《钻井井控技术》 石油工程系钻井教研室 林洪义 第三章第三章 地层压力预测与检测地层压力预测与检测 大量的钻探实践表明，异常高压地 层的存在具有普遍性，而且钻遇到高压 地层比低压地层更为常见在钻井中， 如果未能预测到可能钻遇的异常高压地 层，钻井液液柱压力将明显小于地层压 力而导致井喷甚至井喷失控因此，在 钻井中，对地层压力的检测是非常重要 的，对保护油气层、保证井控安全具有 重要意义 ªª 一、一、有关地层压力的概念有关地层压力的概念 ªª 二、二、异常地层压力的概念异常地层压力的概念 ªª 三、三、异常地层压力的形成机理异常地层压力的形成机理 ªª 四、四、异常地层压力的预测方法异常地层压力的预测方法 内内 容容 题题 要要 1、上覆岩层压力（地静压力） 上覆岩石骨架和孔隙空间流体的总重量所引起的压力 其值的大小与上覆岩层的厚度、骨架密度和孔隙流体密度有 关单位为MPa 上覆岩 层压力 上覆岩层 垂直高度 上覆沉积 物总密度 重力加 速度 一、有关地层压力的概念一、有关地层压力的概念 上覆岩层 压力 上覆岩层 垂直高度 重力加 速度 岩层平均 孔隙度 岩石骨架 平均密度 流体平均 密度 一、有关地层压力的概念一、有关地层压力的概念 上覆岩层压力梯度:单位岩柱高的压力。
单位为MPa/m 据统计,第三纪岩层的平均压力梯度为0. 0231MPa/m（ 密度测井）;碎屑岩岩层的最大压力梯度为0.031MPa/m ;浅 层的岩层压力梯度一般小于0.031MPa/m 一、有关地层压力的概念一、有关地层压力的概念 2、静水压力（流体静压力） 液柱重量所产生的压力 其大小与液体的密度和液柱的 高度有关，而与液体的形状和大小无关 静水压力水的密度 静水柱高 度 重力加速 度 一、有关地层压力的概念一、有关地层压力的概念 静水压力梯度：单位液柱高度的压力值 由于水的密度一般为1×103kg/m3 ，所以，静水压力 梯度约为 0.01MPa/m 一、有关地层压力的概念一、有关地层压力的概念 3.地层压力 作用于岩层孔隙空间内流体上的压力，又称为孔隙流 体压力常用Pf表示 含油、气区内的地层压力称为油层压力或气层压力 油气层未被钻开之前，油层内各处的地层压力保持相对平衡状态一旦油 气层被钻开并投入开采，油气层压力的平衡状态遭到破坏，在油气层压力与井 底压力之间产生的压差作用下，油气层内的流体就会流向井筒，有时甚至喷出 到地面自喷采油，到后期，压力释放较多后不能自喷，注水、抽油机采油 ） 一、有关地层压力的概念一、有关地层压力的概念 地层压力梯度：又称孔隙流体压力梯度，指单位深度的 流体压力值，用Gf表示。
其值的大小与地层所处的地质 条件有关 一、有关地层压力的概念一、有关地层压力的概念 静水压力PH 、上覆岩层压力Po和地层压力Pf三者之间的关系： a、地层渗透性能良好，与地表水相连通：此时流体承担的压力（地 层压力）即为连通孔隙中的静水压力：Pf = PH ，相应地 Gf = GH 而 上覆岩层压力Po全部由岩石基质来承担 b、地层渗透性能较好，但上下左右均被不渗透的隔层所隔，呈透镜 体状：此时流体所承担的压力最终要和上覆地层压力趋于平衡，即：Pf = Po，或 Gf = Go c、地层渗透性能较差，且岩性非均质性较强，孔隙水与地表水有连 通，但其连通性不好，流体可缓慢渗透，处于一种半封闭状态：此时上 覆岩层压力由孔隙流体和岩层基质共同负担，这种情况下的地层压力是 小于上覆岩层压力而大于静水压力的即： PH ＜ Pf ＜ Po 或 GH ＜ Gf ＜ Go 一、有关地层压力的概念一、有关地层压力的概念 ªª 一、一、有关地层压力的概念有关地层压力的概念 ªª 二、二、异常地层压力的概念异常地层压力的概念 ªª 三、三、异常地层压力的形成机理异常地层压力的形成机理 ªª 四、四、异常地层压力的预测方法异常地层压力的预测方法 内内 容容 题题 要要 异常地层压力是相对于正常地层压力而言的。
