《井身结构设计》课件.ppt

第一章第一章 井身结构设计井身结构设计l l主主主主要要要要任任任任务务务务：确确确确定定定定套套套套管管管管的的的的下下下下入入入入层层层层次次次次、下下下下入入入入深深深深度度度度、套套套套管管管管尺尺尺尺寸寸寸寸及及及及钻钻钻钻头头头头尺尺尺尺寸寸寸寸、水水水水泥泥泥泥浆浆浆浆返返返返深深深深 。l l客客客客观观观观依依依依据据据据：地地地地层层层层岩岩岩岩性性性性特特特特征征征征、地地地地层层层层压压压压力力力力、地地地地层破裂压力。层破裂压力。层破裂压力。层破裂压力。l l主观条件：主观条件：主观条件：主观条件：钻井工艺技术水平等。钻井工艺技术水平等。钻井工艺技术水平等。钻井工艺技术水平等。l l主要原则：主要原则：主要原则：主要原则：1 1 1 1能有效地保护储集层；能有效地保护储集层；能有效地保护储集层；能有效地保护储集层；2 2 2 2避避避避免免免免产产产产生生生生井井井井漏漏漏漏、井井井井塌塌塌塌、卡卡卡卡钻钻钻钻等等等等井井井井下下下下复复复复杂杂杂杂情情情情况况况况和和和和事事事事故故故故。为为为为安安安安全全全全、优优优优质质质质、高高高高速速速速和和和和经经经经济济济济钻井创造条件；钻井创造条件；钻井创造条件；钻井创造条件；3 3 3 3当实际地层压力超过预测值发生溢流时，当实际地层压力超过预测值发生溢流时，当实际地层压力超过预测值发生溢流时，当实际地层压力超过预测值发生溢流时，在一定范围内，具有处理溢流的能力。在一定范围内，具有处理溢流的能力。在一定范围内，具有处理溢流的能力。在一定范围内，具有处理溢流的能力。第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 l l第一节第一节 地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术l l第二节第二节 地层破裂压力预测方法地层破裂压力预测方法l l第三节第三节 井眼坍塌应力预测方法井眼坍塌应力预测方法l l第四节第四节 井身结构设计井身结构设计第一节第一节第一节第一节 地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术一、基本概念一、基本概念一、基本概念一、基本概念2.2.2.2.压力梯度压力梯度压力梯度压力梯度 3.3.3.3.有效密度有效密度有效密度有效密度 4.4.4.4.压实理论压实理论压实理论压实理论 5.5.5.5.均衡理论均衡理论均衡理论均衡理论 P P P P0 0 0 0 7.7.7.7.地层压力（地层孔隙压力）地层压力（地层孔隙压力）地层压力（地层孔隙压力）地层压力（地层孔隙压力）P P P PP P P P 第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 1 1 1 1、静液柱压力、静液柱压力、静液柱压力、静液柱压力 P P P Ph h h h 由液柱自身重量产生的压力由液柱自身重量产生的压力.式中：式中：式中：式中：P P P Ph h h h静液柱压力，静液柱压力，静液柱压力，静液柱压力，MPaMPaMPaMPa；液体密度，液体密度，液体密度，液体密度，g/cmg/cmg/cmg/cm3 3 3 3；H H H H液柱垂直高度，液柱垂直高度，液柱垂直高度，液柱垂直高度，m m m m。Ph 第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术10/26/20222 2 2 2、压力梯度：、压力梯度：、压力梯度：、压力梯度：单位高度（或深度）的压力变化率。单位高度（或深度）的压力变化率。单位高度（或深度）的压力变化率。单位高度（或深度）的压力变化率。式中：式中：式中：式中：GGGG压力梯度，压力梯度，压力梯度，压力梯度，MPa/mMPa/mMPa/mMPa/m；P P P P压力，压力，压力，压力，MPaMPaMPaMPa；H H H H高度高度高度高度（或深度）（或深度）（或深度）（或深度），m m m m。