鉆井工程地質(zhì)條件—壓力

1、第一節(jié) 地下壓力特性,一、地下各種壓力的概念（一）靜液壓力（hydrostatic pressure）靜液壓力——由液柱自身的重力所引起的壓力,其大小與液 體的密度與液柱的垂直高度或深度。 ph=0.00981ρhl (1―1) 式中：ph—壓力, MPa；ρ—密度,g/cm3；hl

2、 —液柱垂直高度，m。靜液壓力梯度——單位高度或單位深度的液柱壓力稱為靜液壓力梯度，表示靜液壓力隨高度或深度的變化。 Gh＝ ph / hl＝0.00981ρ兩類地層水： 淡水： Gh=0.00981 MPa/m；ρ=1.0 g/cm3 鹽水：Gh= 0.0105 MPa/m；ρ=1.05 g/cm3,（1-2）,（二）上覆巖層壓力（Overbu

3、rden pressur） 上覆巖層壓力——地層某處的上覆巖層壓力是該處以上地層（包括巖石基質(zhì)和巖石孔隙中流體）總重力所產(chǎn)生的壓力。 式中：p0 —上覆巖層壓力，MPa；D—地層垂直深度,m；φ—巖石孔隙度，%；ρma—巖石骨架密度，g/cm3；ρ—孔隙中流體密度，g/cm3；ρ0—地層密度， g/cm3。,第一節(jié) 地下壓力特性,(1-3

4、),(1-4),,,,(1-5),上覆巖層壓力梯度—— 上覆巖層壓力隨深度增加而增大。沉積巖的平均密度大約為2.5克/厘3，上覆巖層壓力梯度一般為0.0227兆帕/米。在實(shí)際鉆井過程中，以鉆臺(tái)作為上覆巖層壓力的基準(zhǔn)面。,第一節(jié) 地下壓力特性,（1-6）,（三）地層壓力（formation pressue）　地層壓力——指巖石孔隙中的流體所具有的壓力，也稱地層孔隙　　　　　　　　壓力（formation

5、pore pressue），用pp 表示。　正常地層壓力—— 等于靜液壓力，pp=ph。石鉆　異常地層壓力—— 地層壓力大于或小于正常地層壓力。。 超過正常地層壓力的地層壓力(pp>ph)稱為異常高壓。 低于正常地層靜液壓力的地層壓力(pp <ph)稱為異常低壓。,第一節(jié) 地下壓力特性,（四）基巖應(yīng)力（matrix stress） 上覆巖層壓力由巖石的基質(zhì)顆粒（骨架）和孔隙中的流體共同承擔(dān)。

6、由巖石顆粒間相互接觸支撐的那一部分上覆巖層壓力，稱為基巖應(yīng)力，亦稱有效上覆巖層壓力、骨架應(yīng)力或顆粒間壓力，用σ表示。 (1-7),第一節(jié) 地下壓力特性,,（五）地下各種壓力的關(guān)系,,第一節(jié) 地下壓力特性,上覆巖層壓力由巖石骨架和孔隙中的流體共同承擔(dān)，因此上覆巖層壓力、地層壓力和基巖

7、應(yīng)力之間存在以下關(guān)系： 當(dāng)po一定時(shí)，σ減小，pp增大， σ→0，pp → po。所以，地層的孔隙壓力增大，基巖應(yīng)力必然減小。,,（六）異常地層壓力的成因 異常低壓和異常高壓統(tǒng)稱為異常壓力（abnormal pressure）。 1． 異常低壓（abnormal low pressure）壓力梯度小于9.81kPa／m（即正常地層壓力梯度）的是異常低壓。產(chǎn)生異常低壓的原因

8、 （1） 生產(chǎn)多年而又沒有壓力補(bǔ)充的枯竭油氣層。 （2） 地下水位很低。,第一節(jié) 地下壓力特性,2．異常高壓（abnormal high pressure） 壓力梯度大于10.5千帕／米的是異常高壓。（1）形成異常高壓的地質(zhì)條件 ① 地層具有保存流體的空隙； ② 地層周圍存在不滲透圍柵，構(gòu)成圈閉； ③ 具有一定的埋藏深度，形成足夠大的上覆巖層壓力。（2）異常高壓的成

