【文章內(nèi)容簡介】 例 5 某井套管鞋井深 2022米，破裂壓力試驗時所用泥漿密度為 ，套壓為 18MPa時地層破裂。求地層破裂壓力當(dāng)量密度？ 解： = =六、地層坍塌壓力 地層坍塌壓力是指井眼形成后井壁周圍的巖石應(yīng)力集中，當(dāng)井壁圍巖所受的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的差達(dá)到一定數(shù)值后，將形成剪切破壞，造成井眼坍塌，此時的鉆井液液柱壓力即為地層坍塌壓力。其計算公式如下： ? ? ? ?? ????????????22 123KKaPKB PPHP式中： BP—為地層坍塌壓力， MPa； σH、 σp—為水平最大、最小主應(yīng)力， MPa； K=tan1(π/4－ Ф/2), Ф為內(nèi)摩擦角，一般取 π/6； τ—巖石粘聚力， MPa； a—Biot彈性系數(shù)，無量綱； Pp—地層的孔隙壓力， MPa。 η—應(yīng)力非線性修正系數(shù)，無量綱。 對于塑性地層，巖石的剪切破壞表現(xiàn)為井眼縮徑；對于硬脆性地層，巖石的剪切破壞表現(xiàn)為井壁坍塌、井徑擴大。因此，井徑的變化體現(xiàn)了井壁坍塌壓力的大小，從而可以確定出地層的坍塌壓力。 地層坍塌壓力的大小與巖石本身特性及其所處的應(yīng)力狀態(tài)等因素有關(guān)。鉆井過程中，采用物理支撐的原理，配制合理的鉆井液密度以平衡地層坍塌壓力，防止地層失穩(wěn)。 七、地層漏失壓力 地層漏失壓力是指某一深度的地層產(chǎn)生鉆井液漏失時的壓力。 對于正常壓力的高滲透性砂巖、裂縫性地層以及斷層破碎帶、不整合面等處，往往地層漏失壓力比破裂壓力小得多，而且對鉆井安全作業(yè)危害很大。 地層漏失壓力的檢測方法請見第三章。 圖 25 井內(nèi)循環(huán)壓力損失 返回 在鉆井過程中，鉆井液沿環(huán)空向上流動時所產(chǎn)生的壓力損失稱為環(huán)空壓耗。在鉆井泵克服這個流動阻力推動鉆井液向上流動時，井壁和井底也承受了該流動阻力，因此，井底壓力增加。當(dāng)停泵鉆井液停止循環(huán)時，流動阻力消失，井底壓力又恢復(fù)為靜液壓力。鉆井液在環(huán)空中上返速度越大、井越深、井眼越不規(guī)則、環(huán)空間隙越小，且鉆井液密度、切力越高，則環(huán)空流動阻力越大；反之，則環(huán)空流動阻力越小。 九、激動壓力和抽汲壓力 抽汲壓力 抽汲壓力發(fā)生在井內(nèi)提鉆時，由于鉆柱上提，會引起鉆井液向下流動，以填充鉆柱下端因上升而空出來的井眼空間。這部分鉆井液流動時受到流動阻力的影響，使得井內(nèi)鉆井液不能及時充滿這部分井眼空間，這樣，在鉆頭下方形成一抽汲空間，其結(jié)果是降低了有效的井底壓力。 激動壓力 激動壓力產(chǎn)生于下鉆和下套管時，因為鉆柱下行，擠壓其下方的鉆井液，使其產(chǎn)生向上的流動。由于鉆井液向上流動時要克服流動阻力的影響，結(jié)果導(dǎo)致井壁與井底也承受了該流動阻力，使得井底壓力增加。 影響因素 激動壓力和抽汲壓力主要受以下因素影響： 1）管柱結(jié)構(gòu)、尺寸以及管柱在井內(nèi)的實際長度； 2）井身結(jié)構(gòu)與井眼直徑； 3）起下鉆速度； 4）鉆井液密度、粘度、靜切力； 5）鉆頭或扶正器泥包程度。 