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1、钻井与完井工程,目录第一章 绪论第二章 岩石与钻头第三章 井眼轨道设计与控制第四章 钻井液第五章 优选参数钻井第六章 油气井压力预测与控制第七章 固井与完井技术,固定参数:固定参数主要指地层参数，地层可钻性，地层对钻压、转速、水力参数和钻井液参数的敏感指数，以及地温梯度、地层化学组分对钻井液的适应性等。可调控参数:可调参数主要指钻进中的机械参数、水力参数、钻井液性能和流变参数三类大参数。机械参数:指钻头类型，钻压与转速；水力参数:指泵型选择、泵压、排量和水眼组合；钻井液性能和流变参数指钻井液体系、密度、初切力、流变学模式、流变参数。所有的可调参数的优选都应以地层固定参数为依据。深入掌握这些可调
2、参数对钻进效益的影响规律，建立钻进数学模型，是实施优选参数钻井的重要基础。,第五章 优选参数钻井,1.钻井液密度对钻速的影响,第一节 钻井参数作用机理,一、钻井液性能对钻速的影响,d=GDs+,附加钻井液密度，常取3050 kgm3；GDs地层压力梯度，Pam。,原因：井底压差对刚破碎的岩屑有压持效应，阻碍井底岩屑的即使清除，影响钻头的破岩效率。,（鲍格英）,2.钻井液粘度对钻速的影响,钻井液粘度是通过对循环压力损耗和井底净化等作用的影响而间接影响钻速的。,（埃凯尔）,3.钻井液固相含量及其分散性对钻速的影响 钻井液的固相含量对钻进速度和钻头消耗量都有严重的影响，因此必须严格控制钻井液内的固相
3、含量，一般应尽量采用固相含量低于4%的低固相钻井液。对钻井液固相含量的深入研究发现，不仅固相含量对钻速有影响，固体颗粒的分散度也对钻速有影响。实验证明，分散性钻井液不分散性钻井液钻速低，钻井液内小于1m的胶体颗粒越多，对钻速的影响越大。此外：钻井液含油、失水等对钻速也有影响。,二、钻压、转速的影响,钻压、转速对钻速的影响 钻压、转速对钻头磨损的影响,1.钻压、转速对钻速的影响,牙齿磨损对钻速的影响,C2牙齿磨损系数，与牙齿特性及岩层性质有关；h牙齿磨损量，以牙齿的相对磨损高度表示。新钻头h=0，牙齿全部磨损h=1,杨格钻速模式,杨格(Young)于1969年提出的杨格钻速模式。当岩层特性、钻头
4、类型、以及钻井液性能和水力参数一定时，K、WM、C2都是固定不变的常量，可由释放钻压法等钻进试验和钻头资料确定。后人在杨格模式中引入了考虑井底压差和水力参数影响的修正系数，便成为目前广泛采用的修正杨格模式。即,Cp压差影响系数；GH水力参数影响系数；a3与岩层性质有关的影响系数，可由统计分析钻井实际资料确定；Dv垂直井深，m；Ps实际的钻头比水功率，kW/cm2；Psn井底充分净化时要求的钻头比水功率，kW/cm2；vpen井底充分净化时的钻速，m/h。,2.钻压、转速对钻头磨损的影响,（1）钻压、转速对牙齿磨损速度的影响,Q1，Q2由钻头类型决定的系数；D1，D2钻压影响系数，其值与牙轮钻头
5、尺寸有关；C1牙齿磨损系数；Af地层研磨性系数，其含义是当钻压、转速和牙齿的磨损状况一定时，牙轮钻头牙齿的磨损速度与地层的研磨性成正比。,（2）钻压、转速对轴承磨损速度的影响,B轴承磨损量，由轴承磨损分级标准确定；b承轴工作系数，与钻头类型及钻井液性能有关，由实际资料确定。,第二节 水力参数的优选,喷射钻井中从钻头喷嘴中喷出的钻井液射流，速度高、水功率大，不仅能使岩屑及时迅速离开井底，始终保持静底清洁，而且在一定条件下能直接破碎岩石。这就是喷射钻井能大幅度提高钻速的主要原因。因此，如何选择泵型、泵的工作方式，优选泵压、排量、喷嘴组合是合理利用地面泵功率、他，提高钻井效率的关键，也是水力参数优化
6、钻井的中心内容。,一、射流对井底的净化作用,1.射流的结构和特性,射流扩散角：射流刚出口一段边界母线近似直线，并张开一定的角度。表示射流的密集程度。越小射流密集性越高，能量越集中。,射流极点A：延长射流收拢以前的边界母线的交点。极点至喷嘴出口的长度JO：,a为射流扩散系数,射流边界收拢之前，在喷射距离为L的截面上，射流直径：,射流刚出口时，具有喷射速度VO，各点的速度基本上是相等的。,（1）在射流中心，由于受淹没钻井液和返回钻井液影响较小，速度最高。在射流任一截面上，轴线上速度最高，自中心向外速度很快降低，到射流边界上速度为零。（2）射流出口后有一段长度，这段长度内的中心部分始终保持刚出口时的