第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一节第一节第一节第一节 地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术10/26/2022石油工程中石油工程中石油工程中石油工程中压力梯度压力梯度压力梯度压力梯度也采用也采用也采用也采用当量密度当量密度当量密度当量密度 来表示来表示来表示来表示：显然压力梯度与当量密度的关系为：显然压力梯度与当量密度的关系为：显然压力梯度与当量密度的关系为：显然压力梯度与当量密度的关系为：第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一节第一节第一节第一节 地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术10/26/2022 如果总的压力等效如果总的压力等效如果总的压力等效如果总的压力等效于一个液柱压力，则于一个液柱压力，则于一个液柱压力，则于一个液柱压力，则等效液柱压力的密度等效液柱压力的密度等效液柱压力的密度等效液柱压力的密度即为总的压力的有效即为总的压力的有效即为总的压力的有效即为总的压力的有效密度。密度。密度。密度。Ph总的压力总的压力总的压力总的压力第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一节第一节第一节第一节 地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术如：抽吸压力、激动压力等。如：抽吸压力、激动压力等。4 4 4 4压实理论压实理论压实理论压实理论 正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度 随随随随井深增加而减小。关井深增加而减小。关井深增加而减小。关井深增加而减小。关系如下：系如下：系如下：系如下：式中：式中：式中：式中：0 0 0 0地表孔隙度；地表孔隙度；地表孔隙度；地表孔隙度；井深井深井深井深H H H H时的孔隙度；时的孔隙度；时的孔隙度；时的孔隙度；0 0 0 0岩石骨架密度；岩石骨架密度；岩石骨架密度；岩石骨架密度；C C C Cp p p p压实校正系数，压实校正系数，压实校正系数，压实校正系数，C C C Cp p p p1111。若若若若当当当当随随随随着着着着井井井井深深深深增增增增加加加加，岩岩岩岩石石石石孔孔孔孔隙隙隙隙度度度度增增增增大大大大，则则则则说说说说明明明明该该该该段段段段地地地地层层层层压压压压力异常。压实理论为地层压力预测技术基础之一。力异常。压实理论为地层压力预测技术基础之一。力异常。压实理论为地层压力预测技术基础之一。力异常。压实理论为地层压力预测技术基础之一。第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术5 5 5 5均衡理论均衡理论均衡理论均衡理论 泥页岩泥页岩泥页岩泥页岩在压实与排泄过程平衡时在压实与排泄过程平衡时在压实与排泄过程平衡时在压实与排泄过程平衡时，相邻沙泥相邻沙泥相邻沙泥相邻沙泥岩层间的地层压力近似相等岩层间的地层压力近似相等岩层间的地层压力近似相等岩层间的地层压力近似相等。压实理论和均衡理论是支持地层压力预测技术压实理论和均衡理论是支持地层压力预测技术压实理论和均衡理论是支持地层压力预测技术压实理论和均衡理论是支持地层压力预测技术不可缺少的理论基础。不可缺少的理论基础。不可缺少的理论基础。不可缺少的理论基础。第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术6.6.6.6.上覆岩层压力上覆岩层压力上覆岩层压力上覆岩层压力 P P P PO O O O 地地地地层层层层某某某某处处处处的的的的上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩层层层层压压压压力力力力是是是是指指指指该该该该处处处处以以以以上上上上地地地地层层层层岩岩岩岩石石石石基基基基质质质质和和和和孔孔孔孔隙隙隙隙中中中中流流流流体体体体的的的的总总总总重重重重量量量量（重重重重力）所产生的压力，即力）所产生的压力，即力）所产生的压力，即力）所产生的压力，即P Po oP P0 0：上覆岩层压力，上覆岩层压力，MPaMPa；H H：地层垂直深度，地层垂直深度，m m；：岩石孔隙度，岩石孔隙度，%0 0：岩石骨架密度，：岩石骨架密度，g/cmg/cm3 3；p p：孔隙中流体密度孔隙中流体密度，g/cmg/cm3 3。