因此，在起下鉆和下套管時，要控制起下速度，不要過快，在鉆開高壓油氣層和鉆井液性能不好時，更應(yīng)注意。 十、井底壓力 在鉆井作業(yè)中，始終有壓力作用于井底，主要來自于鉆井液的靜液壓力。同時，將鉆井液沿環(huán)空向上泵送時所消耗的泵壓也作用于井底，即循環(huán)鉆井液時的環(huán)空壓耗。其它還有侵入井內(nèi)的地層流體的壓力、激動壓力、抽汲壓力、地面回壓等。 井底壓力就是指地面和井內(nèi)各種壓力作用在井底的總壓力。 在不同作業(yè)情況下，井底壓力是不一樣的。 靜止?fàn)顟B(tài)，井底壓力 =靜液壓力 靜止?fàn)顟B(tài)下，井底壓力主要由鉆井液的靜液壓力構(gòu)成，鉆井液的靜液壓力主要受鉆井液密度和井內(nèi)液柱高度的影響。油氣活躍的井，要注意井內(nèi)流體長期靜止時，地層中氣體的擴散效應(yīng)對井內(nèi)流體密度影響，最終有可能影響井底壓力。另外，靜止?fàn)顟B(tài)下，要監(jiān)測井口液面，防止液柱高度下降影響井底壓力。 正常循環(huán)時，井底壓力 =靜液壓力＋環(huán)空壓耗 井內(nèi)流體循環(huán)時，環(huán)空壓耗會使井底壓力增加，過大的循環(huán)壓耗可能漏失；一旦停止循環(huán)，循環(huán)壓耗突然消失會使井底壓力下降，同樣影響井內(nèi)的壓力平衡。 節(jié)流循環(huán)時，井底壓力 =靜液壓力＋環(huán)空壓力損失＋節(jié)流閥回壓 節(jié)流循環(huán)除氣或壓井循環(huán)時，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的不同開關(guān)程度，形成一定的井口回壓，保持井底壓力平衡地層壓力。 提鉆時，井底壓力 =靜液壓力－抽汲壓力 由于抽汲壓力的影響，提鉆時的井底壓力會下降，導(dǎo)致很多井在正常鉆進(jìn)時井底壓力能夠平衡地層壓力，而提鉆時發(fā)生溢流。因此，提鉆時要事先判斷并注意減小抽汲壓力的影響。 下鉆時，井底壓力 =靜液壓力＋激動壓力 由于激動壓力的產(chǎn)生，使得下鉆時的井底壓力增大，雖不至于直接引發(fā)井控問題，但過大的激動壓力可能導(dǎo)致漏失，致使靜液壓力下降，從而引發(fā)井控問題。所以，下鉆時同樣要做好井控工作。 關(guān)井時，井底壓力 =靜液壓力＋地面回壓 發(fā)生溢流后需及時關(guān)井，形成足夠的地面回壓，使井底壓力重新能夠重新平衡地層壓力。地面回壓作用于井口設(shè)備和整個井筒，因此要求井口設(shè)備具有足夠的承壓能力和密封性，地面回壓過高會破壞井筒的完好性，所以關(guān)井地面回壓并不是越大越好。 十一、安全附加值 在近平衡壓力鉆進(jìn)中，鉆井液密度的確定，以地層壓力為基準(zhǔn)，再增加一個安全附加值，以保證作業(yè)安全。因為在起鉆時，由于抽汲壓力的影響會使井底壓力降低，而降低上提鉆柱的速度等措施只能減小抽汲壓力，但不能消除抽汲壓力。因此，需要給鉆井液密度附加一安全值來抵消抽汲壓力等因素對井底壓力的影響。