在正常压实条件下，地层压力一般用同深度的静水柱 压力来表示正常地层压力就是指从地表到目的层中部的 静水压力或流体静压力 通常把偏离静水柱压力的地层孔隙流体压力称之为异 常地层压力，或称压力异常正常地层压力梯度等于9.81 —10.496KPa/m(1.0 g /cm³ -1.07g /cm³) 二、异常地层压力的概念二、异常地层压力的概念 二、异常地层压力的概念二、异常地层压力的概念 ªª 一、一、有关地层压力的概念有关地层压力的概念 ªª 二、二、异常地层压力的概念异常地层压力的概念 ªª 三、三、异常地层压力的形成机理异常地层压力的形成机理 ªª 四、四、异常地层压力的预测方法异常地层压力的预测方法 内内 容容 题题 要要 三、异常地层压力的形成机理三、异常地层压力的形成机理 在地层的某些地区，地层压力因 地质方面的原因而增高，在含油气的 地下圈闭或构造中，也存在着相同的 情况一般形成异常高压地层应具备 以下条件： （1）有相应的地层流体储存空间； （2）有低渗透或不渗透的圈闭层； （3）有相应的上覆岩层压力 圈闭层的作用是阻隔地层流 体与外界连通，使流体能量得不 到释放而保持高的压力状态。
垂 直方向上圈闭层指大段的致密页 岩、盐岩、硬石膏、石膏、白云 岩等地层；水平方向的圈闭限制 则常见有断层、折皱、盐丘、尖 灭等地质构造异常高压的成因 是多方面的，主要有以下几种： 超压 正常 压力 低压 三、异常地层压力的形成机理三、异常地层压力的形成机理 1、异常高压的形成机理 （1）欠压实 （2）矿物脱水 （3）水热增压 （4）烃类的生成 （5）古压力 （6）构造作用 （7）测压水位的影响 （8）流体密度差异 （9）注入作用 （10）胶结作用 （11）渗析作用 2、异常低压的形成机理 （1）测压水位的影响 （2）古压力 （3）构造作用 （4）页岩减压膨胀 （5）温度降低： （6）地下流体的开采 三、异常地层压力的形成机理三、异常地层压力的形成机理 （1） 欠压实 这是目前比较流行的一种成因解释，世界上一些沉积盆 地中的异常高压主要是由于沉积物，特别是泥页岩沉积物的 压实作用所引起的按照地层压力的平衡关系： S=Pf+σZ 式中：S为上覆岩层压力(包括岩石骨架和其中的流体)； Pf为目的层孔隙流体压力； σZ为目的层骨架所承受的垂直应力 1、异常高压的形成机理 三、异常地层压力的形成机理三、异常地层压力的形成机理 在一个开放的压实环境下，当由于上覆岩层重量所造 成的目的层压实量与目的层孔隙向外界排出的流体量相平 衡时，目的层孔隙压力保持正常压力。
而当目的层埋藏达 到一定深度时，其孔隙性和渗透率皆降低到不能以压实的 速率排液时，必然造成压力升高形成异常高压 1、异常高压的形成机理 三、异常地层压力的形成机理三、异常地层压力的形成机理 圆筒顶部有一加压装置，模拟 上覆岩层压力加上载荷时，弹簧 受压而缩短，孔板随之下降，此时 ，水通过孔板向上流动，其流动速 度与孔板的渗透性好坏和上部所加 载荷的大小有关 在加压过程中，通过接在圆筒 底部的压力计，我们可以观察压力 的变化情况： 在盛满水的圆筒中，每隔一定 距离安置一块孔板，孔板与孔板之 间用弹簧支撑，孔板与筒壁之间接 触很严密，水不能通过 孔板：代表地层的孔、渗性； 弹簧：代表岩层的固体骨架 载荷：上覆岩层压力； 水：地层流体； 载荷，Po 压力表 弹 簧 孔 板 Terzagh模型 三、异常地层压力的形成机理三、异常地层压力的形成机理 载荷，Po 压力表 弹簧 孔板 Terzagh模型 A、如果孔板渗透性很好，水能从其中 快速通过，则所加载荷全部由弹簧承担，压 力表指针始终保持静水柱压力不变 B、如果孔板渗透性差，水不能尽快地 通过孔板，则所加载荷必然就有一部分由水 来承担，压力表上的读数就会升高，但是， 经过一定时间后，水还是可以缓慢通过孔板 的，最后达到平衡状态。
