地层压力检测与分析

在石油钻井过程中，地层压力、地层破裂压力和井壁坍塌压力、地应力等是进行钻井工程设计和实际施工的重要基础参数，只有准确地掌握地层压力、地层破裂压力、地层坍塌压力和地应力，才能进行合理的井身结构设计，也才能实施平衡压力钻井和有效地保护油气层。国内外学者提出了不少预测和检测地层压力和地层破裂压力的方法，这些方法在钻井技术发展中起到了重要作用，同时钻井工程实践也丰富和促进了这些方法的进一步完善，使地层压力理论和评价技术形成了系统的理论。

5．2．1．1　地下压力系统

5．2．1．1．1　地下压力系统

地下压力系统是指由上覆岩层压力、地层岩石孔隙中流体的压力（亦称地层压力）、基岩骨架应力组成的压力系统。是作用在地层孔隙内流体（油气水）上的压力，又称地层孔隙压力。正常地层压力等于从地表到地下该地层处地层水的静液压力，即：

式中：pp——地层压力（kPa）；

　　　ρ——地层水密度（g／cm3）；

　　　H——地层垂直深度（m）。

地层压力梯度为：

在钻井过程中遇到的地层压力可分为三类，即正常地层压力、异常高压和异常低压。正常地层压力梯度为9．8～10．486kPa／m，当地层压力梯度大于正常地层压力梯度时称异常高压，反之称为异常低压。地层压力的大小也可用当量钻井液密度来表示。地层压力越高，当量钻井液密度越高。当量钻井液密度指平衡地层压力所需的钻井液液柱压力的钻井液密度。

式中：ρm——当量钻井液密度（g／cm3）。

上覆岩层压力是指覆盖在该地层上的岩石和岩石孔隙中流体的总质量所造成的压力。

即：

式中：po——上覆岩层压力（kPa）；

　　　φ——岩石孔隙度（%）；

　　　ρ——孔隙流体密度（g／cm3）；

　　　ργ——岩石的密度（g／cm3）。

地层埋藏深度越深，岩石的密度越大，孔隙度越小，上覆岩层压力越大。基岩应力也称岩石的骨架应力，是指岩石颗粒与颗粒之间的压力，用σ表示。上覆岩石压力、地层压力和基岩应力三者关系可用下式表示：

在正常地层压力情况下，岩石颗粒间是相互接触的，下部岩石支撑上部岩石的重量，而岩石孔隙中的流体是可以渗透的，上下连通的。因此，流体的重量是由流体自身来支撑。如果由于各种地质原因使岩石颗粒间接触减小，即基岩应力减小，那么上覆岩层的一部分重量就要压在岩石孔隙中的流体上，使孔隙内的流体所受的压力增大，即此时的地层压力大于正常的地层压力。如果某一岩层的颗粒与颗粒间完全没有接触，即基岩应力为零时，则上覆岩层的重量就会全部压在该地层的流体上。此时，地层压力就等于上覆岩层压力，产生异常高压。

5．2．1．1．2　地层破裂压力

地层破裂压力是指地层抵抗水力压裂的能力。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，会使该地层发生破裂，此压力值就是该地层的破裂压力。地层破裂压力也可用地层破裂压力梯度表示，即每单位深度地层破裂压力的增加值。

式中：Gf——地层破裂压力梯度（kPa／m）；

　　　pf——地层破裂压力（kPa）。

地层破裂压力对钻井、完井和油气井压裂增产都是一个极为重要的基础参数，在钻井工程中，它是井身结构设计、平衡压力钻井、平衡压力处理溢流和井喷、防止井下复杂情况和事故以及保护油气层的重要原始参数。

5．2．1．1．3　地层坍塌压力

坍塌压力指液柱压力由大向小减小到一定程度时井壁将要发生坍塌时的液柱压力，其大小与岩石本身特性及其所处的应力状态等因素有关。确定坍塌压力的目的是为了确定平衡压力钻井中合理的钻井液密度。在一般情况下，地层坍塌压力小于破裂压力。如坍塌压力小于地层压力，这时钻井液密度的设计和使用应以地层压力为依据，如大于地层压力则应根据井的实际情况采取相应措施，如改善钻井液性能、下技术套管封隔坍塌层，或适当地增加钻井液密度。总之，地层坍塌压力确定可为钻井设计和施工提供一定的依据。