附加方式主要有兩種： 一是按密度附加，其安全附加值為： 油水井： ～ ： ～ 二是按壓力附加，其安全附加值為： 油水井： ～ 氣井： ～ 具體選擇安全附加值時，應(yīng)根據(jù)實際情況綜合考慮地層壓力預(yù)測精度、地層的埋藏深度、地層流體中硫化氫的含量、地應(yīng)力和地層破裂壓力、井控裝置配套情況等因素，在規(guī)定范圍內(nèi)合理選擇。 十二、壓差 井底壓力與地層壓力之差稱為壓差。 按此方法可將井眼壓力狀況分為過平衡、欠平衡和平衡三種情況。過平衡（又稱正壓差），是指井底壓力大于地層壓力；欠平衡（又稱負(fù)壓差），是指井底壓力小于地層壓力；平衡，是井底壓力等于地層壓力的情況。通常所說的近平衡壓力鉆井是指壓差值在規(guī)定范圍內(nèi)的過平衡壓力鉆井。 鉆井液對油氣層的傷害，不能單純以鉆井液密度的高低來衡量，而應(yīng)以壓差的大小和鉆井液濾液的化學(xué)成分是否與油氣層匹配來鑒別。 復(fù)習(xí)思考題 已知某井鉆至井深 3000米處，所用鉆井液密度為，求井底處的靜液壓力。 已知井深 1000米處的地層壓力為 12MPa，試用地層壓力的另外三種表示方法描述該地層壓力的大小。 地層壓力、地層破裂壓力的定義。 激動壓力、抽汲壓力的影響因素有哪些？ 鉆井液密度確定為何要考慮安全附加值？其附加方式和數(shù)值有哪些要求？ 在鉆進(jìn)、起鉆、下鉆、靜止等幾種常見的工況中，井底壓力最小的工況是哪一種？在該工況下該如何做好井控工作 ？ 二、異常地層壓力的形成機理 在地層的某些地區(qū)，地層壓力因地質(zhì)方面的原因而增高，在含油氣的地下圈閉或構(gòu)造中，也存在著相同的情況。一般形成異常高壓地層應(yīng)具備以下條件： （ 1）有相應(yīng)的地層流體儲存空間； （ 2）有低滲透或不滲透的圈閉層； （ 3）有相應(yīng)的上覆巖層壓力。 圈閉層的作用是阻隔地層流體與外界連通，使流體能量得不到釋放而保持高的壓力狀態(tài)。垂直方向上圈閉層指大段的致密頁巖、鹽巖、硬石膏、石膏、白云巖等地層；水平方向的圈閉限制則常見有斷層、折皺、鹽丘、尖滅等地質(zhì)構(gòu)造。異常高壓的成因是多方面的，主要有以下幾種： 隨著埋藏深度的增加和溫度的增加，孔隙水膨脹，而孔隙空間隨地靜載荷的增加而縮小。因此，只有足夠的滲透通道才能使地層水迅速排出，保持正常的地層壓力（靜液壓力）。如果沉積速度過快，沉積速度大于孔隙中流體的排除速度，有部分流體來不及排除被圈閉起來，阻礙了巖石的正常壓實，在沉積層內(nèi)出現(xiàn)欠壓實。同時，被圈閉的流體，還要承受部分上覆巖層的重量，使孔隙中流體受壓增加，從而形成異常高壓。 壓實作用 返回 構(gòu)造運動是地層自身的運動。它引起各地層之間相對位置的變化。由于構(gòu)造運動，圈閉有地層流體的地層被斷層、橫向滑動、褶皺或侵入所擠壓。促使其體積變小，如果此流體無出路，則意味著同樣多的流體要占據(jù)較小的體積。因此 ,壓力變高。如圖所示。 構(gòu)造運動 繼續(xù) 斷層形成的異常高壓 成巖指巖石礦物在地質(zhì)作用下的化學(xué)變化。頁巖和灰?guī)r經(jīng)受結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化，可以產(chǎn)生異常高的壓力。在大段泥巖沉積中，夾有砂巖透鏡體時，在壓實作用下泥巖中的流體進(jìn)入砂巖而形成異常高壓。如圖所示。 