显然，随着水的流 出弹簧被压缩，最后，载荷又全部由弹簧来 承担此时，压力表指针读数又恢复到原来 静水柱压力的位置 C、如果最上一层孔板为不渗透的隔板 时，水不能流出，则所加载荷将分别由弹簧 和水所共同承受，这时，压力表上指针将指 向高于静水柱压力的刻度，并且不再下降 这种高于静水柱压力的压力就是高异常 地层压力 三、异常地层压力的形成机理三、异常地层压力的形成机理 上述这种情况，相当于储层四周都为泥页岩、 岩盐或膏岩所封闭时，在上覆沉积物压力作用下， 粘土孔隙中的水不能充分地排出，使粘土处于欠压 实状态，结果就导致了高压异常的形成 可见，形成高压异常的关键是储层处于隔绝或 封闭状态，至少流体受围岩严格控制不易渗流出来 ，使之处于一种欠压实状态 三、异常地层压力的形成机理三、异常地层压力的形成机理 （2） 矿物脱水 在成岩作用过程中，有些矿物会脱出层间水和析出结晶水 ，增加储层中流体的数量，引起压力升高 如粘土矿物中常常含有大量的蒙脱石，而这些蒙脱石则含 有大量的晶格层间水和吸附水，随着沉积物不断地增加，埋深 不断加大，地层温度也不断升高，当温度达到蒙脱石的脱水门 限温度时，蒙脱石将释放大量的晶格层间水和吸附水，并向伊 利石转化。
如果这种排水被限制在一个封闭的体系中，这些被 释放出来的水就在粘土孔隙中积蓄起来，必然造成地层孔隙压 力的升高，形成异常高压通常，蒙脱石的脱水作用是与页岩 的欠压实作用同时出现的 三、异常地层压力的形成机理三、异常地层压力的形成机理 （2） 矿物脱水 1967年，保厄斯用湾岸地区的资料说明：蒙脱石向伊利石 的转化开始于6000英尺的深度，且向深处转化的速度不断增加 ，通常，到了9000~12000英尺的地方基本上就没有蒙脱石的存 在了 又如，石膏向无水石膏转化时会析出大量的水： CaSO4·2H2O = CaSO2 + 2H2O 若这一过程发生在封闭的地质环境中，这些水积蓄起来就 增加了地层中孔隙流体压力，从而造成高压异常 三、异常地层压力的形成机理三、异常地层压力的形成机理 （3） 水热增压 世界钻探经验表明：异常高压地带总是伴随着异常高温地 带出现 随着埋深增加而不断升高的温度会引起岩层骨架及孔隙流 体的膨胀，但后者远大于前者温度增加可以促使孔隙水的运 移，当热膨胀引起的流体运移由于流体被阻挡而无法逸出时， 孔隙流体压力将升高，而产生高压异常 三、异常地层压力的形成机理三、异常地层压力的形成机理 （3） 水热增压 另外，温度升高还可引起岩石中流体相态的变化，析出 CO2等气体，温度升高到一定程度还可引起油页岩中干酪根发 生热裂解，生成烃类气体等。
若这一过程发生在封闭的地质 环境中，这些气体的产生将提高系统的压力而形成高压异常 如美国路易斯安那湾岸地区的一个资料：当地下平均地 温梯度为25℃/km时，温度每增加1℃，地层压力就增加 15.8kg/cm2，所以说，温度升高常常会伴随着压力的增大，温 度对压力的影响是不容忽视的 三、异常地层压力的形成机理三、异常地层压力的形成机理 （4） 烃类的生成 目前，生烃作用被认为是形成超压的最重要因素在逐渐埋 深期间，沉积物中的有机质在一定条件下（一般认为温度达到 93.3℃,生油母质R00.6%，生气母质R00.7%或更大时）转化为 烃类的过程是引起异常高压的重要因素有机物转化成烃（尤其 是低分子烃类）的反应使流体体积增加；另外，烃类生成中所生 成的物质和水在一起，在地层中变单相流动为多相流动时，其两 种流体渗透率之和降低到单相流动时的1/10（Chapman，1972） 在封闭的地质环境中，由于体积的增加和流体渗透率的降低， 从而导致地层孔隙压力的升高，形成异常高压 三、异常地层压力的形成机理三、异常地层压力的形成机理 许多研究（Meissner，1981；Momper，1978；Tissot，1984。