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1、第一章 井身结构设计,主要任务：确定套管的下入层次、下入深度、套管尺寸及钻头尺寸、水泥浆返深。客观依据：地层岩性特征、地层压力、地层破裂压力。主观条件：钻井工艺技术水平等。主要原则：1能有效地保护储集层；2避免产生井漏、井塌、卡钻等井下复杂情况和事故。为安全、优质、高速和经济钻井创造条件；3当实际地层压力超过预测值发生溢流时，在一定范围内，具有处理溢流的能力。,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术第二节 地层破裂压力预测方法第三节 井眼坍塌应力预测方法第四节 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,一、基本概念1.静液柱压力2.压力梯度 3.有效密度 4.压实理论 5.均
2、衡理论 6.上覆地层压力P0 7.地层压力（地层孔隙压力）PP 8.骨架应力,第一章 井身结构设计,1、静液柱压力 Ph 由液柱自身重量产生的压力.式中：Ph静液柱压力，MPa；液体密度，g/cm3；H液柱垂直高度，m。,Ph,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,2、压力梯度：单位高度（或深度）的压力变化率。式中：G压力梯度，MPa/m；P压力，MPa；H高度（或深度），m。,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,石油工程中压力梯度也采用当量密度来表示：显然压力梯度与当量密度的关系为：,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,3.有效密度 如果总
3、的压力等效于一个液柱压力，则等效液柱压力的密度即为总的压力的有效密度。,Ph,总的压力,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,如：抽吸压力、激动压力等。,4压实理论 正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度随井深增加而减小。关系如下：式中：0地表孔隙度；井深H时的孔隙度；0岩石骨架密度；Cp压实校正系数，Cp1。若当随着井深增加，岩石孔隙度增大，则说明该段地层压力异常。压实理论为地层压力预测技术基础之一。,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,5均衡理论 泥页岩在压实与排泄过程平衡时，相邻沙泥岩层间的地层压力近似相等。压实理论和均衡理论是支持地层压力预测技术不可缺少的理论
4、基础。,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,6.上覆岩层压力 PO 地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和孔隙中流体的总重量（重力）所产生的压力，即,Po,P0：上覆岩层压力，MPa；H：地层垂直深度，m；：岩石孔隙度，%0：岩石骨架密度，g/cm3；p：孔隙中流体密度，g/cm3。,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,计算方法：分层段和取平均体积密度密度：2.3g/cm3 压力梯度：0.0236MPa/m,7.地层压力 PP地层压力是指岩石孔隙中流体的压力，亦称地层孔隙压力，用PP表示。若地层水为淡水，则正常地层压力梯度（Gp）为0.0981MP
5、a/m，若地层水为盐水，则正常地层压力梯度随含盐量的不同而变化，一般为0.0105MPa/m。石油钻井中遇到的地层水多数为盐水。,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,8.骨架应力 骨架应力是由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力（亦称有效上覆岩层压力或颗粒压力）。,当骨架应力降低时，孔隙压力就增大。孔隙压力等于上覆岩层压力时，骨架应力等于零。,Po,Pp,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,二、异常压力正常地层压力一般为盐水液柱压力PW。不在正常地层压力范围内的压力称为异常地层压力。当 PPPw,称为异常高压 当 PPPw,称为异常低压,H,P,P