7、速度VO。着段射流的中心部分称为射流的等速核。等速核长度以LO表示。这段射流称为射流的初始段。超过初始段以后称为射流的基本段。,（3）从射流的轴线上看，初始段的轴线上，速度始终保持刚出口时的速度VO。超过初始段后，基本段轴线上的速度迅速降低。基本段轴线上任一点的速度，与该点距极点的距离成反比：,射流动压力：射流具有一定的密度，又有一定的速度。在射流前进方向上遇到障碍物时，射流将给障碍物一个压力，着个压力就是射流具有的动压力。射流任一点的动压力与该点射流速度和射流液体密度有关：,其分布规律与速度分布分布规律相近：（1）在射流的任一截面上，中心动压力最大，自中心向外，动压力急剧衰减，在射流边界上动
8、压力为零。（2）射流等速核内各处的动压力相等，都等于射流刚出口时的动压力。（3）在射流中心轴线上，超过等速核以后，动压力急剧下降：,称为射流中心线上的动压力降低系数。,2.射流对井底的净化作用,冲击压力：是当射流碰到井底后，将其动压力传递给井底所形成的，在数值大小上等于射流到达井底时的动压力。,冲击压力在井底的作用特点：（1）射流冲击压力不是静压力，而是动压力；不是作用在整个井底，而是作用在射流波及的小 圆面积上，就整个镜底而言，射流作用面积内的冲击压力高，而射流作用面积以外压力较低。同时，就射流作用的面积而言，冲击压力也是极不均匀的，射流作用中心压力高，离开中心则压力急剧下降。,（2）由于钻
9、头的旋转，射流作用的小圆面积在迅速移动。本来就不均匀的压力分布，又在迅速发生变化。,作用在井底岩屑上冲击压力极不均匀，使岩屑产生一个翻转力矩，从而离开井底。,提高冲击压力对井底的净化作用，必须提高冲击压力梯度，需增大射流出口动压力和射流压力减低系数，或缩小喷嘴直径。,漫流的横推作用：,漫流是射流冲到井底后形成的沿井底的横向流动。漫流是紧贴并平行于井底很薄的对井底遮盖较好的一层横向流动的液流，具有相当高的流速。其对井底岩屑产生横向推动力或牵引力，从而使岩屑离开原破碎点。,作用特点：在射流冲击面积以内，射流冲击中心的漫流速度为零；离开中心，漫流速度逐渐增大；在射流冲击面积边缘漫流速度达到最大。在射
10、流冲击面积以外，漫流速度与距冲击中心的距离成反比，即离冲击中心越远则漫流速度越小。在纵向上，约在0.4mm的高度上，漫流速度最大，超过此高度后，漫流速度随距井底高度的增加而迅速降低。要增大漫流流速，就要增大射流喷速和射流流量。,射流清洗井底综合结论：（1）必须增大射流喷速；（2）减小喷射距离；（3）必须使射流的 值尽可能增大。,二、射流水力参数和钻头水力参数,射流喷射速度vj vj=QAnt(2)射流冲击力Wj Wj=dQ2Ant,(3)射流水功率Pj,1.射流水力参数,2.钻头水力参数,（1）钻头压降,（2）钻头水功率,钻头水力参数和射流水力参数间关系,三、水功率的传递1.水功率传递的基本关
11、系式,ps=pg+pi+pa+pb=pcs+pbPs=Pg+Pi+Pa+Pb=Pcs+Pb,pg，pi，pa，ps分别为地面管汇、钻柱内部、环形空间的压力损耗及地面泵压；Pg，Pi，Pa，Ps分别为地面管汇、钻柱内部、环形空间的功率损耗地面泵的功率。,2.循环系统压力损耗的计算,(5)循环系统压力损耗计算公式的简化处理,pcs=(Kg+Kp+Kc)Q1.8=KcsQ1.8其中Kcs=Kg+Kp+Kc,(6)提高钻头水力参数的途径,四、钻井水力参数设计,水力参数设计实质：在一定的条件参数（泵功率、泵压、最低环空返速、井深）下选择手段参数（排量、喷嘴直径）使喷射速度、射流冲击力、射流水功率等钻头和
12、射流水力参数等目标参数获得最优工作效果。,1.最低环空返速的确定,vcvas称为岩屑举升效率或传输比，现场上通常采用它来衡量井眼净化程度。实践表明，vcvas0.5以后即能保证井眼清洁。因此，最大的岩屑滑落速度应为vsl=0.5vas，或最低的环空返速应为vas=2vsl。可见，确定保证井眼清洁的最低环空返速vas的关键在于如何计算岩屑的滑落速度vsl。,莫尔(Moore)提出的关系式,2.泵的工作状态,3.喷射钻井工作方式及最优条件,肯达尔和戈因斯分别从射流对井底作用能量和压力等不同观点，以井西能获得某一水力参数的最大为目标，提出了：最大钻头水功率工作方式最大射流冲击力工作方式最大喷射速度工
13、作方式,(1)最大钻头水功率工作方式Pbmax,(2)最大射流冲击力工作方式Wjmax,(3)最大射流喷速工作方式vjmax,在额定泵功率工作状态下，vj可表示为,在额定泵压工作状态下，vj可表示为,可见，不管在哪种泵工作状态下，随着Q的减小，vj总是增加的。实际上，若使环空上返的钻井液完成携屑的任务，排量必须满足井眼净化所要的最低值Qa。因此，Q最小只能等于Qa。实际工作中，vjmax的最优条件为Q=Qa。,4.临界井深的确定,(1)Pbmax方式的工作图象及临界井深,当QQr时,当QQr时,对于第一临界井深(2点)，最优条件既满足Q=Qr，又满足pcs=0.357pr，于是有,对于第二临界
