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1、钻井工程 第一至第三章,目 录,第一章 钻井的工程地质条件 第二章 钻进工具 第三章 钻井液 第四章 钻进参数优选 第五章 井眼轨道设计与轨迹控制 第六章 油气井压力控制 第七章 固井与完井,第一章 钻井的工程地质条件,本章主要内容:地下各种压力的概念异常高压的原因地层破裂压力岩石的力学特性,第一节 地下压力特性,一、地下压力的各种概念（一）静液压力（hydrostatic pressure）静液压力由液柱自身重力所引起的压力 ，其大小与液体的密度和液柱的垂直高度或深度有关。（1-1） 式中： 静液压力， ； 液体密度，液柱的垂直高度，m；静液压力梯度单位深度的液柱压力称为静液压力梯度，（1-
2、2）,（二）上覆岩层压力 （Overburden pressure）,上覆岩层压力 地层某处的上覆岩层压力是该处以上地层（包括岩石基质和岩石孔隙中的流体）总重力所产生的压力。（分段计算）式中：上覆岩层压力， ； D 地层垂直深度，m；地层空隙度 ， % ； 岩石骨架密度，孔隙中的流体密度， 地层密度，,地层密度的确定：,密度测井法声波测井法：上覆岩层压力梯度上覆岩层压力随深度增加而增大沉积岩的平均密度大约为2.5 ，上覆岩层压力梯度一般为0.0227兆帕/米。在实际钻井过程中，以钻台作为上覆岩层压力的基准面。,（三）地层压力 （Formation pressure）,地层压力指岩石空隙中的流体
3、所具有的压力，也称为地层孔隙压力（ Formation pore pressure ），用 表示。正常地层压力等于地层流体的静液压力， 。异常地层压力地层压力大于或小于正常地层压力。超过正常地层压力的地层压力（ ）称为异常高压。低于正常地层静液压力的地层压力（ ）称为异常低压。,（四）基岩应力（Matrix stress）,上覆岩层压力由岩层的基质颗粒（骨架）和孔隙中的流体共同承担。由岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力，称为基岩应力。亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或颗粒间压力，用 表示。,（五）地下各种压力的关系,上覆岩层压力由岩层的基质颗粒（骨架）和孔隙中的流体共同承担。因此上覆岩
4、层压力、地层压力和基岩应力存在以下关系：当 一定时， 越小， 增大。 0， 所以，地层的孔隙压力增大，基岩应力必然减小。,地层沉降压实机理：沉积物的压缩过程是由上覆沉积层的重力所引起 的。随着地层的沉降，上覆沉积物重复地增加，下覆岩层就 逐渐被压实。如果沉积速度较慢，沉积层内的岩石颗粒就有 足够的时间重新紧密的排列，并使孔隙度减小，孔隙中的过 剩流体被挤出。如果是“开放”的地质环境，被挤出的流体就 沿着阻力小的方向，或向着低压高渗透的方向流动，于是便 建立了正常的静液压力环境。于是地层水自下而上形成连续 的正常的静液压力系统。,正常地层压力的形成在地层的沉积过程中，随着上覆沉积物不断增多，地层
5、逐 渐被压实，孔隙度减小，如果地层是可渗透的、连通的、地层中 流体的流动不受限制（称之为水力学开启系统），地层孔隙中流 体则随着地层的压实被排挤出去，建立起静液压力条件，形成正 常压力地层。,（六）异常地层压力成因,异常低压和异常高压系统称为异常压力（abnormal pressure）1、异常低压 （abnormal low pressure）压力梯度小于0.00981 （即正常地层压力梯度）的是异常低压。产生异常低压的原因：（1）生产多年而友没有压力补充的枯竭油气层。（2）地下水位极低。,2、异常高压（ abnormal high pressure ）地层压力梯度大于地层流体的静液压力梯度
6、（0.009810.0105 ）时，称为异常高压。（1）形成异常高压的地质条件 地层具有保存流体的孔隙 地层周围存在不渗透围栅，构成圈闭。 具有一定的埋藏深度。,（2）异常高压的成因在地层被不渗透的围栅包围，流体被圈闭在地层的孔隙空间 内不能自由流通（称之为水力学封闭系统）的条件下，随着地层 的不断沉积，上覆岩层压力逐渐增大，而圈闭在地层孔隙中的流 体排不出去，必然承受部分上覆岩层重力。结果是地层流体压力 升高，地层得不到正常压实，孔隙度相对增大，岩石密度相对减 小，基岩应力相对降低，这种作用称为欠压实作用。,地质构造作用：造成地层上升、巨大地应力挤压 水热增压作用：温度升高、流体膨胀 渗透作
7、用：水由盐浓度低的一侧通过泥岩半透膜向高侧渗透异常高压的大小异常高压一般不会超过上覆岩层压力 。但也有超过上覆岩层压力 的特高压地层，由覆盖在高压层以上的岩层的内力帮助上覆岩层压力 来平衡地层流体的巨大向上作用力。,二、地层压力评价 地层压力预测（钻前）：地震资料法、测井资料法 地层压力监测（钻进中）： 指数法、页岩密度法、标准化钻速法（一）地层压力预测地震法、声波时差法、页岩电阻率法1、声波时差法声波（纵波）在单位距离地层内的传播时间称为声波时差法。式中： 声波时差， ； 岩层密度，E岩石的弹性模量， 岩石的泊松比； 对于一定岩性（泥页岩），,2、声波时差法检测地层压力的基本原理（1）声波时