9、因在地層的沉積過程中，隨著上覆沉積物不斷增多，地層逐漸被壓實(shí)，孔隙度減小。如果地層是可滲透的、連通的，地層中流體的流動(dòng)不受限制（稱之為水力學(xué)開啟系統(tǒng)），地層孔隙中的流體則隨著地層的壓實(shí)被排擠出去，建立起靜液壓力條件。在地層被不滲透的圍柵包圍，流體被圈閉在地層的孔隙空間內(nèi)不能自由流通（稱之為水力學(xué)封閉系統(tǒng)）的條件下，隨著地層的不斷沉積，上覆巖層壓力逐漸增大，而圈閉在地層孔隙內(nèi)的流體排不出去，必然承受部分上覆巖層重力。結(jié)

10、果是地層流體壓力升高，地層得不到正常壓實(shí)，孔隙度相對(duì)增大，巖石密度相對(duì)減小，基巖應(yīng)力相對(duì)降低。這種作用稱為欠壓實(shí)作用。,第一節(jié) 地下壓力特性,第一節(jié) 地下壓力特性,正常地層壓力的形成,異常高壓的形成,其它原因：① 地質(zhì)構(gòu)造作用：造成地層上升、巨大地應(yīng)力的擠壓② 水熱增壓作用：溫度升高，流體體積膨脹③ 滲透作用：水由鹽濃度低的一側(cè)通過泥巖半透膜向高側(cè)滲透。異常高壓的大小異常高壓一般不會(huì)超過上覆巖層壓力。但

11、也有超過上覆巖層壓力的特高壓地層，由覆蓋在高壓層以上巖層的內(nèi)力幫助上覆巖層壓力來平衡地層流體的巨大向上作用力。,第一節(jié) 地下壓力特性,二、 地層壓力評(píng)價(jià)地層壓力預(yù)測(cè)（鉆前）：地震資料法、測(cè)井資料法地層壓力監(jiān)測(cè)（鉆進(jìn)中）：dc指數(shù)法、頁巖密度法、標(biāo)準(zhǔn)化鉆速法（一）地層壓力預(yù)測(cè)地震法、聲波時(shí)差法、頁巖電阻率法。1.聲波時(shí)差聲波（縱波）在單位距離地層內(nèi)的傳播時(shí)間稱為聲波時(shí)差。式中：Δt——聲波時(shí)差；

12、 ρ——巖層密度， ρ=f(φ)； E ——巖石的彈性模量； μ——巖石的泊松比。對(duì)于一定的巖性（泥頁巖）， Δt≈f(φ)。,第一節(jié) 地下壓力特性,（1-8）,2.基本原理（1）聲波時(shí)差與泥頁巖孔隙度的關(guān)系 （2）正常沉積條件下，泥頁巖孔隙度與埋藏深度的關(guān)系 泥頁巖在地面的孔隙度可用聲波時(shí)差表示：（3）正常沉積條件下，

13、泥頁巖聲波時(shí)差與埋藏深度的關(guān)系,第一節(jié) 地下壓力特性,（1-9）,,（1-10）,（1-11）,,（1-12）,（4）基本原理在正常壓力層段，隨著地層埋藏深度的增加，巖石孔隙度減小，密度增大，聲波速度逐漸增大，聲波時(shí)差逐漸減小。在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，聲波時(shí)差隨井深呈直線變化關(guān)系，稱之為正常趨勢(shì)線。進(jìn)入異常高壓地層時(shí)，由于巖層欠壓實(shí)，孔隙度相對(duì)增大，聲波速度相對(duì)減小，聲波時(shí)差相對(duì)增大，則必然偏離正常壓力趨勢(shì)線。據(jù)此