14、深(3点)，最优条件满足pcs=0.357pr，及Q=Qa于是有,(2)Wjmax方式的工作图及临界井深,当QQr时,当QQr时,对于第一临界井深(3点)，最优条件既满足Q=Qr，又满足pcs=0.357pr,对于第二临界井深(4点)，最优条件满足pcs=0.357pr，及Q=Qa,5.最优排量和喷嘴直径的确定,对于Pbmax方式(Dcr1DwDcr2),对于Wjmax方式(Dcr1DwDcr2),对于两种不同的工作方式，实际上泵总是以额定泵压pr为系统提供压力的，因此，针对每个井深所确定的排量Qop，可以计算出循环系统压力损耗pcs，于是即可确定出钻头压降pb，即pb=pr-pcs进而由钻头
15、压降公式得出喷嘴当量直径,对于三个等径喷嘴，每个喷嘴的直径可写为,第三节 钻进参数优选,一、建立目标函数,以单位进尺成本C作为优选钻进参数目标函数,Cb钻头成本，元；Cr钻机作业费，元h；tt起下钻时间，h；tcn接单根时间，h；td钻头工作时间，h；H钻头总进尺，m。,钻头总进尺及其工作时间，可由修正杨格钻速模式和钻头牙齿磨损模式确定,令,则：,J当牙齿磨损量h=0时的初始钻速，mh；S牙齿磨损量h=0时的牙齿初始磨损速度，其倒数相当于不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论寿命，h-1；JS值即为不考虑牙齿磨损影响时的钻头理论进尺。E考虑牙齿磨损对钻速和磨损速度影响后的进尺系数。,若将：,对牙齿最终
16、磨损量hf进行积分，可以求出牙齿最终磨损量为hf时的钻头寿命：,令：,hf牙齿最终磨损量。F考虑到牙齿磨损对钻速和磨损速度影响后的钻头寿命系数；与E相似，是最终磨损量的函数,钻进目标函数可表示为,令：,te钻头与起下钻和接单根成本的折算时间，h；当钻头成本一定时，te仅与起下钻和接单根时间有关，而与钻进参数无关。,则目标函数可表达为含五个变量(W，n，hf，CH，Cp)的关系式,二、目标函数的极值点,钻压、转速和牙齿磨损量，在数值上都有一定限制。归纳起来可用四组不等式描述。1)牙齿磨损量h 1h0 2)轴承磨损量B 1B0 3)钻压W WM0时，D2D1WWM WM0时，D2D1W0 4)转速
17、n n0,对于同一个钻头，轴承磨损量与牙齿磨损量始终保持着严格的对应关系。因为同一个钻头的工作寿命tb同时为牙齿磨损量或轴承磨损量的函数。即,钻进成本函数的约束条件，由三个变量的四个不等式组成，这四个不等式，在W-n-hf三维空间中，形成一个交集。凡是在该交集的点，均能同时满足四个不等式的条件，这种交集称为目标函数的可行集。凡是不属于可行集上的点，其钻进参数都是不可行的。,1.钻头最优磨损量,三元超越方程式，它在W-n-hf三维空间中组成一个曲面，称为最优磨损面。从理论上讲，每一组W-n的数值，都可在最优磨损面上找到一个对应点，即把每一组W-n的数值代入，都可以解出一个最优磨损量hf。但因钻进
18、成本函数受到四个不等式的约束，凡在可行集以外的最优磨损量都是不可取的，这时只能用可行集上的极限磨损量作为最优磨损量。,给定n和hf值时，求最优钻压的通式。需要说明的是，求最优钻压的条件方程是一个三元超越方程，在W-n-hf三维空间中，它是一个空间曲面，称为最优钻压面。解此方程式可以获得两个钻压值，一个大于D2D1，另一个小于D2D1。由于前者不属于目标函数的可行集，故其解应是小于D2D1的解。,2.最优钻压,3.最优转速,是根据给定钻压W和钻头磨损量hf求最优转速的通用公式。是一个三元超越方程，它在W-n-hf三维空间中也是一个曲面，称为最优转速面。该条件方程共有三个解，一个实数解和两个复数解
19、。对于钻进参数来说，只有实数解才有意义。,上述最优磨损量、最优钻压、最优转速公式是在先规定其中任意两个量为定值的情况下，分别由三元超越方程确立另一个最优量的，因此，如果给出两个量的具体数值，我们很容易根据所建立的最优条件公式计算出给定条件下另一个参数的最优值，但该最优值不一定是三者之间的最优配合。在实际工作中，一般都根据邻井或同口井上一个钻头资料，先确定牙齿或轴承的合理磨损量，然后根据钻机设备条件确定转速的允许范围，最后求不同钻压转速配合时的钻井成本，从中找出成本最低的最优钻压转速配合。,例：某井段地层的可钻性系数为2.310-6，研磨性系数为2.2810-3，门限钻压为1.0104N，转速指