5．2．1．2　地层压力检测

进行地层压力检测可为平衡钻井提供可靠的地层压力数据，即建立四个压力剖面，对合理确定钻井液密度和保护油气层有着重要意义。地层压力检测的方法可分为两类：一类是用邻井资料进行压力预测，建立地层压力剖面，用于钻井工程设计。另一类是根据已钻地层的数据进行压力检测，掌握地层压力变化规律而决定现行的钻井措施。

5．2．1．2．1　地层压力剖面的建立

5．2．1．2．1．1　钻井前地层压力预测。钻井前地层压力预测的目的是建立某一构造（地区）的压力剖面，为钻井工程设计提供基础数据。钻井前地层压力预测有以下方法。

（1）地震法。地震反射波法是地球物理技术中应用最为广泛的一种方法。地震反射波在不同的岩层、不同的压实强度下传播速度是不一样的。利用地震资料估计地下地层边界，确定油气层范围，预测油气层压力，在6000m深地层范围内其准确性可达98%。

岩石密度越大，传播速度越快。从泥岩的压实规律来看，在正常情况下，随着埋藏深度的增加，岩石密度和地震波传播速度逐渐变大。在异常高压层，这种趋势不再存在，地震波将有明显变化。如图5－7所示，正常段层速度随井深增加而增大，高压异常层段欠压实，地震波的传播速度比正常压实情况下的传播速度小。反映在v－H图上，表现为速度比正常趋势线相同深度的岩石传播速度低，速度曲线在正常趋势线左边。低压异常岩石越压实，地震波的传播速度比正常情况越大。压力异常越大，曲线偏离正常趋势线越大，反之则小。根据这一规律及有关公式就可计算异常压力值。

目前国内外用于地震资料确定地层压力的方法大致可概括为三种，即等效深度法、经验曲线法和地震资料直接预测法。

（2）声波时差法。这种方法是通过测量声波在不同地层岩性中声波传播速度的变化来识别地层岩性，判断油气层和确定孔隙压力。声振源在岩石中产生的声波同时会以纵波和横波的形式传播，在同一岩石中，纵波的传播速度约是横波的2倍。目前声波测井主要是研究纵波在地层中的传播规律。

在正常地层压力井段，井深增加，孔隙率减小，声波速度增大，声波时差减小。根据声波时差数据，在半对数坐标上绘出曲线。在正常压力地层，曲线为一直线，称为声波时差的正常趋势线。对于异常高压层，孔隙率增大，声波速度减小，声波时差增加。进入异常压力层声波时差线偏离正常趋势线，由此可求出地层压力。

图5－7　层速度与井深的关系

（3）页岩电阻率法。在正常沉积压实的页岩地层，地层电阻率的大小主要取决于页岩的孔隙率。随着井深的增加，地层岩石的孔隙率减小，地层水的含量降低，地层的电阻率则逐渐增大。进入高压地层后，地层岩石的孔隙率增大，流体含量增高，则地层的电阻率降低。因此，利用泥页岩地层电阻率的变化可定量估算地层压力。

5．2．1．2．1．2　钻井过程中地层压力检测。钻井过程中对所钻地层进行地层压力检测，可以了解地层压力的实际变化，以便对所钻地层进行有效的控制，决定现行钻进措施。另一方面，对区域地层压力预测剖面进一步完善，为下一批井提供可靠的工程设计依据。

（1）d（dc）指数法。d（dc）指数法就是利用泥、页岩压实规律和压差对机械钻速的影响规律来检测地层压力。这是目前应用最广的方法，但只限于砂泥岩地层。

它是通过泥页岩压实规律和井底压差对机械钻速的影响规律来预测地层压力。机械钻速与钻压、转速、水力因素、钻井液性能、地层岩性、钻头类型和尺寸等因素有关，如果保持其他因素不变，机械钻速将随钻井液液柱压力与地层压力之差的减小而增加。当钻至压力过渡带和高压层时，岩石欠压实，孔隙度大易钻进，而高的孔隙压力又有助于岩石颗粒脱离母体，同时小的压差减小了对岩屑的压持效应，这就是在钻至高压层时往往发生钻速突然增快的原因。利用这种关系，就能够在钻进过程中检测异常地层压力。但是要求在钻进过程中保持不变的钻进条件，使机械钻速的变化只受地层压实规律和地层压力的影响是不实际的，钻压转速很难恒定不变，钻头总要逐渐磨损，因此，用机械钻速不易准确预报，更难定量计算地层压力，为了补偿钻井参数对机械钻速的影响，提出了d指数概念。

