地层和井眼之间压力与计算

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1、第二章地层与井眼之间的压力及计算 2 1压力的概念2 2静液压力2 3当量钻井液密度2 4地层压力2 5上覆岩层压力2 6破裂压力2 7地层坍塌压力2 8循环压力损失与环空压耗 2 9地层漏失压力2 10循环压力损失与环空压耗2 11井底压力2 12钻井液密度的确定2 13压力控制钻井类型的划分 2 1压力的概念 1 压力定义压力也称压强 其定义是单位面积上所受的力 2 压力表达式式中 P 压力 N m2 A 面积 m2 F 作用在面积上的力 N 3 压力的单位 Pa1Pa 1N m21kPa 1000Pa 103Pa1MPa 1000kPa 103kPa 1000000Pa 106Pa1MP

2、a 10 194kgf cm21kgf cm2 98 067kPa 0 098067MPa近似计算1kgf cm2 100kPa 0 1MPa 误差约2 1psi 6 895kPa 2 1压力的概念 1 静液压力和静液压力梯度的定义静液压力是由静止液体的重力产生的压力 其大小取决于液体的密度和液体的垂直高度 与液柱的横向尺寸及形状无关 静液压力梯度是指每增加单位垂直深度静液压力的变化量 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 2 2静液压力 2 静液压力的计算式中 P 静液压力 Kap

3、pa 液体密度 g cm3 g 重力加速度 9 8g cm3 H 柱的垂直高度 m 在陆上钻井作业中 H为井眼的垂直深度 起始点自转盘面算起 液体的密度为钻井液的密度 单位为g cm3 钻井液密度数值与钻井液比重数值一样大 2 2静液压力 例 如图所示 地层水密度1 07g cm3井内钻井液密度为1 2g cm3 3000m处静液柱压力为多少 解 井内3000m处静液柱压力P 0 0098 H 0 0098 1 2 3000 35 29MPa 2 2静液压力 3 静液压力梯度的计算根据压力梯度的定义可知 其计算公式为 式中 G 压力梯度 kPa m Mpa m p 静液压力 kPa MPa H

4、 液柱的垂直高度 m p 液体密度 g cm3 g 重力加速度 9 81m s2 用压力梯度的定义 静液压力的公式也可以写成 静液压力 压力梯度 垂深 p G H 2 2静液压力 例2某井钻至井深3600m处 所用钻井液密度为1 5g cm3 计算井内静液压力梯度 解 G g 1 5 9 81 14 7kPa m 2 2静液压力 2 3当量钻井液密度 1 当量钻井液密度的定义当量钻井液密度是指将井内某一位置所受各种压力之和 静液压力 回压 环空压力损失等 折算成钻井液密度 称为这一点的当量钻井液密度 把地层压力 地层破裂压力 循环压力折算成钻井液密度 分别称为地层压力当量钻井液密度 地层破裂压

5、力当量钻井液密度 循环压力当量钻井液密度 2 当量钻井液密度的计算式中 P 压力 MPa H 井深 m 例3井深2800m 钻井液密度1 24g cm3 下钻时存在一个1 76MPa的激动压力作用于井底 计算井底压力及当量钻井液密度 解 井底压力p 1 24 0 00981 2800 1 76 35 82MPa当量钻井液密度 2 3当量钻井液密度 1 地层压力定义地层压力是指作用在地层孔隙流体上的压力 用Pp表示 2 地层压力的计算正常地层压力等于从地表到地下该地层处的静液压力 即PP Ph 9 8 pH地层压力梯度GP Gh 9 8 pPP 地层压力 kPa GP 地层压力梯度kPa m P

6、 地层水密度 一般为1 1 07g cm3 H 地层垂直深度m 2 4地层压力 3 地层压力的表示方法1 用压力的单位表示 这是一种直接表示法 2 用压力梯度表示 例 已知地层压力当量钻井液密度1 24g cm3 计算地层压力梯度 解 G 9 81 1 24 12 164kPa m例 已知地层压力是30MPa 地层深度2000m 计算地层压力梯度 解 G 30 1000 2000 15kPa m3 用地层压力梯度MPa m表示 例如地层压力为0 015MPa m 2 4地层压力 在对比不同深度的地层中的压力时 可消除深度影响 用压力梯度表示压力时 压力梯度乘以深度即得该深度处的压力 4 用地层