20、数为0.68。拟采用215mm的21型钻头钻进（D2=6.44,D1=1.43310-5,Q1=1.5,Q2=6.5310-5,C1=5,C2=3.68,CH=1,Cp=1）。钻头成本为900元，钻机作业费用为250元/小时，起下钻时间为5.57h，试求转速为50r/min，hf=1.0时的最优钻压、钻头寿命和钻进成本。,解：,最优钻压：,若求最优钻压，必须先计算出te、F,钻头寿命,最低钻井成本,多元回归钻速方程，是把影响钻进速度的各因素归纳成一个数学表达式，能够实现同时确定最优钻压转速和水力参数等多种因素，使最优化钻井技术又向前迈进了一步。,第四节 多元钻进模式,鲍戈因(Bourgoyne
21、)和杨格运用多元回归分析法，考虑了井深、岩层特性、井底压差、钻压、转速及水力参数等八个主要因素对钻速的综合影响，建立了一个多元钻速回归方程,一、多元钻速模式,式中所考虑的八项因素为：1)常数项a0为岩石可钻性系数，其中包括岩石强度，以及与可钻性有关的钻头类型和钻井液性能等对钻速的影响。,2)a1X1为岩层埋藏深度，即所钻井深对钻速的影响。在正常情况下，岩层的压实程度随埋藏深度的增加而增加，因此钻速指数将随井深的增加而下降。指数X1为井深Dw的函数。取3000 m处的相对钻速为1.0，则exp(a1X1)=1.0，所以,3)a2X2为岩层致密性对钻速的影响。它与岩层的埋藏深度Dw(m)及孔隙压力
22、梯度GDp有关。钻井实践证明，钻速常随地层孔隙压力梯度的增加而加快。现以孔隙压力梯度GDp=1.07时的相对钻速为1.0，X2可定为,4)a3X3为井底压差对钻速的影响。以井底压差等于零时的相对钻速为1.0，则X3定义为,dc为循环钻井液时井底的当量钻井液密度。,5)a4X4为单位钻头直径的钻压对钻速的影响。以单位钻头直径的钻压为8103Nm时的相对钻速为1.0。大量实验证明，钻速与 成正比，因此X4的定义为,实验证明，钻压指数a4与井底净化程度有关，一般为0.62.0,6)a55为钻头转速的影响。以n=100 r/min为标准，即此时相对钻速exp(a5X5)=1，因钻速与na5成正比，所以
23、X5的定义为,很多实验证明，转速指数a5一般为0.40.9，与岩层的软硬程度有关。,7)a6X6为水力参数对钻速的影响。X6可定义为,d钻井液密度；Q钻井液排量；钻头喷嘴出口处的钻井液粘度；dne钻头喷嘴当量直径；kH比例系数。,8)a7X7为牙齿磨损对钻速的影响，现规定,h为根据磨损分级标准确定的齿高磨损量。新钻头的h=0，齿高全部磨损时h=1。a7与钻头类型及岩层性质有关。使用硬质合金齿时，牙齿磨损对钻速的影响很小，可以认为a7=0(即不考虑牙齿磨损对钻速的影响)。,根据以上规定的X1X7所代表的参数，多元回归钻速方程中共包含了井深Dw、孔隙压力梯度GDp、井底当量钻井液密度dc、钻头直径
24、db、钻压W、转速n、牙齿磨损量h、钻井液排量Q、钻井液密度d、钻井液粘度和钻头水眼当量直径dne等11个因素，再加上常数项a0中地层性质的影响，共有12个影响因素。因此，这个多元钻速方程能够更全面、更精确地反映钻进过程的客观规律。但必须指出，多元钻速方程是以大量的实测数据为基础，通过回归分析法建立的相关模型。它的准确性首先决定于指数方程中各回归系数aj的精确度，如果回归系数不准确，由此规定的回归方程就毫无实际意义。因此，用多元钻速方程来确定各种因素与钻速之间的定量关系时，首先必须根据该地区一口以上井的准确资料，求出回归效果好的各aj值，然后才能用此模型分析计算各因素对钻速的具体影响，由此确定
25、新设计井的最优化钻井措施。,二、多元钻进模式参数的优选,现仍选,作为钻进成本模式为目标函数，则钻头进尺和钻头工作时间可由多元钻速方程和前面所建立的牙齿磨损模式求得,根据最优化理论，令目标函数对各变量的偏导数为零，便可确定各相应参数的最优值。即,由于X1和X2中的井深Dw和地层孔隙压力梯度都不是可调变量；X3中的井底压差又受安全钻井要求限制，不能任意调节使X30；钻头的合理磨损量又都根据邻近井的钻头资料确定。因此，只有对X4X6求偏导数为零，以确定最优钻压、转速和水力参数，对实际工作才有指导意义。,根据成本最低的最优钻压存在条件,可确定给定n和hf条件下最优钻压的通式,根据最优转速存在条件,可解
