地層壓力-地層破裂壓力-地層坍塌壓力預檢測(共12頁)

1、地層(dcng)破裂壓力和坍塌(tnt)壓力預測摘 要地層(dcng)破裂壓力和地層坍塌壓力是鉆井工程設(shè)計的重要依據(jù)，對確定合理的鉆井液密度和其他鉆井參數(shù)有重要意義。在參考了一些書籍和相關(guān)論文的基礎(chǔ)上，對地層破裂壓力和坍塌壓力的預測方法做出了較為系統(tǒng)的總結(jié)。地層破裂壓力的預測主要有H-W模式和H-F模式，包括伊頓法、黃榮樽法、安德森法等；地層坍塌壓力的預測主要基于井壁巖石剪切和拉伸破壞的原理。關(guān)鍵詞：破裂壓力；坍塌壓力；預測第一章 前言地層破裂壓力是指使地層產(chǎn)生水力裂縫或張開(zhn ki)原有裂縫時的井底流體壓力。它是鉆井和壓裂設(shè)計的基礎(chǔ)和依據(jù)。如何準確地預測地層破裂壓力，對于預防漏、噴、塌

2、、卡等鉆井事故的發(fā)生及確保油氣井壓裂增產(chǎn)施工的成功有著重要的意義。地層(dcng)坍塌壓力(yl)是指隨著鉆井液密度的降低，井眼圍巖的剪應力水平不斷提高，當超過巖石的抗剪強度時，巖石發(fā)生剪切破壞時的臨界井眼壓力。它的確定對于確定合理的鉆井液密度和鉆井設(shè)計及施工有重要意義。地層三項壓力研究歷史及發(fā)展現(xiàn)狀：八十年代以前，地層孔隙壓力以監(jiān)測為主，地層破裂壓力預測處于經(jīng)驗模式階段，如馬修斯-凱利模式、伊頓模式等。沒有地層坍塌壓力的概念。八十年代，提出了地層坍塌壓力的概念，從理論上對地層三個壓力進行了公式推導。九十年代以來，一般根據(jù)巖石力學的基本原理由地應力和地層的抗拉強度預測地層的破裂壓力，進入實用技

3、術(shù)開發(fā)階段。目前，地層三項壓力預測技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的重視，也從各個方面對其進行了研究和應用：室內(nèi)實驗研究方法（研究院）地震層速度法（石大北京）常規(guī)測井資料法（華北鉆井所、石大）頁巖比表面積法（Exxon)人造巖心法(Norway)巖屑法(Amoco、石油大學）LWD、SWD法（廠家）經(jīng)驗模式法（USA)第二章 地層三項壓力預測(yc)機理2.1 地應力模型(mxng)1、各向同性(tngxng)模型利用電纜地層測試或壓力恢復測試資料，在不考慮構(gòu)造應力影響情況下，各向同性模型計算水平應力公式為： （2-1）式中：PR 泊松比；Pob 上覆巖層壓力； Pp 孔隙流體壓力； Biot 常量。2、各向

4、異性模型 （2-2）第三章 地層破裂壓力預測方法3.1 地層(dcng)破裂(pli)壓力預測(yc)常用方法為準確地預測地層破裂壓力，國內(nèi)外學者提出了許多不同的數(shù)學模型和方法，它們都各有其優(yōu)點和局限性。 在破裂壓力預測模型中，常使用的有H-W模式和H-F模式。3.1.1 H-W模式1、休伯特&威斯利方法1957年休伯特和威斯利根據(jù)巖石水力壓裂機理和實驗做出推論，在發(fā)生斷層作用的地質(zhì)區(qū)域，地下應力狀態(tài)以三維不均勻主應力狀態(tài)為特征，且三個主應力相互垂直。最大主應力1為垂直方向，大小等于有效上覆巖層壓力（即骨架應力），最小主應力3和中間應力2在水平方向相互垂直。則地層破裂壓力應當滿足： （3-1）

5、休伯特&威斯利方法從理論和技術(shù)上為監(jiān)測地層壓力奠定了基礎(chǔ)。但是由于很少在正斷層區(qū)域鉆井，因此該理論在工業(yè)應用中收到限制。2、馬修斯&凱利方法1967年馬修斯和凱利選擇最小破裂壓力等于地層壓力與上覆巖層壓力之和，并與克服骨架應力有關(guān)。則有： （3-2）式中：Gf地層壓力梯度，MPa/m；Ki骨架應力系數(shù)，無因次；骨架應力，Mpa。3、伊頓法伊頓在1969年發(fā)表了更合適的計算地層破裂壓力的方法。把上覆巖層壓力梯度作為一個變量來考慮，并引入泊松比： （3-3）研究發(fā)現(xiàn)，由于上覆巖層壓力梯度的變化，巖石的泊松比隨深度成非線性變化。在破裂壓力的計算中，若能求得上覆巖層壓力的準確增量，可提高破裂壓力的計算