第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术计算方法：分层段和取平均体积密度密度：3 压力梯度：10/26/20227.7.7.7.地层压力地层压力地层压力地层压力 P P P PP P P Pl l地地地地层层层层压压压压力力力力是是是是指指指指岩岩岩岩石石石石孔孔孔孔隙隙隙隙中中中中流流流流体体体体的的的的压压压压力力力力，亦亦亦亦称称称称地地地地层层层层孔孔孔孔隙隙隙隙压力，用压力，用压力，用压力，用P P P PP P P P表示。表示。表示。表示。l l若若若若地地地地层层层层水水水水为为为为淡淡淡淡水水水水，则则则则正正正正常常常常地地地地层层层层压压压压力力力力梯梯梯梯度度度度（G G G Gp p p p）MPa/mMPa/mMPa/mMPa/m，MPa/mMPa/mMPa/mMPa/m。石油钻井中遇到的地层水多数为盐水。石油钻井中遇到的地层水多数为盐水。石油钻井中遇到的地层水多数为盐水。石油钻井中遇到的地层水多数为盐水。第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术 骨骨骨骨架架架架应应应应力力力力是是是是由由由由岩岩岩岩石石石石颗颗颗颗粒粒粒粒之之之之间间间间相相相相互互互互接接接接触触触触来来来来支支支支撑撑撑撑的的的的那那那那部部部部分分分分上覆岩层压力上覆岩层压力上覆岩层压力上覆岩层压力（亦称有效上覆岩层压力或颗粒压力）。（亦称有效上覆岩层压力或颗粒压力）。（亦称有效上覆岩层压力或颗粒压力）。（亦称有效上覆岩层压力或颗粒压力）。当骨架应力降低时，孔隙压力就增大。当骨架应力降低时，孔隙压力就增大。当骨架应力降低时，孔隙压力就增大。当骨架应力降低时，孔隙压力就增大。孔隙压力等于上覆岩层压力时，骨架应力孔隙压力等于上覆岩层压力时，骨架应力孔隙压力等于上覆岩层压力时，骨架应力孔隙压力等于上覆岩层压力时，骨架应力等于零。等于零。等于零。等于零。PoPp 第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术10/26/2022二、异常压力二、异常压力二、异常压力二、异常压力正常地层压力一般为盐水液柱压力正常地层压力一般为盐水液柱压力正常地层压力一般为盐水液柱压力正常地层压力一般为盐水液柱压力P P P PW W W W。不在正常地层压力范围内的压力称为不在正常地层压力范围内的压力称为不在正常地层压力范围内的压力称为不在正常地层压力范围内的压力称为异常地层压力异常地层压力异常地层压力异常地层压力。当当当当 P P P PP P P PPw,Pw,Pw,Pw,称为异常高压称为异常高压称为异常高压称为异常高压 当当当当 P P P PP P P PPw,Pw,Pw,Pw,称为异常低压称为异常低压称为异常低压称为异常低压HPP Pw wP Po o异常高压异常高压异常高压异常高压异常低压异常低压异常低压异常低压第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术10/26/20221.1.异常低压原因异常低压原因生产多年的衰竭油气田；生产多年的衰竭油气田；生产多年的衰竭油气田；生产多年的衰竭油气田；大量生产而没有注水补的油气产层；大量生产而没有注水补的油气产层；大量生产而没有注水补的油气产层；大量生产而没有注水补的油气产层；同一水动力系统的地层露头低于井口；同一水动力系统的地层露头低于井口；同一水动力系统的地层露头低于井口；同一水动力系统的地层露头低于井口；地下水位很低（地下水位很低（地下水位很低（地下水位很低（中东某些地区的地下水位中东某些地区的地下水位中东某些地区的地下水位中东某些地区的地下水位在几百米以下在几百米以下在几百米以下在几百米以下）。）。）。）。