中：Ph—靜液壓力，MPa

ρ

—液體的密度，g/cm3H—液柱的垂直高度，m靜液壓力梯度GhGh＝Ph/H＝0.00981ρ壓力梯度：單位深度的壓力（MPa/m）當(dāng)量密度ρρ＝Ph/0.00981H4鉆井與完井工程概述1.1基本概念靜液柱壓力由液柱自身的重力所引起的壓力，Ph。

Ph=0.00981ρH式中：Ph—靜液壓力，MPa

ρ

—液體的密度，g/cm3H—液柱的垂直高度，m靜液壓力梯度Gh

Gh＝Ph/H＝0.00981ρ壓力梯度：單位深度的壓力（MPa/m）當(dāng)量密度ρρ＝Ph/0.00981HPH氣體泡沫液體5鉆井與完井工程概述1.1基本概念靜液柱壓力6鉆井與完井工程概述1.1基本概念靜液柱壓力7鉆井與完井工程概述1.1基本概念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）的總重力造成的壓力人體體液重量：65%人體骨骼和肌肉：35%巖石孔隙流體體積：10-30%巖石骨架體積：70-90%8鉆井與完井工程概述1.1基本概念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）的總重力造成的壓力式中：P0—上覆巖層壓力，MPaH—地層垂直深度，m

φ—巖石孔隙度

ρm—巖石骨架密度，g/cm3

ρf—孔隙中流體密度，g/cm3

9鉆井與完井工程概述1.1基本概念地層壓力是指巖石孔隙中流體的壓力，也稱地層孔隙壓力，PP異常高壓：超過正常地層靜液壓力的地層壓力（Pp>Ph）。異常低壓：低于正常地層靜液壓力的地層壓力（Pp<Ph）。正常地層壓力：等于靜液壓力，Pp=Ph。異常地層壓力正常地層壓力梯度地層水為淡水GP=0.00981MPa/m地層水為鹽水GP=0.0105MPa/m10鉆井與完井工程概述1.1基本概念骨架應(yīng)力巖石顆粒之間接觸來支撐的那部分上覆巖層壓力，σ?guī)r石骨架孔隙中的流體pp11鉆井與完井工程概述1.1基本概念異常低壓異常高壓12鉆井與完井工程概述1.2異常壓力異常低壓產(chǎn)生原因：

（1）生產(chǎn)多年而又沒有壓力補(bǔ)充的枯竭油氣層；

（2）地下水位極低。生產(chǎn)井在鉆井13鉆井與完井工程概述1.2異常壓力異常高壓產(chǎn)生原因：異常高壓地層與正常地層間有封閉層（阻止孔隙流體排出）原因地層欠壓實(shí)作用地質(zhì)構(gòu)造作用流體運(yùn)移作用水熱增壓作用14鉆井與完井工程概述1.2異常壓力地層欠壓實(shí)作用15鉆井與完井工程概述1.2異常壓力地層欠壓實(shí)作用地層沉積地層壓實(shí)的同時(shí)流體排出正常壓力地層水力學(xué)開啟系統(tǒng)滲透、連通、流體自由流動(dòng)地層受壓地層正常壓實(shí)16鉆井與完井工程概述1.2異常壓力地層欠壓實(shí)作用17鉆井與完井工程概述1.2異常壓力地層欠壓實(shí)作用18鉆井與完井工程概述1.2異常壓力地質(zhì)構(gòu)造作用

造成地層上升。如果在抬升過程中有某種因素限制了流體的運(yùn)移，該地層就會(huì)由于深度因素而形成異常高壓。19鉆井與完井工程概述1.2異常壓力地質(zhì)構(gòu)造作用

造成地層上升。如果在抬升過程中有某種因素限制了流體的運(yùn)移，該地層就會(huì)由于深度因素而形成異常高壓。4000m3000m20鉆井與完井工程概述1.2異常壓力流體運(yùn)移作用

流體運(yùn)移效應(yīng)包括鉆開的巖層與超壓層的連通以及地層流體等勢面的差異造成的壓力異常。水熱增壓作用

溫度升高、流體膨脹。21鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法為什么要進(jìn)行地層壓力預(yù)測?Ph

Pp

預(yù)測不準(zhǔn)：井涌、溢流、井噴22鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法壓實(shí)理論-地層壓力預(yù)測的基礎(chǔ)

指在正常沉積條件下，隨著上覆地層壓力P0的增加，泥頁巖的孔隙度減小。不適用于碳酸鹽巖地層！23鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法砂泥巖

