第一章钻井工程地质条件_压力(3学时).pptx

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1、 第一章第一章 钻井的工程地质条件钻井的工程地质条件 第一节第一节 地下压力特性地下压力特性 第二节第二节 岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质1 第一节第一节 地下压力特性地下压力特性一、地下各种压力一、地下各种压力二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法三、地层破裂压力三、地层破裂压力2一、地下各种压力一、地下各种压力地层（地层（Formation）=岩石骨架（岩石骨架（Matrix）+流体（流体（Liquid） 地下压力可分为两类：地下压力可分为两类：地层孔隙内流体承受的压力地层（孔隙）压力，分为正常和异常地层压力岩石骨架承受的压力 有效地应力，分为垂直和水平有效地应

2、力 地下压力有两个来源：地下压力有两个来源：地层重力+地质构造应力地应力=有效地应力+地层压力，分为垂直和水平地应力3一、地下各种压力一、地下各种压力（一）（一） 地层压力（地层压力（formation pressures）1. 静水压力静水压力（hydrostatic pressure）正常地层压力正常地层压力=静水压力静水压力lhh00981.0p00981. 0Ghhp 静水压力，静水压力，MPa; 地层水密度，地层水密度， 淡水：淡水：1.0g/cm3 盐水：盐水：1.05g/cm3； 液柱的液柱的垂直垂直高度，高度，m。lh 静液压力梯度静液压力梯度 ，MPa/m； hGhl4一、地

3、下各种压力一、地下各种压力（一）（一） 地层压力（地层压力（formation pressures）2. 异常地层压力异常地层压力（abnormal pressure）异常低压异常低压 小于静水压力的地层压力小于静水压力的地层压力异常高压异常高压大于静水压力的地层压力大于静水压力的地层压力p 地层压力当量密度：地层压力当量密度：Dppp00981.0为地层压力当量密度地层压力当量密度，g/cm3称称 地层压力梯度：地层压力梯度：ppG00981.05一、地下各种压力一、地下各种压力xyzPxPyPoP Pz z 垂直地应力（上覆岩层压力）垂直地应力（上覆岩层压力）Px， Py 水平地应力水平地

4、应力6面积流体重力基岩重力 po 上覆压力梯度：上覆压力梯度：D/pGoo)1(00981.0maoDpioioDp00981.0DoodDDp0)(00981.0 如基东高尚堡构造：如基东高尚堡构造：DoeD410575.00.2)(一、地下各种压力一、地下各种压力1. 上覆岩层压力或垂直地应力（上覆岩层压力或垂直地应力（Overburden pressure） （二）（二） 地应力（地应力（ in-situ stress ）7一、地下各种压力一、地下各种压力（二）地应力（二）地应力（ in-situ stress ）2. 基岩应力（基岩应力（matrix stress）施加在岩石骨架颗粒上

5、的那部分上覆岩层压力施加在岩石骨架颗粒上的那部分上覆岩层压力, 又称为又称为有效垂直地应力。有效垂直地应力。pozpp 3. 水平地应力水平地应力 由上覆岩层的侧压效应和地质构造力的由上覆岩层的侧压效应和地质构造力的作用引起的。作用引起的。 pppzypzxpp)1()1(8（1 1）上覆岩层压力梯度一般随深度增加而增大。）上覆岩层压力梯度一般随深度增加而增大。（2 2）沉积岩的平均密度大约为）沉积岩的平均密度大约为2.52.5克克/ /厘厘3 3，平均上覆岩层压力梯度一般，平均上覆岩层压力梯度一般 为为0.02270.0227兆帕兆帕/ /米。米。（3 3）在石油钻井中，以钻台（方补心）作为

6、各种压力的计算基准面。）在石油钻井中，以钻台（方补心）作为各种压力的计算基准面。一、地下各种压力一、地下各种压力 注意注意9 第一节第一节 地下压力特性地下压力特性一、地下各种压力一、地下各种压力二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法三、地层破裂压力三、地层破裂压力10二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法abnormal pressure（一）形成异常高压的地质条件（一）形成异常高压的地质条件 地层具有保存流体的孔隙地层具有保存流体的孔隙; 地层周围存在不渗透围栅，构成圈闭；地层周围存在不渗透围栅，构成圈闭； 具有一定的埋藏深度，形成足够大的上覆岩

7、层压力。具有一定的埋藏深度，形成足够大的上覆岩层压力。可能形成异常高压的地层：可能形成异常高压的地层： 砂岩层砂岩层 裂缝和溶洞发育的碳酸盐层裂缝和溶洞发育的碳酸盐层111. 地层沉积过程中的欠压实作用地层沉积过程中的欠压实作用二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法 在地层沉积过程中，由于快速沉积，地层孔隙中的流体来不及排出；在地层沉积过程中，由于快速沉积，地层孔隙中的流体来不及排出；或者由于在侧向和垂向上说到不渗透层或低深层的封闭，地层流体不能或者由于在侧向和垂向上说到不渗透层或低深层的封闭，地层流体不能从孔隙中正常排出，从而使部分上覆岩层压力作用在孔隙中的流体上而从孔

