【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ， g/cm3。 例 5 某井套管鞋井深 2022米，破裂壓力試驗(yàn)時(shí)所用泥漿密度為 ，套壓為 18MPa時(shí)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?chē)膸r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(shí)的鉆井液液柱壓力即為地層坍塌壓力。其計(jì)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(wú)量綱； Pp—地層的孔隙壓力， MPa。 η—應(yīng)力非線(xiàn)性修正系數(shù)，無(wú)量綱。 對(duì)于塑性地層，巖石的剪切破壞表現(xiàn)為井眼縮徑；對(duì)于硬脆性地層，巖石的剪切破壞表現(xiàn)為井壁坍塌、井徑擴(kuò)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(guò)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(shí)的壓力。 對(duì)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(duì)鉆井安全作業(yè)危害很大。 地層漏失壓力的檢測(cè)方法請(qǐng)見(jiàn)第三章。 圖 25 井內(nèi)循環(huán)壓力損失 返回 在鉆井過(guò)程中，鉆井液沿環(huán)空向上流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的壓力損失稱(chēng)為環(huán)空壓耗。在鉆井泵克服這個(gè)流動(dòng)阻力推動(dòng)鉆井液向上流動(dòng)時(shí)，井壁和井底也承受了該流動(dòng)阻力，因此，井底壓力增加。當(dāng)停泵鉆井液停止循環(huán)時(shí)，流動(dòng)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(dòng)阻力越大；反之，則環(huán)空流動(dòng)阻力越小。 九、激動(dòng)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(shí)，由于鉆柱上提，會(huì)引起鉆井液向下流動(dòng)，以填充鉆柱下端因上升而空出來(lái)的井眼空間。這部分鉆井液流動(dòng)時(shí)受到流動(dòng)阻力的影響，使得井內(nèi)鉆井液不能及時(shí)充滿(mǎn)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(dòng)壓力 激動(dòng)壓力產(chǎn)生于下鉆和下套管時(shí)，因?yàn)殂@柱下行，擠壓其下方的鉆井液，使其產(chǎn)生向上的流動(dòng)。由于鉆井液向上流動(dòng)時(shí)要克服流動(dòng)阻力的影響，結(jié)果導(dǎo)致井壁與井底也承受了該流動(dòng)阻力，使得井底壓力增加。 影響因素 激動(dòng)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(shí)際長(zhǎng)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(shí)，要控制起下速度，不要過(guò)快，在鉆開(kāi)高壓油氣層和鉆井液性能不好時(shí)，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(lái)自于鉆井液的靜液壓力。同時(shí)，將鉆井液沿環(huán)空向上泵送時(shí)所消耗的泵壓也作用于井底，即循環(huán)鉆井液時(shí)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(dòng)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(zhǎng)期靜止時(shí)，地層中氣體的擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)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(cè)井口液面，防止液柱高度下降影響井底壓力。 正常循環(huán)時(shí)，井底壓力 =靜液壓力＋環(huán)空壓耗 井內(nèi)流體循環(huán)時(shí)，環(huán)空壓耗會(huì)使井底壓力增加，過(guò)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(huì)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(shí)，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(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的不同開(kāi)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(shí)，井底壓力 =靜液壓力－抽汲壓力 由于抽汲壓力的影響，提鉆時(shí)的井底壓力會(huì)下降，導(dǎo)致很多井在正常鉆進(jìn)時(shí)井底壓力能夠平衡地層壓力，而提鉆時(shí)發(fā)生溢流。因此，提鉆時(shí)要事先判斷并注意減小抽汲壓力的影響。 下鉆時(shí)，井底壓力 =靜液壓力＋激動(dòng)壓力 由于激動(dòng)壓力的產(chǎn)生，使得下鉆時(shí)的井底壓力增大，雖不至于直接引發(fā)井控問(wèn)題，但過(guò)大的激動(dòng)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(wèn)題。所以，下鉆時(shí)同樣要做好井控工作。 關(guān)井時(shí)，井底壓力 =靜液壓力＋地面回壓 發(fā)生溢流后需及時(shí)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(gè)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(guò)高會(huì)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(gè)安全附加值，以保證作業(yè)安全。因?yàn)樵谄疸@時(shí)，由于抽汲壓力的影響會(huì)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(lái)抵消抽汲壓力等因素對(duì)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(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮地層壓力預(yù)測(cè)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(chēng)為壓差。 按此方法可將井眼壓力狀況分為過(guò)平衡、欠平衡和平衡三種情況。過(guò)平衡（又稱(chēng)正壓差），是指井底壓力大于地層壓力；欠平衡（又稱(chēng)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(shuō)的近平衡壓力鉆井是指壓差值在規(guī)定范圍內(nèi)的過(guò)平衡壓力鉆井。 鉆井液對(duì)油氣層的傷害，不能單純以鉆井液密度的高低來(lái)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(lái)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(dòng)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(jiàn)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(jī)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(chǔ)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(yè)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(jiàn)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(guò)快，沉積速度大于孔隙中流體的排除速度，有部分流體來(lái)不及排除被圈閉起來(lái)，阻礙了巖石的正常壓實(shí)，在沉積層內(nèi)出現(xiàn)欠壓實(shí)。同時(shí)，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(shí)作用 返回 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是地層自身的運(yùn)動(dòng)。它引起各地層之間相對(duì)位置的變化。由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，圈閉有地層流體的地層被斷層、橫向滑動(dòng)、褶皺或侵入所擠壓。促使其體積變小，如果此流體無(wú)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(yùn)動(dòng) 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(yè)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(shí)，在壓實(shí)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(shí) ,則在構(gòu)造斜上部，可能會(huì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)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(huì)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(gè)孔隙流體能正常排出的壓實(shí)平衡的地層，可視為一個(gè)“開(kāi)啟”系統(tǒng)，地溫的增加，不會(huì)導(dǎo)致孔隙中流體壓力的升高。但如果地層是一個(gè)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(duì)絕對(duì)“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(gè)值要比純上覆地層負(fù)荷而引起壓力梯度 多。 ，這個(gè)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(gè)特點(diǎn)（ 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?chē)貙邮┘訅毫?，同?gòu)造運(yùn)動(dòng)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(shí)作用是引起異常高壓最根本、最主要的機(jī)理。 三、檢測(cè)地層壓力的方法 檢測(cè)異常地層壓力直接關(guān)系到鉆井作業(yè)的成敗。為了實(shí)現(xiàn)鉆井的安全、優(yōu)質(zhì)、高速、低耗，必須有一個(gè)科學(xué)、針對(duì)性強(qiáng)、可操作的地質(zhì)工程設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的制定，需要對(duì)所鉆井鉆遇到地層的壓力進(jìn)行預(yù)報(bào)。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)此做了大量的研究工作，形成了各種檢測(cè)預(yù)報(bào)異常高壓的技術(shù)，見(jiàn)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(cè)預(yù)報(bào)異常高壓的方法可分為鉆前分析、預(yù)測(cè)法；鉆進(jìn)期間的檢測(cè)；鉆后的測(cè)試與分析。 在本書(shū)中我們將主要介紹與鉆井工藝密切相關(guān)而又實(shí)用的幾種方法。 鉆井前采用地震資料預(yù)測(cè)地層壓力 地震資料中，地震波每米傳播時(shí)間可用來(lái)預(yù)測(cè)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(shí)間隨之減小。當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)高壓油氣層時(shí)，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