6、w,Po,异常高压,异常低压,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,1.异常低压原因生产多年的衰竭油气田；大量生产而没有注水补的油气产层；同一水动力系统的地层露头低于井口；地下水位很低（中东某些地区的地下水位在几百米以下）。,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,2异常高压产生原因 异常高压的地层压力系统实质上是存在“封闭的”地层，阻止或至少是大大限制着流体连通,这样上覆岩层的压力部分地由孔隙中的地层流体支持，故造成异常高压，甚至于高出上覆岩石压力40（靠岩石内应力支撑压力桥）。其成因可归类为：（1）沉积物的快速沉积，压实不均匀；（2）渗透作用；（3）构造作用；
7、(4)水增热作用(5)油田注水,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,压实效应:,P,H,P,PO,海面/地面,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,地层保持正常的压实平衡，取决于：（1）沉积速率（2）孔隙空间减少速率（3）地层渗透率（4）排出孔隙流体的能力,水热作用：岩层孔隙中的流体受热膨胀，一旦出现隔绝的环境，地层孔隙中流体的压力就会急剧增加。渗透作用：水或者溶液被适当的薄膜（泥岩层）隔开时，水从淡溶液到浓溶液的自然流动，导致高浓度溶液一侧水增多，如果排水作用受到阻碍，形成高压。,高浓度,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,流体运移:,第一
8、章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,钻速法随钻监测测井法钻后评价地球物理方法钻前预测 目前应用某一种方法是很难准确评价一个地区或区块的地层压力，往往需要采用多种方法进行综合分析和解释。dc指数法、声波时差法、地震法。,三、地层压力预测方法,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,1、dc指数法 在正常地层压力情况下，如岩性和钻井条件不变，机械钻速随井深的增加而下降。当钻入压力过渡带之后，由于压差减小，岩石孔隙度增大，机械钻速反而加快。dc指数则正是利用这种差异预报异常高压。宾汉在不考虑水力因素的影响下建立了钻速方程;根据室内及油田钻井试验,再进行合理的假设，采用统一
9、的单位可得d指数（钻压）表达式：,k=1，e=1,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,岩石可钻系数钻井条件与岩性不变；转速指数指数机械钻速与转速成正比。,标准钻速议程,正常压力情况下，机械钻速随井深增加而减小，d指数随井深增加而增加。当进入压力过渡带和异常高压带地层，实际d指数较正常值偏小。,d指数,H,异常高压,正常压力,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,d指数与机械钻速V成反比。,分析：,分子小于1，其绝对值与V成反比。,由于当钻入压力过渡带时，一般情况要提高钻井液密度，因而引起钻井液密度变化，进而影响d指数的正常变化规律，为了消除钻井液密度变化影响，
10、Rehm和Meclendon在1971年提出了修正的d指数法，即dc指数法。,式中：dc：修正的d指数；mN：正常地层压力当量密度，g/cm3；mR：实际钻井液密度，g/cm3。,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,dc指数检测地层压力步骤（1）按一定深度取点，一般1.53m取一点，如果钻速高可510m，重点井段1m取一点。同时记录每对应点的钻速、钻压、转速、钻井液密度。（2）计算d和dc指数（3）在半对数坐标上作出dc指数和相应井深所确定的点（纵坐标为井深H、对数坐标为dc指数）（4）作正常压力趋势线，如右图。（5）计算地层压力PP,正常趋势线,过度带顶部,第一章 井身结构