第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一节第一节第一节第一节 地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术地层压力理论及预测技术10/26/20222 2 2 2异常高压产生原因异常高压产生原因异常高压产生原因异常高压产生原因 异异异异常常常常高高高高压压压压的的的的地地地地层层层层压压压压力力力力系系系系统统统统实实实实质质质质上上上上是是是是存存存存在在在在“封封封封闭闭闭闭的的的的”地地地地层层层层，阻阻阻阻止止止止或或或或至至至至少少少少是是是是大大大大大大大大限限限限制制制制着着着着流流流流体体体体连连连连通通通通,这这这这样样样样上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩层层层层的的的的压压压压力力力力部部部部分分分分地地地地由由由由孔孔孔孔隙隙隙隙中中中中的的的的地地地地层层层层流流流流体体体体支支支支持持持持，故故故故造造造造成成成成异异异异常常常常高高高高压压压压，甚甚甚甚至至至至于于于于高高高高出出出出上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩石石石石压压压压力力力力40404040（靠靠靠靠岩岩岩岩石石石石内内内内应应应应力力力力支支支支撑撑撑撑压力桥）。压力桥）。压力桥）。压力桥）。l l其成因可归类为：其成因可归类为：其成因可归类为：其成因可归类为：（1 1 1 1）沉积物的快速沉积，压实不均匀；）沉积物的快速沉积，压实不均匀；）沉积物的快速沉积，压实不均匀；）沉积物的快速沉积，压实不均匀；（2 2 2 2）渗透作用；）渗透作用；）渗透作用；）渗透作用；（3 3 3 3）构造作用；）构造作用；）构造作用；）构造作用；(4)(4)(4)(4)水增热作用水增热作用水增热作用水增热作用 (5)(5)(5)(5)油田注水油田注水油田注水油田注水第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术10/26/2022压实效应压实效应:PHP PO海面海面/地面地面第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术 地层保持正常的压地层保持正常的压实平衡，取决于：实平衡，取决于：（1）沉积速率）沉积速率（2）孔隙空间减少速）孔隙空间减少速率率（3）地层渗透率）地层渗透率（4）排出孔隙流体的）排出孔隙流体的能力能力10/26/2022 水热作用：水热作用：岩层孔隙中的流体受热膨胀，一旦出现隔绝的环境，地层孔隙中流体的压力就会急剧增加。渗透作用：渗透作用：水或者溶液被适当的薄膜（泥岩层）隔开时，水从淡溶液到浓溶液的自然流动，导致高浓度溶液一侧水增多，如果排水作用受到阻碍，形成高压。高浓度第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术10/26/2022流体运移流体运移:第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术10/26/2022钻速法随钻监测钻速法随钻监测钻速法随钻监测钻速法随钻监测测井法钻后评价测井法钻后评价测井法钻后评价测井法钻后评价地球物理方法钻前预测地球物理方法钻前预测地球物理方法钻前预测地球物理方法钻前预测 目目目目前前前前应应应应用用用用某某某某一一一一种种种种方方方方法法法法是是是是很很很很难难难难准准准准确确确确评评评评价价价价一一一一个个个个地地地地区区区区或或或或区区区区块块块块的的的的地地地地层层层层压压压压力力力力，往往往往往往往往需需需需要要要要采采采采用用用用多多多多种种种种方方方方法法法法进进进进行行行行综综综综合合合合分析和解释。分析和解释。分析和解释。分析和解释。dcdcdcdc指数法指数法指数法指数法、声波时差法声波时差法声波时差法声波时差法、地震法地震法地震法地震法。三、地层压力预测方法三、地层压力预测方法三、地层压力预测方法三、地层压力预测方法第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术10/26/20221 1 1 1、dcdcdcdc指数法指数法指数法指数法 在正常地层压力情况下，如岩性和钻井条件不变，机械钻在正常地层压力情况下，如岩性和钻井条件不变，机械钻速随井深的增加而下降。当钻入压力过渡带之后，由于压差速随井深的增加而下降。当钻入压力过渡带之后，由于压差减小，岩石孔隙度增大，机械钻速反而加快。减小，岩石孔隙度增大，机械钻速反而加快。dcdcdcdc指数则正是指数则正是利用这种差异预报异常高压。利用这种差异预报异常高压。