26、得给定钻压W和磨损量hf值求转速的通式，其结果与式(5-83)相同。这是由于在进行优选时，都采用了同一种牙齿磨损模式所带来的必然结果。,纳尔逊(Nelson)的研究证明，对于大多数比较大型的钻井设备，泵作业费用在总的钻井作业费用中所占比例很小，因此在确定最优水力参数时，常以能否获得最大机械钻速为准，不必考虑泵费用的增加。由式,可见，其它参数不变时，exp(a6X6)极大，则机械钻速也将最大，因此，最优水力参数可由a6X6为极大值时确定。根据钻头压降计算公式,及喷嘴直径公式,可得,根据存在最优排量的条件,可求得最优排量为,由此可见，exp(a6X6)达极大值时的最优排量和循环系统压力损耗，即为最
27、大冲击力时的相应值。,或,第六章 油气井压力预测与控制,第一节 地层压力及其预测,一、地下各种压力概念,1.静液压力 静液压力是由液柱重量引起的压力。它的大小和液体密度及垂直高度有关，而和液柱的横向尺寸及形状无关。如果静液压力用ph表示，则,通常把单位高度(或深度)增加的压力值称为压力梯度，静液压力梯度可表示为,静液压力梯度受液体密度的影响和含盐浓度、气体的浓度以及温度梯度的影响。含盐浓度高会使静液压力梯度增大，溶解气体量增加和温度增高则会使静液压力梯度减小。油气井钻井中遇到的有代表性的平均静液压力梯度有两类：一类是淡水和淡盐水盆地，GDh为0.0098 MPam；而另一类是盐水盆地，GDh为
28、0.0105 MPam，这相当于总含盐量为80 g/L的盐水柱在25时的压力梯度。平均静液压力梯度大多数为后一种。,2.上覆岩层压力 某处地层上覆岩层压力是指覆盖在该地层以上的地层基质(岩石)和孔隙中流体(油气水)的总重量造成的压力。如果用pob表示上覆岩层压力，且沿垂直高度h内各参数取平均值，则,岩石密度与孔隙度的大小和埋藏的深度有关。假设上覆岩层压力随深度的增加而均匀的增加，如果岩石的平均密度为2500 kgm3，平均孔隙度为10，流体的密度为1000 kgm3，则按式(6-2)计算知上覆岩层的压力梯度GDo=0.0230 MPam，实际上GDo=0.01070.0290 MPam范围之内
29、。,3.地层压力 地层压力是指作用在岩石孔隙内流体(油气水)上的压力，也叫地层孔隙压力。地层压力用pp来表示。正常地层压力等于从地表到地下该地层处的静液压力。其值大小与沉积环境有关。根据式(6-2)的计算原理，可求得大多数正常地层压力梯度为GDp=0.0107 MPam。,ppph称为异常高压，反之ppph，称为异常低压。,4.基岩应力上覆岩层的重量是由岩石颗粒和孔隙内的流体共同支撑的。没有被孔隙内流体所承担的那部分上覆岩层压力称为基岩应力。如果用表示基岩应力,在正常的压力环境中(pp=ph)，由于颗粒和颗粒间相互接触，岩石基体支撑着上覆岩层重量，而这个直接的颗粒间应力的减少(0)，将导致孔隙
30、内流体支撑起部分上覆岩层，而形成异常高压(ppph)。,异常高压的成因异常高压的形成与泥岩层压实过程、水热增压及蒙脱土的脱水作用等因素有关。正常静液压力的地质环境可以看作一个“水力学开启”系统；是可渗透、流体连同的地层。允许建立或重新建立起静液条件。而异常高的地层压力系统实际上是“封闭的”，阻止或至少是大大限制着流体连通。正常地层压力和异常高的地层压力只有当它们被不渗透的围栅隔开的时候才能共存，这种不渗透围栅同时象不传递压力的围栅一样作用。流体被圈闭在岩石孔隙空间里。然后在软岩石的压实过程中，上覆岩层重力部分地为孔隙空间里的地层流体所支撑，因而地层流体的压力升高。在硬岩石中，一般认为沉淀是在孔
31、隙空间里发生，迫使同一数量的流体占据一比较小的容积。压力圈闭的起因可以是物理的、化学的或是两者综合的结果。可以构成这种压力圈闭的，在垂直方向上有如大段页岩和粉砂岩，大段盐岩、硬石膏、石灰岩、泥灰岩、白云岩等，而在水平方向上有如断层、折皱，盐丘或尖灭等。,二、地层压力的预测原理与方法 多年来发展了数种预测异常高压的技术，其中有在钻井施工前进行的地球物理预测方法，也有钻井过程中应用的钻井参数方法和其他方法。单独依靠任何一种方法都难以实现准确预测，应该综合各种方法的结果并加以比较，才能提高预测的准确程度。目前在国内使用最多的方法是声波测井法和dc指数法。,1.地球物理方法,(1)地震资料法因为地震波