8、隙中正常排出，从而使部分上覆岩层压力作用在孔隙中的流体上而形成异常高压，这种作用称为欠压实。形成异常高压，这种作用称为欠压实。 欠压实地层的特点：岩层密度减小，孔隙度增大。欠压实地层的特点：岩层密度减小，孔隙度增大。（二）异常高压形成的原因（二）异常高压形成的原因12 由地质构造运动，如地壳的升降、断层、盐丘侵入等，引起的异常高压。由地质构造运动，如地壳的升降、断层、盐丘侵入等，引起的异常高压。高供水区型异常高压地层断裂和剥蚀形成异常高压2. 地质构造作用地质构造作用二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法（二）异常高压形成的原因（二）异常高压形成的原因13二、异常高压的成

9、因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法（二）异常高压形成的原因（二）异常高压形成的原因盐丘型异常高压断层作用形成异常高压2. 地质构造作用地质构造作用143. 其它成因其它成因（1）水热增压：密闭容器中，水温升高）水热增压：密闭容器中，水温升高0.55，压力升高，压力升高0.86MPa。（2）注入作用）注入作用（3）蒙脱石转化为伊利石的脱水作用）蒙脱石转化为伊利石的脱水作用（4）泥页岩半透膜的渗析作用）泥页岩半透膜的渗析作用二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法（二）异常高压形成的原因（二）异常高压形成的原因15二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评

10、价方法（三）异常高压地层的钻前预测方法（三）异常高压地层的钻前预测方法l 地震资料法地震资料法l 声波测井资料法声波测井资料法cDaet 在正常压力层段，声波时差随埋藏深度增加逐渐在正常压力层段，声波时差随埋藏深度增加逐渐减小。在半对数坐标中，声波时差随井深呈直线变减小。在半对数坐标中，声波时差随井深呈直线变化关系，称之为正常趋势线。化关系，称之为正常趋势线。 进入异常高压地层时，声波时差偏离正常压力进入异常高压地层时，声波时差偏离正常压力趋势线而增大。据此可预测异常高压，并可根据趋势线而增大。据此可预测异常高压，并可根据偏离程度的大小定量计算地层压力。偏离程度的大小定量计算地层压力。1. 声

11、波法原理声波法原理cDtlnln16二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法2. 地层压力的计算地层压力的计算ntt当量密度g/cm31.01.11.21.31.41.51.61.7020406080100120（1）经验图板法）经验图板法（三）异常高压地层的钻前预测方法（三）异常高压地层的钻前预测方法17二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法2. 地层压力的计算地层压力的计算（2）等效深度（当量深度）法）等效深度（当量深度）法ctDeD)()()()()()()()()()()()()()(eheoopeheoe1po1e11eccDpDpDpDpD

12、pDpDDpDpDDDDtDt（三）异常高压地层的钻前预测方法（三）异常高压地层的钻前预测方法18 收集声波时差测井资料，读取泥页岩点的声波时差数据；收集声波时差测井资料，读取泥页岩点的声波时差数据； 绘制散点图，引出正常压力趋势线绘制散点图，引出正常压力趋势线: t=ae-cD 读出异常高压层段的实际读出异常高压层段的实际t和该深度和该深度D所对应的正常趋势线上所对应的正常趋势线上 的声波时差的声波时差tn，计算，计算t- tn； 从经验图版上读出从经验图版上读出t- tn所对应的当量密度所对应的当量密度p；或采用等效深；或采用等效深度法计算地层压力。度法计算地层压力。二、异常高压的成因及其

13、评价方法二、异常高压的成因及其评价方法3. 一般步骤一般步骤（三）异常高压地层的钻前预测方法（三）异常高压地层的钻前预测方法19二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法（四）异常高压地层的随钻监测方法（四）异常高压地层的随钻监测方法u 页岩密度法页岩密度法高压地层欠压实，泥页岩密度偏小。高压地层欠压实，泥页岩密度偏小。u 机械钻速法机械钻速法机械钻速与地层压实程度有关。机械钻速与地层压实程度有关。u dc指数法指数法 机械钻速的一种标准化形式。机械钻速的一种标准化形式。20宾汉钻速模型（宾汉钻速模型（Bingham,1964)： VpcKne(W/db)d)/log()/l

14、og(dVbpcWnd d指数（泥页岩层）：指数（泥页岩层）：dVbpcWnd0684.0log0547.0log采用常用工程单位：采用常用工程单位：dc指数（指数（修正钻井液密度的影响）：修正钻井液密度的影响）：dncdd二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法1. dc 指数的概念指数的概念（四）异常高压地层的随钻监测方法（四）异常高压地层的随钻监测方法21 在正常压力层段，在正常压力层段，dc指数随井深指数随井深增加而增大。在半对数坐标中，增加而增大。在半对数坐标中，dc指数与井深呈线性关系，称之为正指数与井深呈线性关系，称之为正常压力趋势线。常压力趋势线。 bDca