宾汉在不考虑水力因素的影响下建立了钻速方程宾汉在不考虑水力因素的影响下建立了钻速方程;根据室根据室内及油田钻井试验内及油田钻井试验,再进行合理的假设，采用统一的单位可再进行合理的假设，采用统一的单位可得得d d d d指数（钻压）表达式：指数（钻压）表达式：k=1，e=1第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术岩石可钻系数钻井条件与岩性不变；岩石可钻系数钻井条件与岩性不变；转速指数指数机械钻速与转速成正比。转速指数指数机械钻速与转速成正比。标准钻速议程标准钻速议程10/26/2022正正常常压压力力情情况况下下，机机械械钻钻速速随随井井深深增增加加而而减减小小，d d指指数数随随井井深深增增加加而而增增加加。当当进进入入压压力力过过渡渡带带和和异异常常高高压压带带地地层，实际层，实际d d指数较正常值偏小。指数较正常值偏小。d d指数指数指数指数HH异常高压正常压力第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术 d d指数与机械钻速指数与机械钻速V V成反比。成反比。分析：分析：分子小于分子小于1，其绝对值与，其绝对值与V成反比。成反比。由于当钻入压力过渡带时，一般情况要提高钻井液由于当钻入压力过渡带时，一般情况要提高钻井液由于当钻入压力过渡带时，一般情况要提高钻井液由于当钻入压力过渡带时，一般情况要提高钻井液密度，因而引起钻井液密度变化，进而影响密度，因而引起钻井液密度变化，进而影响密度，因而引起钻井液密度变化，进而影响密度，因而引起钻井液密度变化，进而影响d d d d指数的正常指数的正常指数的正常指数的正常变化规律，为了消除钻井液密度变化影响，变化规律，为了消除钻井液密度变化影响，变化规律，为了消除钻井液密度变化影响，变化规律，为了消除钻井液密度变化影响，RehmRehmRehmRehm和和和和MeclendonMeclendonMeclendonMeclendon在在在在1971197119711971年提出了修正的年提出了修正的年提出了修正的年提出了修正的d d d d指数法，即指数法，即指数法，即指数法，即dcdcdcdc指数法。指数法。指数法。指数法。式中：式中：式中：式中：dcdc：修正的修正的修正的修正的d d指数；指数；指数；指数；mNmN：正常地层压力当量密度，正常地层压力当量密度，正常地层压力当量密度，正常地层压力当量密度，g/cmg/cm3 3；mRmR：实际钻井液密度，实际钻井液密度，实际钻井液密度，实际钻井液密度，g/cmg/cm3 3。第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术 dc dc dc dc指数检测地层压力步骤指数检测地层压力步骤指数检测地层压力步骤指数检测地层压力步骤（1 1 1 1）按按按按 一一一一 定定定定 深深深深 度度度度 取取取取 点点点点，一一一一 般般般般1.531.531.531.53m m m m取取取取一一一一点点点点，如如如如果果果果钻钻钻钻速速速速高高高高可可可可510510510510m m m m，重重重重点点点点井井井井段段段段1 1 1 1m m m m取取取取一一一一点点点点。同同同同时时时时记记记记录录录录每每每每对对对对应应应应点点点点的的的的钻钻钻钻速速速速、钻钻钻钻压压压压、转速、钻井液密度。转速、钻井液密度。转速、钻井液密度。转速、钻井液密度。（2 2 2 2）计算）计算）计算）计算d d d d和和和和dcdcdcdc指数指数指数指数（3 3 3 3）在在在在半半半半对对对对数数数数坐坐坐坐标标标标上上上上作作作作出出出出dcdcdcdc指指指指数数数数和和和和相相相相应应应应井井井井深深深深所所所所确确确确定定定定的的的的点点点点（纵纵纵纵坐坐坐坐标标标标为井深为井深为井深为井深H H H H、对数坐标为对数坐标为对数坐标为对数坐标为dcdcdcdc指数）指数）指数）指数）（4 4 4 4）作正常压力趋势线，如右图。）作正常压力趋势线，如右图。）作正常压力趋势线，如右图。）作正常压力趋势线，如右图。