32、是一种弹性波，其传播速度与岩石致密程度有关。通常，岩石愈致密，波的传播速度愈快，传播时间愈短。在正常压力梯度下，岩石的致密程度随深度而增大，因此地震波传播速度亦随深度而增大，其传播时间随深度而减小。当地层出现异常高压(ppph)时，岩石致密度下降，地震波传播速度减小，传播时间增大，人们可根据这一特性来解释地震波与井深的关系曲线，从而预报异常高压。这种方法一般用在钻井施工前的初步预测。,(2)声波测井法 1)预测原理 声波传播速度主要是孔隙度和岩性的函数。如果岩性为泥页岩时，则声波测井主要反映孔隙度的变化。在正常压力地层中，随深度增大，地层压实程度增强，孔隙度下降，则声波传播速度加快，传播时间减
33、少。深度D与传播时间tn的对数之间呈一条正常趋势线。,在异常高压地层中，由于欠压实，孔隙度加大，传播时间t将偏离正常趋势线，其数值大于正常值。偏离值tsh(角标sh表示泥页岩层，tsh=to-tn)越大，地层压力越高。根据大量数据可得出一定地区GDp和tsh之间的关系曲线。,2)预测方法（地区经验曲线法、当量深度法）,地区经验曲线法：绘制该地区lgt与D的正常趋势线，图上开始偏离正常趋势线的点即为异常压力的顶界。先确定tsh=to(异常)-tn(正常)，而后根据该地区关系曲线查出GDp，则,当量深度法：在连续沉积盆地，声波传播时间的正常趋势反映了地层的正常压实趋势。当地层压力异常时，如图6-3
34、中a点，地层欠压实，基岩应力下降。由于地层有正常压实的趋势，可在正常压力段找出一点e，其值与之相等。相应深度De称为当量深度，如图所示。,正常压力段深度De的e易于求出：,由于深度Da处的a=e，则a点处的地层压力计算式为,to，C正常压实趋势线的截距和斜率,to,(3)电阻率测井法 电阻率测井法的预测原理：在正常压力地层中，随深度增大，地层压实程度加大，孔隙度减小，导电流体也减少，页岩电阻率加大。在一定的地区，页岩电阻率(对数)与井深之间存在一条正常趋势线；在异常压力地层中，由于地层欠压实，孔隙度增大，地层流体多，地温高，页岩电阻率向着低于正常电阻率的一侧偏离正常趋势线，其偏离值越大，地层压
35、力越高。预测地层压力方法有地区经验曲线及当量深度法，具体操作步骤与前面介绍的声波测井法大致相同。,2.钻井过程中预测地层压力的方法(1)d(或dc)指数法20世纪60年代以来，人们了解了机械钻速和地层压力之间的关系，并在此基础上发展了一种改进机械钻速预测地层压力的方法，称为d(或dc)指数法。1)工作原理 d(或dc)指数法是利用泥页岩的压实规律及欠压实地层机械钻速增大的特性和压差影响机械钻速的原理，同时考虑了钻井参数对机械钻速的影响来监测地层压力的。根据钻速与转速、钻压及钻头直径之间的关系，并考虑保持d的数值与英制单位时相同，则可得,因为0.0547vpe/n的值总是小于1，所以lg（0.0
36、547vpe/n）的绝对值与vpe成反比。因此，d指数与vpe成反比。,在正常压力条件下，随着深度加大，vpe下降，d指数增大，且d与D之间呈一条正常趋势线。在压力过渡带和异常高压地层，由于地层欠压实和井底压差减小，vpe加大，d指数下降，通过其与正常趋势线偏离值的大小，可以预报出地层压力。d指数法的前提之一是保持钻井液密度不变，但这在生产中难以达到，尤其在进入压力过渡带后，为了安全起见，需增加钻井液密度，这样，d指数便随之升高，影响了它的正常显示。为了消除此影响，于是提出了修正的d指数，即dc指数法，表达式为,2)预测方法 应收集的现场资料有：井深、地层岩性、钻时、钻压、转速、泵压、排量、钻
37、头尺寸及类型、密度、粘度、流变性。要求取全取准资料，并舍去非正常的钻井数据和非泥岩、页岩数据。计算dc指数，绘制dc与D的关系曲线：按式(6-7)计算dc指数，并将计算的dc值点在dc与D的录井图上，如图所示。,建立dc指数正常趋势线方程：要求取过渡带前大于300 m的井段为回归段。使正常趋势线通过大多数泥岩点。回归方程形式为,回归所得方程的相关系数必须大于规定值(一般暂定为0.7)。在条件不具备时，可借用相邻或相似地质条件或邻井的趋势线参数值。,计算地层压力：利用趋势线方程计算或从图上查出相应深度的dcn值，再选用下面推荐的四种求地层压力公式，定量地计算出地层压力的大小。,对数式,当量深度式
38、,反算式,伊顿(Eton)式,一些油田经过研究对比，认为反算式比较符合实际。因此，将求出的正常趋势线方程和式(6-7)代入反算式，便可直接求得实际地层压力时流体密度公式为,(2)标准化钻速法 标准化钻速法于1967年由维德(Vidrine)和贝尼特(Benit)提出，1980年由普伦蒂斯(Prentice)和伍兹(Woods)进一步完善，并用于现场。它是利用钻速方程把影响钻速的诸因素修正成标准值，唯一将压差(当量循环密度与地层压力之差)孤立出来。当井内的当量循环密度为一常数时，标准化钻速值的变化，可以直接反映出所钻地层孔隙压力的变化。据有关资料介绍，该方法能监测到地层压力很小的变化，但因其分析