7、压力当量钻井液密度表示地层压力地层压力梯度消除了地层深度的影响 如果同时消除地层深度和重力加速度的影响 那么 地层压力便可直接用地层压力当量钻井液密度来表示 地层压力当量钻井液密度就是平衡地层压力所需的钻井液密度 2 4地层压力 2 4地层压力 又因为Pp pgH得式中 e 地层压力当量钻井液密度 g cm3 此表示法与压力梯度相似 也可以免除因深度不同带来的不便 且易与施工时所用钻井液密度相对比 较之压力梯度更为直观 亦称为当量钻井液密度 5 用地层压力系数来表示地层压力压力系数是某点压力与该深度处的淡水柱静压力之比 无因次 数值上等于平衡该压力所需泥浆密度之值 压力系数K Pp 0 009

8、8 水H 如 1km深处的压力为11 8MPa 相同深度的水柱压力为0 0098 1g cm3 1000m 则压力系数 11 8MPa 0 0098 1g cm3 1000m 1 2当用地层压力当量钻井液密度表示地层压力时 人们在叙述时要说某地区正常地层压力为1 07g cm3 为了叙述方便起见 人们往往把单位去掉 而说某地层压力为1 07 这就是地层压力系数 2 4地层压力 地层压力系数是指某地层深度的地层压力与该深度处的淡水静液柱压力之比 地层压力系数无单位 其数值等于平衡该地层压力所需钻井液密度的数值 四种压力表示方法均为国内外油气井作业常见的压力表示方法 它们的意义是相同的 知道其一

9、便可求出其它三个量 PP 0 0098 PHGP 0 0098 P 2 PK e 取掉单位 地层压力系数 地层压力当量钻井液密度取掉单位 2 4地层压力 例题 如地层液体密度为1 20g cm3 试求垂直深度为2000m处地层压力 地层压力梯度 地层压力当量钻井液密度 地层压力系数 解 地层压力Pp 0 0098 PH 0 0098 1 20 2000 23 52MPa 地层压力梯度Gp 0 0098 p 0 0098 1 20 0 01176MPa m 地层压力当量钻井液密度 e p 1 20g cm3 地层压力系数K 1 20 2 4地层压力 4 地层压力的分类1 正常地层压力在各种沉积物

10、中 正常地层压力等于从地表到地下某处连续地层水的静液柱压力 其值的大小与沉积环境有关 一类是淡水和淡盐水盆地 淡水密度是1g cm3 形成的压力梯度为9 8kPa m 而另一类是盐水盆地 其密度随含盐量的不同而变化 一般为1 07g cm3 形成的压力梯度为10 5kPa m 这相当于总含盐量为80g 1的盐水柱在25 时的压力梯度 按习惯 把压力梯度在9 8 10 5kPa m之间的地层称为为正常压力地层 2 4地层压力 2 异常高压地层压力梯度大于正常压力梯度时 称为异常高压 地层压力正常或者接近正常 则地层流体必须一直与地面连通 这种通道常常被封闭层或隔层截断 在这种情况下 隔层下部的地

11、层流体必须支撑上部岩层 岩石重于地层流体 所以地层压力可能超过静液压力 形成异常高压地层 3 异常低压地层压力梯度小于正常压力梯度时称为异常低压 这种情况多发生于衰竭产层和大孔隙的老地层 2 4地层压力 上覆岩层压力上覆岩层压力是某深度以上的岩石和其中流体对该深度所形成的压力 地下某一深处的上覆岩层压力就是指该点以上至地面岩石的重力和岩石孔隙内所含流体的重力之总和施加于该点的压力 这种情况与把圆柱体放在桌面上的情况很相似 地下岩石平均密度大约为2 16 2 64g cm3 于是平均上覆岩层压力梯度大约为22 62kPa m 2 5上覆岩层压力 式中 Po 上覆岩层压力 Pa H 该处垂直深度