14、可預(yù)測(cè)異常高壓，并可根據(jù)偏離程度的大小定量計(jì)算地層壓力。,,第一節(jié) 地下壓力特性,第一節(jié) 地下壓力特性,3. 地層壓力的計(jì)算常用方法：經(jīng)驗(yàn)圖版法、當(dāng)量深度法,,,當(dāng)量密度,g/cm3,當(dāng)量密度：某深度地層壓力用等高液柱壓力等效時(shí)相當(dāng)?shù)囊后w密度。,4. 地層壓力預(yù)測(cè)步驟（1）收集聲波時(shí)差測(cè)井資料，讀取泥頁巖點(diǎn)的聲波時(shí)差數(shù)據(jù)；（2）繪制散點(diǎn)圖，引出正常壓力趨勢(shì)線；（3）讀出異常高壓層段的實(shí)際△t和該深度D所對(duì)應(yīng)的正常

15、趨勢(shì)線上的聲波時(shí)差△tn，計(jì)算△t- △tn；（4）從經(jīng)驗(yàn)圖版上讀出△t- △tn所對(duì)應(yīng)的當(dāng)量密度ρp; （5）計(jì)算地層壓力：注意：聲波時(shí)差不僅與地層孔隙度有關(guān)，而且受巖石彈性、地層流體性質(zhì)、鉆井液性能、測(cè)井誤差等因素的影響，因此預(yù)測(cè)結(jié)果存在一定的誤差。,第一節(jié) 地下壓力特性,,第一章 鉆井的工程地質(zhì)條件第一節(jié) 地下壓力特性,一、地下各種壓力的概念1. 靜液壓力： ph=0.00981ρhl

16、 2. 上覆巖層壓力：3. 基巖應(yīng)力：4. 地層壓力正常地層壓力：Pp=Ph=0.00981ρh1，水力學(xué)開啟系統(tǒng) 異常高壓： pp=po-σ＞ph，水力學(xué)封閉系統(tǒng)二、地層壓力評(píng)價(jià)方法1. 地層壓力預(yù)測(cè)方法——聲波法2. 地層壓力監(jiān)測(cè)（檢測(cè)）方法——dc 指數(shù)法,上節(jié)小結(jié),（二）地層壓力監(jiān)測(cè)（檢測(cè)）dc指數(shù)法、頁巖密度法、標(biāo)準(zhǔn)化鉆速法1.dc指數(shù)的概念賓漢鉆速模型（Bin

17、gham,1964)：Vpc＝Kne(W/db)d (1―13)d指數(shù)（泥頁巖層）：采用常用工程單位：,第一節(jié) 地下壓力特性,（1—14）,（1—15）,在正常地層壓力條件下，若巖性和鉆井條件不變，機(jī)械鉆速隨井深增加而減小，則d指數(shù)隨井深增加而增大。鉆遇異常高壓層，由于地層欠壓實(shí)，機(jī)械鉆速增大，d指數(shù)則相對(duì)減小。據(jù)此可評(píng)價(jià)地層壓力。,dc指數(shù)Rehm & Meclendon(1971)研究了鉆井液密度變化的

18、影響（鉆井液密度增大將導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低，d指數(shù)增大），提出了修正的d指數(shù)，稱為dc指數(shù)。2.基本原理,第一節(jié) 地下壓力特性,（1—16）,在正常壓力層段，若巖性和鉆井條件不變，機(jī)械鉆速隨井深增加而減小，則dc指數(shù)隨井深增加而增大。在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，dc指數(shù)與井深呈線性關(guān)系，稱之為正常壓力趨勢(shì)線。 當(dāng)鉆遇異常高壓層，由于地層欠壓實(shí)，機(jī)械鉆速增大，dc指數(shù)則相對(duì)減小，偏離正常趨勢(shì)線。根據(jù)偏離程度可計(jì)算出地層壓力。,第