39、计算较繁琐，从而限制了它的广泛应用。3.其它方法 地层压力还可利用页岩密度法、岩屑情况变化分析、化石资料、钻井液返出温度及钻井液中天然气、氯化物含量变化等预测，具体方法可参阅有关文献。,第二节 地层破裂压力及其预测,一、地层破裂压力及破裂压力梯度,地层破裂压力：在井中一定深度处的地层，其承受压力的能力是有限的，当压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称为地层的破裂压力pf。地层破裂压力的大小取决于许多因素，如上覆岩层压力、地层压力、岩性、地层年代、埋藏深度以及该处岩石的应力状态。为了衡量某一深度D的破裂压力的大小，引入地层破裂压力梯度GDf的概念。,二、地层破裂压力预测方法,哈伯特威利斯法,破
40、裂传播压力必须大约等于最小主应力。并认为在发生正断层作用的地区，最大主应力是大致垂直且等于上覆岩层的有效压力，而最小应力应是水平的且大多数大概在上覆岩层有效压力的1/21/3之间。,马修斯凯顿法,引入了变数基岩应力系数Ki（可变的水平与垂直应力比）。,伊顿法,1969年，伊顿假设地层是弹性体，并用泊松比把水平应力H和垂向应力z联系起来，给出了地层破裂压力梯度公式,伊顿认为，上覆岩层压力pob和泊松比都随深度而变化，地层破裂压力梯度GDf也随深度而变化，因而比较接近实际。,应用伊顿法预测地层破裂压力梯度的步骤是：分析测井资料或用d指数法，确定pp；根据密度测井资料，计算并绘制该地区pob与D的关
41、系曲线；根据实际压裂资料，挤水泥资料和井漏值，取得地层破裂压力数据；用已知的pp、pf和pob，计算并绘制与D的关系曲线；用pob，pp和的数值，由公式计算任一深度的GDf，得出地区性的破裂压力梯度预测曲线。伊顿的地层破裂压力梯度预报方法用于连续沉积盆地，是比较准确的。但它没有考虑井壁应力集中和地质构造应力的影响，因此使用受到限制。,黄荣樽法,黄荣樽法主张地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的，并且要考虑地下实际存在的非均匀地应力场的作用，这是反映不同油田断块具有不同地层破裂压力的重要原因。所谓地应力是指作用在地壳内岩体上的各种相互平衡的外力使岩体内部产生附加内力，它的效应是引起岩体的形变。这种
42、附加内力的分布密度称为地应力。地应力以作用在单位面积上的力来量度。地应力是张量，地应力张量一般称为地应力状态。地应力基本特点之一是总有一个主应力处于垂直(或接近垂直)的位置。另外两个主应力在水平(或接近水平)方向，而且与地质科学中构造应力的两个主应力方向一致。绝大多数情况下地应力的三个主应力都是压应力，其数值可能很大，只有在极少数情况下可能一个主应力是张应力。黄荣樽根据弹性力学的理论，导出了井壁上最容易压开裂缝处的有效切向正应力的表达式，并且认为地层的破裂是由于增大井内流体压力使井壁上的有效切向正应力减小为零(当存在原生裂缝时)或变为负值并超过地层的抗拉强度hT(当井壁上无原生裂缝时)的结果。
43、结合水平向的两个主地应力计算方法，黄荣樽提出计算破裂压力的解析式为,K非均匀的地质构造应力系数，K=-3；，水平两个主方向的构造应力系数。,黄荣樽法的具体应用步骤是：1)三轴岩石力学试验：主要是在高压室中对圆柱岩样施加不同围压的压缩试验。通过试验确定岩的泊松比。岩石的泊松比与其所处的深度有关，通过岩石的三轴压力试验发现是随围压的升高而增大。经过分析，提出计算的指数方程,式中o围压pcir为零时的泊松比；m，n取决于岩性的常数。考虑到地层重力场的作用，岩层在某深度D处的围压pcir的计算式为,联立式(6-13)和式(6-14)便可解得D深度处的pcir值和地层的泊松比值。2)现场地层破裂压力试验
44、：这是为了确定地下岩层的构造应力系数而进行的。一般在一个油田断块或一个探区只需进行12口井便可满足要求，但为了准确地确定构造应力系数，需在套管鞋下方的压裂段地层中在试验前取一筒岩心，供测试泊松比之用。地层破裂压力试验的具体要求如下所述。,关闭环形空间，要求在环空井口安装精密压力表记录压力的变化。用水泥车以低速(大约为5080 Lmin)缓慢地启动泵并向井内注入钻井液；记录各个时间的泵入量和相应的井口环空压力。做出以井口压力与泵入量为坐标的试验曲线，如泵排量不变时，亦可做出井口压力和泵入时间的关系曲线。在进行液压试验时，要注意确定下述的压力值(如图6-5所示，此图为实测曲线)：漏失压力pl，即开