由母巖風(fēng)化作用所形成的陸源碎屑碎屑物質(zhì)經(jīng)過機(jī)械搬運(yùn)、沉積和成巖作用所形成的巖石。碳酸鹽巖屬于化學(xué)巖及生物化學(xué)巖類，主要是由呈真溶液或膠體溶液搬運(yùn)的物質(zhì)沉積形成的。24鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法預(yù)測方法有鉆速法、地球物理方法（地震波）、測井（聲波時(shí)差等）。目前應(yīng)用某一種方法是很難準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地層壓力，往往需要采用多種方法進(jìn)行綜合分析和解釋。25鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法正常壓實(shí)地層：埋深巖石壓實(shí)巖石Φ

異常高壓地層：巖石欠壓實(shí)

巖石Φ、壓力

鉆速

鉆速

26鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法正常壓實(shí)地層：埋深巖石壓實(shí)巖石Φ

鉆速

異常高壓地層：巖石欠壓實(shí)

巖石Φ、壓力

鉆速

利用該規(guī)律可以監(jiān)測地層壓力：機(jī)械鉆速法。Jorden依據(jù)Bingham方鉆速方程提出了d指數(shù)法。鉆速方程為：

Vpc—鉆速，m/hK—可鉆性系數(shù)n—轉(zhuǎn)速，rpmW—鉆壓，kN

D—鉆頭直徑，mme—轉(zhuǎn)速指數(shù)d—鉆壓指數(shù)，即d指數(shù)。27鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法設(shè)工藝條件（水力因素、鉆頭類型）及巖性不變（均為泥頁巖），則K為常數(shù)，取K=1，因泥頁巖較軟，n與Vpc為直線關(guān)系，即e=1，得：式中：Vpc：機(jī)械鉆速，m/h

n：轉(zhuǎn)速，rpm

W：鉆壓，kN

D：鉆頭直徑，mm1~20m/h50~200rpm<0<028鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法式中：ρn：正常壓力層段地層水密度，g/cm3

ρd：實(shí)際使用的鉆井液密度，g/cm3

d指數(shù)法要求保證鉆井液密度不變，但現(xiàn)場難以做到，因進(jìn)入壓力過渡帶后鉆井液密度升高，鉆速

（壓持效應(yīng)），

d

，怎么辦？修正：正常壓實(shí)地層：H

(泥頁巖）dc

—趨勢。異常壓力地層：H

（泥頁巖）dc

—偏離趨勢。29鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法基本原理：在正常壓實(shí)條件下，巖石強(qiáng)度隨井深增加而增強(qiáng)，機(jī)械鉆速隨井深增加而降低，泥巖段dc指數(shù)隨井深增加而增大；在異常壓力段，鉆速隨孔隙壓力的增大而增大，dc指數(shù)則相應(yīng)減小，偏離正常趨勢線。30鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法31鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法dc指數(shù)法地層壓力監(jiān)測步驟（1）數(shù)據(jù)采集與整理收集泥頁巖地層的正常壓力和異常壓力的鉆井資料：鉆時(shí)（或鉆速）、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭直徑、鉆井液密度、排量、泵壓、地層巖性等數(shù)據(jù)，如下表所示。32鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法（2）dc指數(shù)計(jì)算（3）繪制曲線，回歸處理在半對數(shù)坐標(biāo)中繪制H—dc關(guān)系曲線，求dc指數(shù)正常趨勢線。33鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法（4）地層壓力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式法、當(dāng)量（等效）深度法等。a.經(jīng)驗(yàn)公式法式中：

p—地層壓力當(dāng)量密度；

n—正常地層水密度；

dcn—所求井深處，正常趨勢線上的dc

dca—所求井深處，實(shí)際dc34鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法b.等效深度法若兩深度的地層具有相等dc指數(shù),則可認(rèn)為兩處地層的壓實(shí)程度相同，基巖應(yīng)力相等，A點(diǎn)的等效深度為B點(diǎn)。即：若dc(A)=dc(B)，則:B處:A處:35鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法井深D處的地層壓力為:Gpn為等效深度De處的正常地層壓力梯度，MPa/m；Go為上覆地層壓力梯度，MPa/m；B處：A處：36鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法不足之處：（1）水力參數(shù)、地層巖性、鉆頭類型、井底壓差等因素的變化都會(huì)引起機(jī)械鉆速的變化，從而導(dǎo)致dc指數(shù)的變化。因此，dc指數(shù)法評(píng)價(jià)地層壓力存在較大的誤差。（2）聲波時(shí)差法和dc指數(shù)法只適用于泥頁巖地層（砂泥巖剖面），對于碳酸鹽巖地層，目前尚無合適的方法。37鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法聲波時(shí)差法

聲波時(shí)差，指接收聲波的時(shí)間差值，即聲波速度（聲速）的倒數(shù)。38鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法聲波時(shí)差法

聲波時(shí)差，指接收聲波的時(shí)間差值，即聲波速度（聲速）的倒數(shù)。39鉆井與完井工程概述1.3地層壓力預(yù)測方法孔隙度大，聲速慢，聲波時(shí)差大孔隙度