（2）标准钻速法。影响钻速的主要因素有钻压、转速、水力参数、岩性、牙齿磨损和压差等。在钻进过程中，任意一参数的变化都会引起钻速的改变。如果使除压差外的各因素都固定不变，那么钻速的变化就只反映了压差的影响。标准钻速法就是利用钻速和各参数间的函数关系，把在不同的钻压、转速、水力参数等参数下得到的实际钻速值都换算成统一的参数标准值，标准化后的钻速仅反映了压差的影响。如果在钻进井段钻井液当量循环密度一定，则标准化后的钻速变化就只反映了地层压力的变化，因而可以用来检测地层压力。

关于这两种检测地层压力技术的计算方法和步骤，需要详细了解的读者请参看有关专著。检测地层压力的方法很多，如页岩密度法、温度法、钻井液电阻率法、密度和中子测井法以及C指数法等，请读者参阅有关文献。

5．2．1．2．2　地层破裂压力剖面的建立

地层破裂压力广泛应用于钻井的井身结构、井控设计与施工以及油田开采过程中的压裂增产措施。检测地层破裂压力常用的方法有：

（1）Eaton法。

式中：pf——地层破裂压力（kPa）；

　　　μ——岩石泊松比，无因次；

　　　pp——上覆岩层压力（kPa）。

（2）Stephen法。

式中：β——构造应力系数。

（3）Anderson法。

式中：α——毕奥特系数，无因次。

（4）声波法。声波在弹性岩体中传播速度只与岩石的密度、动态杨氏模量和泊松比有关。因此，如能测得弹性岩石中的纵横波时差及其密度，便可计算出岩石的动态杨氏模量和泊松比值。目前，在地层破裂压力预测中，有直接应用岩石动态弹性参数的，有用岩石静态弹性参数的，而静态参数可由动态参数经过经验转换得到。声波法就是应用上述原理来预测计算地层破裂压力。

5．2．1．2．3　地层坍塌压力剖面的建立

坍塌压力的计算式为：

式中：pt——坍塌压力（MPa）；

　　　Kt——区域构造应力影响系数，同一区块为一常数，无因次；

　　　τo——岩石固有抗剪强度（MPa）。

5．2．1．2．4　地应力剖面的建立

运用测井资料、实测地层岩石力学性能和破裂压力计算三维主地应力分布，从而建立剖面。

5．2．1．3　井内压力系统

井内压力系统是指井内流体的静、动压力，管柱在井内运动产生的波动压力，钻屑进入环空增加了环空循环流体密度而产生的压力。

5．2．1．3．1　钻井液静、动水压力

（1）钻井液静液压力是井内钻井液液柱重量产生的压力，它是井眼内的基本压力。其计算式为

式中：pm——钻井液静液压力（kPa）；

ρm——钻井液密度（g／cm3）；

H——井深（钻井液液柱高度）（m）。

井越深，钻井液密度越大，钻井液静液压力越大。

（2）在钻进过程中钻头破碎的岩屑要被钻井液带到环形空间，使环形空间的钻井液密度增大，钻井液柱压力增大。岩屑进入钻井液后的钻井液密度可用下式求得

式中：ρmr——岩屑进入钻井液后的钻井液密度（g／cm3）；

　　　ρm——钻井液密度（g／cm3）；

　　　ρr——岩屑的密度（g／cm3）；

　　　Q——钻井液排量（cm3／min）；

　　　q——单位时间钻出的岩屑体积（cm3／min），q＝πm／4。

钻井液柱压力的增加值ρmr为：

钻速越快，岩屑越多，钻井液柱压力增加越大。

（3）在起钻时，起出一定数量的钻柱后，井眼内的钻井液柱高度降低，钻井液柱压力随之减小。通常在没有自动灌浆装置的情况下，在起钻过程中每起出钻具灌一次钻井液，灌钻井液前液柱压力减小值可用下式求得