（5 5 5 5）计算地层压力）计算地层压力）计算地层压力）计算地层压力P P P PP P P P 正常趋势线正常趋势线过度带顶部过度带顶部第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术l根据根据根据根据dcdcdcdc指数偏离值计算地层压力的指数偏离值计算地层压力的指数偏离值计算地层压力的指数偏离值计算地层压力的.M M M M诺玛法诺玛法诺玛法诺玛法 式中：式中：式中：式中：P P P P所求井深地层压力当量密度，所求井深地层压力当量密度，所求井深地层压力当量密度，所求井深地层压力当量密度，g/cmg/cmg/cmg/cm3 3 3 3；n n n n所求井深正常地层压力当量密度，所求井深正常地层压力当量密度，所求井深正常地层压力当量密度，所求井深正常地层压力当量密度，g/cmg/cmg/cmg/cm3 3 3 3；d d d dCNCNCNCN所求井深的正常所求井深的正常所求井深的正常所求井深的正常dcdcdcdc指数；指数；指数；指数；d d d dcacacaca所求井深实际所求井深实际所求井深实际所求井深实际dcdcdcdc指数。指数。指数。指数。第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术dcdc指数指数指数指数HH所求井深所求井深所求井深所求井深d d d dCNCNCNCNd d d dcacacacal根据根据根据根据dcdcdcdc指数偏离值计算地层压力的等效深度法指数偏离值计算地层压力的等效深度法指数偏离值计算地层压力的等效深度法指数偏离值计算地层压力的等效深度法 式中：式中：式中：式中：P P P PP P P P所求深度的地层压力，所求深度的地层压力，所求深度的地层压力，所求深度的地层压力，MPaMPaMPaMPa；HHHH所求地层压力点的深度，所求地层压力点的深度，所求地层压力点的深度，所求地层压力点的深度，m m m m；G G G G0 0 0 0上覆地层压力梯度，上覆地层压力梯度，上覆地层压力梯度，上覆地层压力梯度，MPa/,MPa/,MPa/,MPa/,；G G G Gn n n n等等等等效效效效深深深深度度度度处处处处的的的的正正正正常常常常地地地地层层层层压压压压力力力力梯梯梯梯度度度度，MPa/mMPa/mMPa/mMPa/m；H H H HE E E E等效深度，等效深度，等效深度，等效深度，m m m m。第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术dcdc指数指数指数指数HH所求井深所求井深所求井深所求井深等效深度等效深度等效深度等效深度2 2 2 2、声波时差法、声波时差法、声波时差法、声波时差法(已钻井地区）已钻井地区）已钻井地区）已钻井地区）声波在地层中传播速度与岩石的密度、结构、孔隙度及埋藏声波在地层中传播速度与岩石的密度、结构、孔隙度及埋藏深度有关。不同的地层，不同的岩性，有不同的声波速度。当岩深度有关。不同的地层，不同的岩性，有不同的声波速度。当岩性一定时，声波的速度随岩石孔隙度的增大而减小。由试验和理性一定时，声波的速度随岩石孔隙度的增大而减小。由试验和理论研究可得：论研究可得：在半对数坐标系中（在半对数坐标系中（H H为纵坐标，为纵坐标，t t为对数坐标），即声波为对数坐标），即声波时差的对数与井深呈线性关系。在正常地层压力井段，随着井深时差的对数与井深呈线性关系。在正常地层压力井段，随着井深增加，岩石孔隙度减小，声波速度增大，声波时差减小。当进入增加，岩石孔隙度减小，声波速度增大，声波时差减小。当进入压力过渡带和异常高压带地层后，岩石孔隙度增大，声波速度减压力过渡带和异常高压带地层后，岩石孔隙度增大，声波速度减小，声波时差增大，偏离正常压力趋势线。因此可利用这一特点小，声波时差增大，偏离正常压力趋势线。因此可利用这一特点检测地层压力。检测地层压力。第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术10/26/2022 地球物理测井简称地球物理测井简称“测井测井”。它是通过钻井。它是通过钻井所钻井孔而进行的各种所钻井孔而进行的各种测井工作。其中包括电测井工作。其中包括电阻率测井、自然电位测阻率测井、自然电位测井、放射性测井和井、放射性测井和声波声波测井测井等。等。