11、设计,第一节 地层压力理论及预测技术,根据dc指数偏离值计算地层压力的.M诺玛法,式中：P所求井深地层压力当量密度，g/cm3；n所求井深正常地层压力当量密度，g/cm3；dCN所求井深的正常dc指数；dca所求井深实际dc指数。,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,根据dc指数偏离值计算地层压力的等效深度法,式中：PP所求深度的地层压力，MPa；H所求地层压力点的深度，m；G0上覆地层压力梯度，MPa/,；Gn等效深度处的正常地层压力梯度，MPa/m；HE等效深度，m。,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,dc指数,H,所求井深,等效深度,2、声波时差法(
12、已钻井地区）声波在地层中传播速度与岩石的密度、结构、孔隙度及埋藏深度有关。不同的地层，不同的岩性，有不同的声波速度。当岩性一定时，声波的速度随岩石孔隙度的增大而减小。由试验和理论研究可得：在半对数坐标系中（H为纵坐标，t为对数坐标），即声波时差的对数与井深呈线性关系。在正常地层压力井段，随着井深增加，岩石孔隙度减小，声波速度增大，声波时差减小。当进入压力过渡带和异常高压带地层后，岩石孔隙度增大，声波速度减小，声波时差增大，偏离正常压力趋势线。因此可利用这一特点检测地层压力。,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,地球物理测井简称“测井”。它是通过钻井所钻井孔而进行的各种测井工作
13、。其中包括电阻率测井、自然电位测井、放射性测井和声波测井等。,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,3、地震反射波法（地质物理勘探）地震波法预测地层压力是根据在不同岩性，不同压实程度情况下，地震波速度传播的差异来预测地层压力的方法。即正常压实条件下，随着深度的增加，地震波速逐渐增大；在异常压力层则随着井深增加，地震波速反而减小的原理来预测压力异常。地震波法预测地层压力计算方法主要有等效深度法，Fillipone法、R比值法。,第一章 井身结构设计,第一节 地层压力理论及预测技术,第二节 地层破裂压力预测方法,第一章 井身结构设计,在采油作业上，20世纪40年代就利用水力压裂地层
14、达到增产的目的，但对钻井工程不希望地层破裂，因为容易发生井漏，造成井下复杂事故。因此了解地层的破裂压力对合理的油井设计和钻井施工都十分重要。为了准确掌握地层破裂压力，国内外学者提出了不同的方法和模型，如Mathews&Kelly法、Hubbert&Willis 法、Eaton 法和以及石油大学黄荣樽提出的预测模型等等。,、地层破裂压力定义：在井下一定深度出露的地层，承受液体压力的能力是有限的。当液体压力达到某一数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压力。、地层破裂条件：由井壁所受应力状态确定，深部地层水力压裂主要形成垂直裂缝，其起裂是由于井壁上的有效切向应力E大于岩石的抗张强度St。,由
15、压缩变为拉伸并超过时,为有效应力系数,第二节 地层破裂压力预测方法,第一章 井身结构设计,第二节 地层破裂压力预测方法,垂直主应力Z,水平主地应力H、h,第一章 井身结构设计,3、地应力一般是不均匀的，地层破裂压力由三个主地应力控制，垂直主应力Z由上覆地层压力P0确定；水平主地应力H、h由两部分组成，一部分来自上覆地层压力P0，其大小是岩石泊松比的函数，另一部分是地质构造应力。,最大最小水平主应力：,垂直主应力：ZP0,A、B为构造应力场影响系数,、井眼应力状态及井壁应力方程 认为地层是连续均质、各向同性和线弹性的，则根据线弹性力学理论则可求得井眼围岩应力分布与井壁应力方程。井眼围岩 应力分布