15、ed 当钻遇异常高压层，由于地层欠压当钻遇异常高压层，由于地层欠压实，机械钻速增大，实，机械钻速增大，dc指数则相对减指数则相对减小，偏离正常趋势线。根据偏离程度小，偏离正常趋势线。根据偏离程度可计算出地层压力。可计算出地层压力。二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法（四）异常高压地层的随钻监测方法（四）异常高压地层的随钻监测方法223. 地层压力的计算地层压力的计算 经验图版法、当量（等效）深度法、经验图版法、当量（等效）深度法、经验公式法经验公式法ccnnpddbDcaed 二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法4. 一般步骤：一般步骤： 1 1

16、）收集泥页岩地层的正常压力和异常压力层段的钻井资料：钻速、钻压、）收集泥页岩地层的正常压力和异常压力层段的钻井资料：钻速、钻压、 转速、钻头直径、地层水密度、实际钻井液密度；转速、钻头直径、地层水密度、实际钻井液密度；2 2）计算）计算dcdc指数；指数；3 3）在半对数坐标中绘制散点图，引出正常压力趋势线；）在半对数坐标中绘制散点图，引出正常压力趋势线；4 4）计算地层压力。）计算地层压力。 （四）异常高压地层的随钻监测方法（四）异常高压地层的随钻监测方法dncdd23 1 1）dc指数法预测地层压力的误差较大，为什么？指数法预测地层压力的误差较大，为什么？ 2 2）声波法和）声波法和dcd

17、c指数法是否适合碳酸盐地层？如何指数法是否适合碳酸盐地层？如何 评价碳酸盐地层的地层压力？评价碳酸盐地层的地层压力？二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法24 第一节第一节 地下压力特性地下压力特性一、地下各种压力一、地下各种压力二、异常高压的成因及其评价方法二、异常高压的成因及其评价方法三、地层破裂压力三、地层破裂压力251.1.地层破裂压力（地层破裂压力（fracture pressurefracture pressure） 使某深度处地层破裂时的井使某深度处地层破裂时的井眼内液体压力称为该地层的破眼内液体压力称为该地层的破裂压力。裂压力。三、地层破裂压力三、地层破裂

18、压力D10819pf3f .DfffG00981. 0称为地层破裂压力当量密度，g/cm326当当xypp+ xphxxyypppp裂缝张开方向裂缝张开方向ph三、地层破裂压力三、地层破裂压力2.2.地层破裂条件地层破裂条件27（1 1）Eaton(1969)Eaton(1969) 认为：认为： 水平均匀地应力状态，即：水平均匀地应力状态，即： z =y= x 井内液压必须克服地层孔隙压力和最小有效水平井内液压必须克服地层孔隙压力和最小有效水平 地应力时地层才能破裂。地应力时地层才能破裂。z1yx)(10ppfpppp三、地层破裂压力三、地层破裂压力3.3.地层破裂压力预测方法地层破裂压力预测

19、方法28tpOSSpfSppKpp)(12(式中：式中：KSS 由现场压裂实验数据求得；由现场压裂实验数据求得； St 岩石抗拉强度，由岩石抗拉强度，由 岩心抗拉试验求得。岩心抗拉试验求得。 （2）黄荣樽法）黄荣樽法（1985） 认为：认为： 井壁岩石处于三维不均匀应力状态，井壁岩石处于三维不均匀应力状态， x y z ； 水平地应力由上覆岩层压力和地质构造应力两部分产生；水平地应力由上覆岩层压力和地质构造应力两部分产生； 当井内液压力超过地层孔隙压力、最小水平地应力和岩当井内液压力超过地层孔隙压力、最小水平地应力和岩 石的抗拉强度，地层开裂。石的抗拉强度，地层开裂。三、地层破裂压力三、地层破

20、裂压力3.3.地层破裂压力预测方法地层破裂压力预测方法29DpLdf00981. 0Lp井口压力井口压力注入量注入量三、地层破裂压力三、地层破裂压力3.3.地层破裂压力实测方法地层破裂压力实测方法30综合练习题综合练习题 某井将套管下至某井将套管下至1000米固井后做漏失试验，测得漏失压力为米固井后做漏失试验，测得漏失压力为PL=5.9MPa，井内泥浆密度为，井内泥浆密度为1.15g/cm3。继续钻进至。继续钻进至2000米将米将钻遇油气层，预计油气层压力为钻遇油气层，预计油气层压力为35.0MPa。如果在保持井底静液。如果在保持井底静液压力与地层压力相互平衡的条件下钻穿油气层，能否导致井漏事压力与地层压力相互平衡的条件下钻穿油气层，能否导致井漏事故？故？31