第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术3 3 3 3、地震反射波法（地质物理勘探）、地震反射波法（地质物理勘探）、地震反射波法（地质物理勘探）、地震反射波法（地质物理勘探）地震波法预测地层压力是根据在不同岩性，地震波法预测地层压力是根据在不同岩性，地震波法预测地层压力是根据在不同岩性，地震波法预测地层压力是根据在不同岩性，不同压实程度情况下，地震波速度传播的差异不同压实程度情况下，地震波速度传播的差异不同压实程度情况下，地震波速度传播的差异不同压实程度情况下，地震波速度传播的差异来预测地层压力的方法。即正常压实条件下，来预测地层压力的方法。即正常压实条件下，来预测地层压力的方法。即正常压实条件下，来预测地层压力的方法。即正常压实条件下，随着深度的增加，地震波速逐渐增大；在异常随着深度的增加，地震波速逐渐增大；在异常随着深度的增加，地震波速逐渐增大；在异常随着深度的增加，地震波速逐渐增大；在异常压力层则随着井深增加，地震波速反而减小的压力层则随着井深增加，地震波速反而减小的压力层则随着井深增加，地震波速反而减小的压力层则随着井深增加，地震波速反而减小的原理来预测压力异常。原理来预测压力异常。原理来预测压力异常。原理来预测压力异常。地震波法预测地层压力计算方法主要有地震波法预测地层压力计算方法主要有地震波法预测地层压力计算方法主要有地震波法预测地层压力计算方法主要有等等等等效深度法，效深度法，效深度法，效深度法，FilliponeFilliponeFilliponeFillipone法、法、法、法、R R R R比值法比值法比值法比值法。第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第一第一第一第一节节地地地地层压层压力理力理力理力理论论及及及及预测预测技技技技术术10/26/2022第二节第二节第二节第二节 地层破裂压力预测方法地层破裂压力预测方法地层破裂压力预测方法地层破裂压力预测方法第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 在采油作业上，在采油作业上，在采油作业上，在采油作业上，2020世纪世纪世纪世纪4040年代就利用水力压裂年代就利用水力压裂年代就利用水力压裂年代就利用水力压裂地层达到增产的目的，但对钻井工程不希望地层破地层达到增产的目的，但对钻井工程不希望地层破地层达到增产的目的，但对钻井工程不希望地层破地层达到增产的目的，但对钻井工程不希望地层破裂，因为容易发生井漏，造成井下复杂事故。因此裂，因为容易发生井漏，造成井下复杂事故。因此裂，因为容易发生井漏，造成井下复杂事故。因此裂，因为容易发生井漏，造成井下复杂事故。因此了解地层的破裂压力对合理的油井设计和钻井施工了解地层的破裂压力对合理的油井设计和钻井施工了解地层的破裂压力对合理的油井设计和钻井施工了解地层的破裂压力对合理的油井设计和钻井施工都十分重要。都十分重要。都十分重要。都十分重要。为了准确掌握地层破裂压力，国内外学者提出为了准确掌握地层破裂压力，国内外学者提出为了准确掌握地层破裂压力，国内外学者提出为了准确掌握地层破裂压力，国内外学者提出了不同的方法和模型，如了不同的方法和模型，如了不同的方法和模型，如了不同的方法和模型，如Mathews&KellyMathews&Kelly法、法、法、法、Hubbert&Willis Hubbert&Willis 法、法、法、法、Eaton Eaton 法和以及法和以及法和以及法和以及石油大学黄荣石油大学黄荣石油大学黄荣石油大学黄荣樽提出的预测模型樽提出的预测模型樽提出的预测模型樽提出的预测模型等等。等等。等等。等等。、地层破裂压力定义：地层破裂压力定义：地层破裂压力定义：地层破裂压力定义：在井下一定深度出露的地层，在井下一定深度出露的地层，在井下一定深度出露的地层，在井下一定深度出露的地层，承受液体压力的能力是有限的。当液体压力达到某一承受液体压力的能力是有限的。当液体压力达到某一承受液体压力的能力是有限的。当液体压力达到某一承受液体压力的能力是有限的。当液体压力达到某一数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压力。力。力。力。