式中：Dh——井眼直径（m）；

　　　Dp——钻具直径（m）；

　　　Di——钻具内径（m）；

　　　ρm——钻井液密度（g／cm3）；

　　　L——灌钻井液前起出钻柱长度（m）。

5．2．1．3．2　井内波动压力

管柱在充有流体的井内运动会产生附加压力。下放管柱产生的附加压力主要是激动压力，上起管柱产生的附加压力主要是抽吸压力，这两个压力称为管柱在充有流体的井内运动时产生的波动压力。波动压力以弹性波的方式在井内传播。理论研究和钻井实践表明，25%的井喷直接是由于起钻时产生的抽吸压力引起的。

下钻速度过快产生过大的激动压力压裂地层，造成井漏、井塌和卡钻事故。延误钻井时间，增加对油气层的浸泡时间。

无论是起钻还是下钻，激动压力和抽吸压力都可能交替出现，致使井壁受到一个交变载荷引起井壁坍塌，井径扩大。

开泵下放钻具，将在环空引起高流速和井底压差，损害油气层。

井内波动压力是钻井工程设计中井身结构设计、钻井液密度设计和平衡压力钻井设计的主要基础数据。井内波动压力预测有两种方法，即刚性液柱法和弹性液柱法。

（1）刚性液柱法（或稳态分析法）。这种方法是基于不可压缩流体理论建立起来的。Burkhardt、Schuh等在实验的基础上，以不可压缩流体理论建立了井内波动压力的稳态预测模式。目前国内外油田在工程设计和施工中均采用此法。由于稳态模型未考虑井内流体（道）的弹性、运动管柱纵向弹性及惯性等影响，当井较深时，稳定理论预测值比实际井内波动压力大50%～100%。因此，近年来国内外学者以弹性液柱理论对井内波动压力预测进行了深入的理论和实验研究。

（2）弹性液柱法。弹性液柱理论考虑了井内流体的可压缩性和流道的弹性，认为运动管柱引起的压力变化将以一个很大的，但有限的波速传遍液柱。自1983年开始，国内外学者以弹性液柱理论对井内波动压力进行了大量的理论和实验研究，以弹性液柱理论建立了井内波动压力预测的瞬态模型。

1）基本方程。由质量守恒和动量守恒原理可导出管柱在充有钻井液的井内运动时引起的液体作一维不稳定流的连续方程和运动方程：

式中：P——任意截面在任意时刻的波动压力（MPa）；

　　　q，v——某一P值对应的体积流量及流速（m3／s，m／s）；

　　　ρ——钻井液密度（g／cm3）；

　　　A——流道面积（m2）；

　　　m——流道水力半径（m）；

　　　f——摩阻系数，无因次；

　　　s，t——距离轴和时间轴（m，s）；

　　　c—压力波速（m／s），c＝。其中，α为钻井液压缩系数（Pa－1），β为流道膨胀系数（Pa－1）。

井内水力学系统包括串联流道和并联流道的复杂水力学系统。对于不同的井身结构，运动管柱在不同的位置时，水力系统的流道组合也不同。对不同的流道组合，根据各自的初始条件、边界条件及连接条件用混合隐式差分法对式（5－21）和式（5－22）进行求解，对其中的非线性方程组可利用Newton－Raphson迭代法求解。

2）影响井内波动压力的因素。由前面分析可知，井内波动压力可能给井内施加一个大的附加压力而损害油气层。因此在钻井中，要准确预测给定条件下产生的波动压力以指导钻井工程设计和施工，另一方面在已知油气层压力条件下，如何控制影响波动压力的因素，减小这个附加压力造成的井下复杂事故及引起的油气层损害。影响井内波动压力的主要因素有：①管柱运动速度vp；②环空间隙；③钻井液流变性；④钻头喷嘴尺寸；⑤钻井液密度。

3）环空流动阻力。钻进循环钻井液时，钻井液在环空上返产生的流动阻力作用在井底，使井底压力增加，当停止循环时，流动阻力消失，井底压力又减小。环空流动阻力取决于钻井液上返速度、环空间隙、井深和钻井液性能。钻井液上返速度越大，井越深，环空间隙越小，钻井液密度和黏度越高，流动阻力越大。通过以上分析说明，在钻穿油气层的过程中，为了有效地保护油气层，钻井液性能设计不但要满足“压而不死，活而不喷”的原则，而且应考虑在下钻中的附加压力对油气层的污染和损害。