19、一節(jié) 地下壓力特性,3. 地層壓力的計(jì)算方法 經(jīng)驗(yàn)圖版法、經(jīng)驗(yàn)公式法、當(dāng)量（等效）深度法（1）經(jīng)驗(yàn)公式法,（1—17）,（2）等效深度法 等效深度：若深度為D的異常壓力地層與正常壓力段的某一深度De處的地層具有相等的dc指數(shù)，則可以認(rèn)為兩處地層的壓實(shí)程度相同，基巖應(yīng)力相等，即：若dc(D)=dc(De)，則σ(D)= σ(De)。 De處：po(De)=σ(De)+pp(De) D處

20、： po(D)= σ(De)+pp(D) pp(D)= po(D)－ po(De)+ pp(De) =GOD －（GO －Gpn)De （1-18）,De,4.dc指數(shù)法評(píng)價(jià)地層壓力的步驟（1）收集泥頁巖地層的正常壓力和異常壓力層段的鉆井資料：鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭直徑、地層水密度、實(shí)際鉆井液密度； （2）計(jì)算dc指數(shù)； （3）在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中繪制散點(diǎn)圖，引出正常壓力趨勢(shì)線； （

21、4）計(jì)算地層壓力。問題：1）水力參數(shù)、地層巖性、鉆頭類型等因素的變化都會(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）聲波法和dc指數(shù)法只適用于泥頁巖地層（砂泥巖剖面）。對(duì)于碳酸巖地層，目前尚無合適的方法。,第一節(jié) 地下壓力特性,三、地層破裂壓力（ fracture pressure）1.井眼周圍巖石的受力狀態(tài)（1）上覆巖層壓力po（2）地層孔隙壓力pp

22、（3）水平地應(yīng)力（4）鉆井液液柱壓力ph有效地應(yīng)力（巖石骨架應(yīng)力）：有效垂直地應(yīng)力（基巖應(yīng)力） σ1=po－pp有效水平地應(yīng)力,第一節(jié) 地下壓力特性,,（1-19）,,2.地層破裂壓力 某深度處地層破裂時(shí)所能承受的液體壓力稱為該處地層的破裂壓力，用Pf表示。它取決于井眼周圍巖石的應(yīng)力狀態(tài)和巖石強(qiáng)度。,第一節(jié) 地下壓力特性,,,,,,,,,,,ph,,,,,σ3,σ3,σ2,σ2,,pp,,,pp,,

23、,,,裂縫張開方向,地層開裂條件 Ph>pp+ σ3σ3<σ2<σ1,3.預(yù)測(cè)方法（1）Hubbert&Willis（1957） 認(rèn)為：① 三維不均勻應(yīng)力狀態(tài)，σ1＞σ2＞σ3， 且σ3= (1/3~1/2)σ1 ② 井內(nèi)液壓力必須克服地層孔隙壓力和最小有效水平地 應(yīng)力時(shí)地層才能破裂。（2）Mathews & Kell

24、y(1967)認(rèn)為：① 水平均勻地應(yīng)力狀態(tài)，σ3=σ2=Ki(D)σ1 　　　?、?井內(nèi)液柱壓力必須克服地層孔隙壓力和最小有效水平 地應(yīng)力時(shí)地層才能破裂。,第一節(jié) 地下壓力特性,,（1-21）,,,（1-20）,（3）Eaton(1969)認(rèn)為：① 水平均勻地應(yīng)力狀態(tài)， ② 井內(nèi)液壓必須克服地層孔隙壓力和最小有效水平 地應(yīng)力時(shí)地層才

25、能破裂。（4）黃榮樽（1985）認(rèn)為：① 井壁巖石處于三維不均勻應(yīng)力狀態(tài)， σ1 ＞σ2＞ σ3 ； ② 水平地應(yīng)力由上覆巖層壓力和構(gòu)造力 兩部分產(chǎn)生； ③ 當(dāng) 井內(nèi)液壓力超過井壁上某一點(diǎn)處的地層孔隙壓力、切向（周向）有效應(yīng)力和巖石的抗拉強(qiáng)度，地層開裂。,第一節(jié) 地下壓力特性,（1-22）,,（1-23）,,（1-24）,式中：α，β由現(xiàn)場(chǎng)壓裂實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得；St巖心抗拉試驗(yàn)求得