16、井壁应力方程,第二节 地层破裂压力预测方法,第一章 井身结构设计,为0和180时首先达到破坏状态。,5、地层破裂压力的计算模型作用在岩石骨架上的有效切向应力：根据地层破裂条件，地层破裂压力PF：,第二节 地层破裂压力预测方法,第一章 井身结构设计,由上覆地层压力P0和构造应力确定出水平方向上有效最大和最小主地应力后，代入上式即得地层破裂压力计算式：,令K=A-3B,第二节 地层破裂压力预测方法,第一章 井身结构设计,6、液压试验也称漏失试验是在下完一层套管并注完水泥后，再钻穿水泥塞，打开套管鞋下面第一个砂岩层之后进行的。美国已形成法令，规定每口井每下一层套管必须进行液压试验，以准确获得地层破裂
17、压力梯度的原始资料，作为钻井设计的依据。,PF=P+Ph,Ph,第二节 地层破裂压力预测方法,第一章 井身结构设计,目前所用的预测计算方法都有一定的局限性，相对而言，液压试验是最有效的方法。,7、液压试验法的步骤（1）循环调节泥浆性能，保证泥浆性能稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器。（2）用较小排量（0.661.32l/s）向井内注入泥浆，并记录各个时间的注入量及立管压力。（3）作立管压力与泵入量（累计）的关系曲线图。（4）从图上确定各个压力值：漏失压力P1，即开始偏离直线点的压力，其后压力继续上升；压力上升到最大值，即为断裂压力Pf；最大值过后压力下降并趋于平缓，平缓的压力称为传播压力。（
18、5）求破裂压力当量泥浆密度 mzx：式中：m试验用泥浆密度，g/cm3；P1漏失压力，MPa；H裸眼段中点井深，m。（6）求破裂压力梯度Gf（MPa/m）：,第二节 地层破裂压力预测方法,第一章 井身结构设计,压力，MPa,液压试验曲线,泵入量，升,第二节 地层破裂压力预测方法,第二章 井身结构设计,注意：液压试验压力不应超过地面设备和套管的承压能力。适用于砂泥岩为主的地层；对于石灰岩、白云岩的硬地层尚待试验研究。,第三节 井眼坍塌应力预测方法,世界范围内每年用于处理井眼系统失稳的费用高达5亿美元，损失钻井总时间56%。造成井眼系统失稳的原因是钻井形成井眼后，打破了原有的地下力学系统平衡，造成
19、井壁周围岩石的应力集中。当井筒内有效液柱压力小于井壁应力时，对于脆性岩层将出现坍塌；塑性岩层出现缩径。当井筒有效液柱压力过高，又将压裂岩层出现漏失，导至井下复杂和事故。另一方面由于钻井液进入岩层，也将导至岩石力学特性参数的改变，改变井壁岩石力学状态致使井眼系统的不稳定性。,第一章 井身结构设计,井眼失稳破坏准则,地下岩体在原地应力作用下，一般处于三向压力状态。钻井形成井眼后，井壁应力状态发生变化。在外力作用下岩体将出现弹性，弹塑性，塑性变形屈服和脆性破坏。岩石的力学行为大体遵循线弹性力学规律。对软而塑性大的泥岩表现为塑性变形而缩径，硬脆性泥页岩为坍塌缩径。石油工程对脆性泥页岩一般采用摩尔库尔（
20、MohrCoulomb）强度准则，下面导出该准则条件下，井壁稳定钻井液当量梯度。,第三节 井眼坍塌应力预测方法,第一章 井身结构设计,该准则认为岩体破坏（失稳）是由破坏面上的内聚力和法向力产生的内摩擦力确定。即当岩石剪切面所受剪切力大于或等于岩体固有剪切强度与剪切面上的摩擦力时，岩块从母体脱落（沿剪切面破坏），即：剪切破坏如图2-6所示，1为最大主应力，3为最小主应力，为剪切面的法向和1的夹角，法向正应力为N，剪应力为，用1、3来描述（MohrCoulomb）准则。,第三节 井眼坍塌应力预测方法,第一章 井身结构设计,有效应力：,ST井眼稳定钻井液当量密度，g/cm3；应力非线性修正系数，无因
21、次；H计算点井深，m；H最大水平地应力，MPa；h最小水平地应力，MPa；有效应力系数，无因次。,当=90，=270时，max即,考虑应力非线性修正系数和有效应力，且令,井壁应力,井眼稳定钻井液当量密度,第三节 井眼坍塌应力预测方法,第一章 井身结构设计,1,3pm,有关岩石力学特性参数测取,岩石抗张强度St是利用钻取的地下岩芯，在室内采用巴西试验求得的。巴西试验是对圆盘形岩样从径向两端加压，使之破裂。若岩样的直径为d，厚度为t，岩样破裂时的载荷为P，则抗张强度St为：构造应力系数K对不同的地质构造是不同的，但它在同一构造断块内部是一个常数，且不随深度变化。构造应力系数是通过现场实际破裂压力试验和在室内对岩芯进行泊松比试验相结合的办法来确定的。,第三节 井眼坍塌应力预测方法,第一章 井身结构设计,