12、m 岩石孔隙中流体的密度 kg m3 岩石孔隙度 rm 岩石密度 kg m3 2 5上覆岩层压力 上覆岩层压力与地层孔隙压力的关系是 0 M Pp式中 0 上覆岩层压力 MPa M 基体岩石重力 MPa Pp 地层孔隙压力 MPa 同样 可以写成G0 GM Gp式中 G0 上覆岩层压力梯度 kPa m GM 基体岩石压力梯度 kPa m Gp 孔隙压力梯度 kPa m 2 5上覆岩层压力 地层破裂压力是指某一深度地层发生破碎和形成裂缝时所能承受的压力 井内压力过大会使地层破裂并将全部钻井液漏入地层 影响因素 埋藏深度 地质年代 覆盖压力 地层压力 岩石性质 岩石应力状态 岩石压实程度在地层破裂

13、之前 液体首先必须穿入地层 这就是说 作用在地层上的压力必须超过地层压力 井中压力必须大于岩石的强度 例如 花岗岩是非常硬的 所以其破裂梯度也会很高 另一方面 砂岩或破碎灰岩是比较软的 所以容易破裂 2 6地层破裂压力 地层破裂压力Pf的计算 Pf 0 0098 fHf式中 Pf 地层破裂压力MPa f 地层破裂压力当量密度g cm3 Hf 漏失层垂直深度m 地层破裂压力梯度 Gf Pf Hf 0 0098 f Gf 地层破裂压力梯度MPa m 掌握破裂压力的重要性为了合理进行井身结构设计和制定施工措施 除了掌握地层压力梯度剖面外 还应了解不同深度处地层的破裂压力 在钻井中 合理的钻井液密度不

14、仅要略大于地层压力 还应小于 2 6地层破裂压力 地层破裂压力 这样才能保持油气层 获得高钻速 实现安全高效钻井 破裂压力是确定最大关井压力的依据 影响地层破裂压力的主要因素1 取决于其自身的特性 这些特性主要包括地层中天然裂缝的发育情况 它的强度及其弹性常数的大小 2 地层压力对其破裂压力有很大的影响 一般来说 地层的孔隙压力越大 其破裂压力也越高 3 地层破裂是地层受力作用的结果 与地层中存在的地应力大小有很大关系 2 6地层破裂压力 测破裂压力时井口压力和泵入量的关系 2 6地层破裂压力 地层破裂压力试验目的检查注水泥作业的质量 每层套管注完水泥并钻掉水泥塞后 再钻1m新井眼 进行液压试

15、验 检查套管鞋处水泥封闭质量 实测地层破裂压力 1 计算地破裂压力梯度Gf Gf Pf Hf式中 Gf 地层破裂压梯度 MPa m 符号同前 2 破裂压力当量钻井液密度 mf mf 102Pf Hf mf 102Gf式中 mf 破裂压力当量钻井液密度 g cm3 其他符号同前 2 6地层破裂压力 3 确定最大允许钻井液密度 mmax考虑安全附加压力 实际允许的最大钻井液密度应小于地层破裂压力当量钻井液密度 通常表层套管取安全附加压力Sf 0 06g cm3 技术套管Sf 0 12g cm3 则 表层套管以下 mmax mf 0 06 g cm3 技术套管以下 mmax mf 0 12 g cm

16、3 4 最大允许关井套压与井内钻井液密度的关系以地层最大破裂压力为纵坐标 以最破裂压力当量钻井液密度为横坐标 把两点连接成一直线 则从图中很快得出所用钻井液密度的最大允许关井套压 2 6地层破裂压力 2 7地层坍塌压力 地层坍塌压力是指井眼形成后井壁周围的岩石应力集中 当井壁周围的岩石所受的切向应力和径向应力的差达到一定数值后 将形成剪切破坏 造成井眼坍塌 此时的钻井液液柱压力即为地层坍塌压力 地层坍塌压力的大小与岩石本身特性及其所处的应力状态等因素有关 地层漏失压力是指某一深度的地层产生钻井液漏失时的压力 对于正常压力的高渗透性砂岩 裂缝性地层以及断层破碎带 不整合面等处 往往地层漏失压力比破裂压力小得多 而且对钻井安全作业危害很大 2 8循环压力损失与环空压耗 循环压力损失是指泵送钻井液通过地面高压管汇 水龙带 方钻杆 井下钻柱 钻头喷嘴 经环形空间向上返到地面循环系统 及其他所经过的物体 因摩擦所引起的压力损失 在数值上等于钻井液循环泵压 该压力损失大小取决于钻柱长度和钻井液密度 黏度 切力 排量和流通面积 2 9抽汲压力和激动压力 抽汲压力抽汲压力就是由于上提钻柱而使井底压力减