、地层破裂条件：地层破裂条件：地层破裂条件：地层破裂条件：由井壁所受应力状态确定，深部由井壁所受应力状态确定，深部由井壁所受应力状态确定，深部由井壁所受应力状态确定，深部地层水力压裂主要形成垂直裂缝，其起裂是由于井壁地层水力压裂主要形成垂直裂缝，其起裂是由于井壁地层水力压裂主要形成垂直裂缝，其起裂是由于井壁地层水力压裂主要形成垂直裂缝，其起裂是由于井壁上的有效切向应力上的有效切向应力上的有效切向应力上的有效切向应力 E E E E大于岩石的抗张强度大于岩石的抗张强度大于岩石的抗张强度大于岩石的抗张强度S S S St t t t 。由压缩变为拉伸并超过时由压缩变为拉伸并超过时为有效应力系数为有效应力系数第二第二第二第二节节地地地地层层破裂破裂破裂破裂压压力力力力预测预测方法方法方法方法第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 第二第二第二第二节节地地地地层层破裂破裂破裂破裂压压力力力力预测预测方法方法方法方法垂直主应力垂直主应力垂直主应力垂直主应力 Z Z Z Z水平主地应力水平主地应力水平主地应力水平主地应力 H H H H、h h h h第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 3 3、地应力一般是不均匀的，地层破裂压力由三个主地应力控、地应力一般是不均匀的，地层破裂压力由三个主地应力控、地应力一般是不均匀的，地层破裂压力由三个主地应力控、地应力一般是不均匀的，地层破裂压力由三个主地应力控制，垂直主应力制，垂直主应力制，垂直主应力制，垂直主应力 Z Z由上覆地层压力由上覆地层压力由上覆地层压力由上覆地层压力P P0 0确定；水平主地应力确定；水平主地应力确定；水平主地应力确定；水平主地应力 HH、h h由两部分组成，一部分来自上覆地层压力由两部分组成，一部分来自上覆地层压力由两部分组成，一部分来自上覆地层压力由两部分组成，一部分来自上覆地层压力P P0 0，其大小是岩石其大小是岩石其大小是岩石其大小是岩石泊松比的函数，另一部分是地质构造应力。泊松比的函数，另一部分是地质构造应力。泊松比的函数，另一部分是地质构造应力。泊松比的函数，另一部分是地质构造应力。最大最小水平主应力：最大最小水平主应力：最大最小水平主应力：最大最小水平主应力：垂直主应力：垂直主应力：垂直主应力：垂直主应力：Z ZP P0 0A、B为构造应力场影响系数为构造应力场影响系数、井眼应力状态及井壁应力方程井眼应力状态及井壁应力方程井眼应力状态及井壁应力方程井眼应力状态及井壁应力方程 认为地层是连续均质、各向同性和线弹性的，则根据线认为地层是连续均质、各向同性和线弹性的，则根据线弹性力学理论则可求得井眼围岩应力分布与井壁应力方程弹性力学理论则可求得井眼围岩应力分布与井壁应力方程。l l井眼围岩井眼围岩井眼围岩井眼围岩 应力分布应力分布应力分布应力分布l l井壁应力方程井壁应力方程井壁应力方程井壁应力方程 第二第二第二第二节节地地地地层层破裂破裂破裂破裂压压力力力力预测预测方法方法方法方法第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 为0和180时首先达到破坏状态。5 5 5 5、地层破裂压力的计算模型地层破裂压力的计算模型地层破裂压力的计算模型地层破裂压力的计算模型作用在岩石骨架上的有效切向应力作用在岩石骨架上的有效切向应力作用在岩石骨架上的有效切向应力作用在岩石骨架上的有效切向应力：根据地层破裂条件，地层破裂压力根据地层破裂条件，地层破裂压力根据地层破裂条件，地层破裂压力根据地层破裂条件，地层破裂压力P P P PF F F F：第二第二第二第二节节地地地地层层破裂破裂破裂破裂压压力力力力预测预测方法方法方法方法第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设计 由上覆地层压力由上覆地层压力由上覆地层压力由上覆地层压力P P0 0和构造应力确定出水平方向上有效最和构造应力确定出水平方向上有效最和构造应力确定出水平方向上有效最和构造应力确定出水平方向上有效最大和最小主地应力后，代入上式即得地层破裂压力计算式大和最小主地应力后，代入上式即得地层破裂压力计算式大和最小主地应力后，代入上式即得地层破裂压力计算式大和最小主地应力后，代入上式即得地层破裂压力计算式：令令令令K=A-3BK=A-3B 第二第二第二第二节节地地地地层层破裂破裂破裂破裂压压力力力力预测预测方法方法方法方法第一章第一章第一章第一章 井身结构设计井身结构设计井身结构设计井身结构设