45、始偏离直线之点的压力，其后压力仍上升。开裂压力pf，压力最大之点。反映了液压克服地层的强度使其破裂，形成裂缝，钻井液向裂缝中漏失，其后压力将下降。延伸压力pex，压力趋于平缓的点。它使裂缝向远处扩展延伸。瞬时停泵压力ps，当裂缝延伸到离开井壁应力集中区，即6倍井眼半径以远时(估计从破裂点起约历时1 min左右)，进行瞬间停泵。记录下停泵时的压力ps，由于此时裂缝仍开启，ps应与垂直裂缝的最小地应力y值相平衡，即有ps=y。此后，由于停泵时间的延长，钻井液向裂缝两壁渗滤，但液压下降。由于地应力的作用，裂缝将闭合。裂缝重新张开压力pre，瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重新张开。由于张开闭合
46、裂缝所需的压力pre与开裂压力pf相比不需要克服岩石的抗拉强度，因此可以近似地认为破裂层的抗拉强度等于这两个压力的差值，即有,现在进一步明确一下如何利用上述破裂压力试验求取预测公式(6-12)中的有关参数：从图中查得pf和pre对应的井口泵压，于是根据(6-15)式直接计算出hT值。从试验曲线上确定地层开裂时的井口泵压(如果考虑pl为最大许可压力，也可用此值)，其与静液压力之和为破裂压力pf值。破裂层岩心经过室内试验确定，再求出对应深度处的pob及正常孔隙压力pp值。将得到的pf，hT，pob和pp值代入公式(6-12)便可算出K值。3)各种参数确定之后，便可用黄荣樽法计算地层破裂压力。,安德
47、森法,由于地层破裂压力预测公式中均含有泊松比值，安德森(Anderson)认为砂岩中的泥质含量对其值影响很大。因为砂岩中的泥质本质上起着颗粒间塑性胶结物的作用，对砂岩的形变有明显的影响。因此，他提出可以通过建立与泥质含量的关系来求得。声波、密度和中子测井的组合能计算地层的泥质含量，其计算式为,式中Ish地层的泥质指数，%，它反映了砂岩中的泥质含量；s声波时差求得的地层总孔隙度，%；d密度测井求得的地层有效孔隙度，%。,安德森提出的地层破裂压力预测公式是,此式是在假定无构造应力，地层抗张强度为零并取均匀水平地应力基础上而得出的。由此得,将现场破裂压力试验求得pf值代入(6-18)式，便可求得，再
48、将此值与相应地层的Ish值做出关系图。根据墨西哥湾地区12口井中进行29次破裂压力试验得到的数据绘图及利用(6-18)式计算出的值，表明与Ish有很好的线性关系，因此，可用直线公式拟合。,式中，系数A和B随不同地区或不同构造而异，需要建立各个不同地区的关系式。安德森公式中未计入许多因素的影响，使得上述测井程序的预测准确性不高。如果能克服其不足之处，用声波测井方法连续预测地层破裂压力具有极好的发展前景。,以上介绍三种预测破裂压力方法都仅适用于连续沉积的地层，对于地质不整合的地层、风化带和破碎带等地层，其破裂压力往往低于计算的破裂压力，钻进这些层段常常会发生意外的漏失事故。在这些情况下，预测地层破
49、裂压力时，应当考虑到地质环境的影响。,地层压力剖面的应用,套管下入深度的选择,欠平衡坍塌卡钻,过平衡井漏,井深,当量钻井液密度,设计套管程序,在钻井过程中，一方面有地层孔隙中的流体压力pp；另一方面有钻井液柱形成的静液压力pdh。在正常钻进情况下，正是用pdh来平衡pp，保持pdh略大于pp的平衡条件下进行钻井的。当pdh大于pp过多时，会造成机械钻速慢，压差卡钻多，同时在钻进时油气显示不好；当超过pf后将形成井漏或地下井喷；当pdh小于pp时，地层流体将向井内流动，这种现象称为井涌(或叫溢流)。此时若不及时进行压井作业，使这种流动失去控制则会形成井喷。如果在地面失去控制，称为地面井喷，如果这
50、种流动进入裸露地层，则称为地下井喷。,第三节 地层井眼系统的压力控制,一、失去压力平衡的原因,地层压力掌握得不确切钻井液液柱高度降低钻井液密度降低井内压力激动起钻抽汲压力,二、气侵对钻井液液柱压力的影响,1 气侵时，气体以游离态均匀分布在钻井液中,以微小气泡吸附在钻井液中颗粒的表面，随着钻井液的循环上返。由于气体是可压缩的，气泡在上升的过程中由于所处的压力不断减小，体积就会逐渐膨胀增大。因此受气侵后，环空不同深度处的钻井液密度是不同的，不能以地面气侵钻井液密度乘以井深来计算井内钻井液柱压力。这种情况下，即使返到地面时的钻井液气侵得厉害，形成许多泡沫因而使密度降低很多，但井底咱井液柱压力的减少并