8、差与泥页岩孔隙度的关系（1-9）（2）正常沉积条件下，泥页岩孔隙度与埋藏深度的关系（1-10）泥页岩在地面的孔隙度可用声波时差表示（1-11）（3）正常沉积条件下，泥页岩声波时差与埋藏深度的关系（1-12）,（4）基本原理 在正常压力层段，随着地层埋藏深度的增加，岩石孔隙度减小，密度增大，逐渐减小。在半对数坐标中，声波时差随井深呈直线变化关系，称之为正常趋势线。 正常沉积条件下，泥页岩孔隙度与埋藏深度的关系其中： 泥页岩的孔隙度，%；泥页岩在地面的孔隙度，%；c 为常数；D 为井深； 进入异常高压地层时，由于岩层欠压实，孔隙度相对增大，声波时差相对增大，则必偏离正常压力趋势线。据此可预测异常高
9、压，并可根据偏离程度大小定量计算地层压力。,3、地层压力计算常用方法：经验图版法、当量密度法,当量密度：某深度地层压力与等高液柱压力等效时相当的液体密度,4、地层压力预测步骤 （1）收集声波时差测井资料，读取泥页岩点的声波时差数据 （2）绘制散点图，引出正常压力趋势线 （3）读出异常高压层段的实际 和该深度D所对应的正常趋势 线上的声波时差 ，计算 （4）从经验图版上读取 所对应的当量密度 （5）计算地层压力注意：声波时差不仅与地层孔隙度有关，而且受岩石弹性、地层流体性质、钻井液性能、测井误差等因素影响，因此预测结果存在一定的误差。,（二）地层压力监测（检测）指数法、SigmaLog法、页岩密
10、度法、标准化钻速法1、 指数法的概念宾汉钻速模型（Bingham，1964） （1-13）d指数（泥页岩层）（1-14）采用工程单位：（1-15）式中： 机械钻速，m/h; n转速，r/min；W 钻压 KN 钻头直径，mm；,在正常地层压力条件下，若岩性和钻井条件不变，机械钻速随井深增加而减小，则d指数随井深增加而增加。钻遇异常高压，由于地层欠压实，机械钻速增大，d指数相对减小，据此可评价地层压力。,dc指数Rehm&Meclendon(1971)研究了钻井液变化的影响（钻井液密度增大将导致机械钻速降低，d指数增大），提出了修正的d指数，称为dc指数。（1-16） 式中：地层水密度， 钻井液
11、密度；,2、基本原理,在正常地层压力条件下，若岩性和钻井条件不变，机械钻速随井深增加而减小，则dc指数随井深增加而增加。在半对数坐标中，dc指数随井深呈直线变化关系，称之为正常趋势线。当钻遇异常高压，由于地层欠压实，机械钻速增大，d指数相对减小，偏离正常趋势线。据偏离程度可评价地层压力。,3、地层压力的计算方法经验图版法、经验公式法、当量（等效）深度法（1）经验公式法（1-17） 式中：地层压力当量密度；地层水密度所求井深处，正常趋势线上的dc所求井深处，实际dc,(2)等效深度法,等效深度:若深度为D的异常压力地层 与正常压力地层段的某一深度De处的地层具有相等dc指数,则可以认为高处地层的
12、压实程度相同,基岩应力相等,即:若dc(D)-dc(De),则De处: D处: 井深D处的地层压力为:式中:等效深度De处的正常地层压力梯度，Mpa/m；,4、dc指数法评价地层压力的步骤（1）收集泥页岩地层的正常压力和异常压力的钻井资料；钻速、钻压、转速、钻头直径、地层水密度、实际钻井液密度；（2）计算dc指数；（3）在半对数坐标中绘制散点图，求出正常dc趋势线；（4）计算地层压力。问题：1）水力参数、地层岩性、钻头类型等因素的变化都会引起机械钻速的 变化，从而导致dc指数的变化。因此，dc指数法评价地层压力存在较大的误差。2）声波法和dc指数法只适用于泥页岩地层（砂泥岩剖面），对于碳酸 岩
13、地层，目前尚无合适的方法。,三、地层破裂压力（fracture pressure）,1.井眼周围岩石的受力状态（1）上覆岩层压力Po（2）地层孔隙压力Pp（3）水平地应力（4）钻井液液柱压力Pe有效地应力（岩石骨架应力）：有效垂直地应力（基岩应力）有效水平地应力,（1-19）,2、地层破裂压力某深度处地层破裂时所能承受的液体压力称为该地层的破裂压力，用Pf表示。它取决于井眼周围的岩石应力状态和岩石强度。,地层开裂条件,3、预测方法（1）Hubbert &Willis (1957)认为：三位不均匀应力状态， 井内液压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时（2）Mathews & Kelly (1967)认为 ：水平均匀地应力状态，井内液压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时 （1-21）,地 层才能破裂,地 层才能破裂,（3）Eaton (1969)认为：水平均匀地应力状态，井内液压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地（1-23） （1-24）,