粘土成巖作用 繼續(xù) 返回 當(dāng)存在于非水平構(gòu)造中的孔隙流體的密度，比本地區(qū)正?？紫读黧w密度小時 ,則在構(gòu)造斜上部，可能會形成異常高壓。 密度差的作用 如圖所示，設(shè) 4000米處為正常壓力，水的密度 /cm3,氣的密度為 /cm3,則 4000米處的壓力。 P4000=? ?4000 =40MPa 則 3000米處的壓力 p3000= （ 40003000) = 3000米處的正常地層壓力 P3000= 3000=30MPa 例 返回 從深層油藏向上部較淺層運動的流體可以導(dǎo)致淺層變成異常壓力層。這種情況叫做淺層充壓。 如圖 流體運移作用 返回 井控技術(shù) 水熱增壓作用 密閉容器中的液體，其壓力會隨著溫度的聲高而增大。研究表明，密閉容器中的水，溫度每升高 1℃ ，壓力將升高大約。在一個孔隙流體能正常排出的壓實平衡的地層，可視為一個“開啟”系統(tǒng)，地溫的增加，不會導(dǎo)致孔隙中流體壓力的升高。但如果地層是一個封閉系統(tǒng)，地溫的增加將產(chǎn)生異常高壓。水熱增壓作用的大小取決于地溫梯度。沉積層系中，地溫梯度介于 ～ ℃ /30m范圍內(nèi)，這樣對絕對“封閉”地層，由于水熱增壓作用而產(chǎn)生的壓力梯度可以達(dá)到 ～ ，這個值要比純上覆地層負(fù)荷而引起壓力梯度 多。 ，這個值要比純上覆地層負(fù)荷而引起壓力梯度 。 鹽丘與鹽層 鹽巖有兩個特點（ 1）不滲透；（ 2）易溶解并以不同形狀再結(jié)晶。因此，在鹽丘下面，往往被隔成高壓。如果是鹽丘，則它向周圍地層施加壓力，同構(gòu)造運動一樣，促使鹽丘附近地層變?yōu)楫惓８邏骸? 鹽丘體侵入形成的異常高壓 此外，還有一些引起異常高壓的其它成因。異常高壓地層也往往是幾種因素交織在一起而形成的，但壓實作用是引起異常高壓最根本、最主要的機理。 三、檢測地層壓力的方法 檢測異常地層壓力直接關(guān)系到鉆井作業(yè)的成敗。為了實現(xiàn)鉆井的安全、優(yōu)質(zhì)、高速、低耗，必須有一個科學(xué)、針對性強、可操作的地質(zhì)工程設(shè)計。設(shè)計的制定，需要對所鉆井鉆遇到地層的壓力進(jìn)行預(yù)報。多年來國內(nèi)外對此做了大量的研究工作，形成了各種檢測預(yù)報異常高壓的技術(shù)，見到了明顯的效益，既提高了鉆井速度，世界范圍內(nèi)井噴事故也大為減少。根據(jù)鉆井工作的不同階段，檢測預(yù)報異常高壓的方法可分為鉆前分析、預(yù)測法；鉆進(jìn)期間的檢測；鉆后的測試與分析。 在本書中我們將主要介紹與鉆井工藝密切相關(guān)而又實用的幾種方法。 鉆井前采用地震資料預(yù)測地層壓力 地震資料中，地震波每米傳播時間可用來預(yù)測地層壓力。在正常壓力地層，隨著巖石埋藏深度的增加，上覆巖層壓力逐漸增加，地層孔隙度逐漸減小，這就使地震波的傳播速度隨巖石埋藏深度的增加而成正比的增加，而傳播時間隨之減小。當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)高壓油氣層時，由于高壓油氣的存在，地震波在流體中的傳播速度低于在巖石固體骨架中的傳播速度，另外，由于異常高壓地層孔隙度大，這些因素都會導(dǎo)致地震波傳播的