6、精度。4、黃榮樽法石油大學黃榮遵教授(jioshu)在總結(jié)分析國外各種( zhn)計算(j sun)底層破裂壓力方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮各種影響因素，進行了嚴格的推導和室內(nèi)試驗，提出了預測底層破裂壓力的新模式： （3-4）式中：KSS構(gòu)造應力系數(shù)，無因次；Srt巖石的抗拉強度，Mpa。黃榮遵法認為地層的破裂是由井壁上的應力狀態(tài)決定，并考慮了非均勻地應力場的作用和地層的抗拉強度影響。5、Holbrook法Holbrook法適用于膠結(jié)較差、巖層的抗拉強度可以忽略、井眼與地層間的連通性好的砂巖地層，其計算公式為： （3-5）6、安德森法安德森法考慮井壁上應力集中的影響，假定無構(gòu)造應力，地層抗張強度為零

7、，取均勻水平應力的條件，且認為砂巖中的泥質(zhì)含量對泊松比及砂巖的變形有明顯影響： （3-6）安德森方法首次提出由測井資料計算破裂壓力，避免了反算過程需要大量實際壓裂資料和模型缺陷帶來誤差，但其均勻水平地應力的假設(shè)不符合多數(shù)地區(qū)的地應力狀態(tài)。3.1.2 H-F模式Haimson與Fairhurst認為裂縫的產(chǎn)生是由井壁應力集中所引起，增大井內(nèi)流體壓力會改變井壁應力狀態(tài)，當應力超過井壁巖石抗張強度時地層被壓裂。在儲層均質(zhì)各向同性和彈性變形的假定下，考慮了水平主地應力在兩個方向上不相等和壓裂液向地層內(nèi)達西滲流的影響。 結(jié)合有效應力原理推導破裂壓力預測模型為： （3-7）2000年，李傳亮根據(jù)多孔介質(zhì)雙

8、重有效應力理論，發(fā)展了H-F模式: （3-8）3.1.3 液壓實驗法液壓實驗法，也稱漏失(lu sh)實驗，是在下完一層套管，注入(zh r)完水泥和鉆過水泥塞之后進行的。液壓實驗時地層的破裂壓力易發(fā)生在套管鞋處，因套管鞋處的地層壓實程度比下部地層差。液壓實驗法的步驟(bzhu)如下：循環(huán)調(diào)節(jié)鉆井液性能，保證鉆井液性能穩(wěn)定，上提鉆頭至套管鞋內(nèi)，關(guān)閉防噴器。用較小排量（0.66-1.32L/s）向井內(nèi)注入鉆井液，并記錄各個時期的注入量及立管壓力。作立管壓力與累計泵入量的關(guān)系曲線，如圖3-1所示。從圖上確定各個壓力值，漏失壓力為開始偏離直線的壓力，其后壓力繼續(xù)上升；壓力上升到最大值，即為開裂壓力；

9、最大值過后壓力下降并趨于平緩，稱為傳播壓力。求地層破裂壓力當量密度： （3-9）圖3-1 典型液壓實驗漏失曲線液壓實驗(shyn)法適用(shyng)于砂泥巖為主的地層(dcng)，對石灰?guī)r、白云巖等硬地層的液壓實驗有待于進一步實驗研究。實驗壓力不應超過地面設(shè)備和套管的承載能力，否則可提高實驗用鉆井液密度。3.1.4 地層破裂壓力預測的其他模型1、地層破裂壓力的多元回歸模型根據(jù)地層破裂壓力和巖石力學參數(shù)的關(guān)系可從測井資料提取E、K、u 參數(shù)值, 結(jié)合所對應的地層深度和實測地層破裂壓力值，建立的地層破裂壓力預測模型。該統(tǒng)計模型形式簡單直觀,易于使用,地層破裂壓力Pf與E、K、u參數(shù)之間的關(guān)系簡單

10、明確。2、建立地層破裂壓力BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測模型用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預測地層破裂壓力涉及“學習建?！焙汀皡?shù)預測”兩個過程。其選用由輸入層、隱含層和輸出層所組成的3 層BP網(wǎng)絡(luò)算法參主要包括學習率(A)、沖量系數(shù)(B)、絕對誤差(ED)、全局代價函數(shù)值(ED2)及迭代次數(shù)(Tn)等。3.2 特殊條件下的地層破裂壓力預測3.2.1、淺部地層破裂壓力研究國內(nèi)外學者和現(xiàn)場作業(yè)工程師在預測淺層破裂壓力時通常沒有充分考慮井眼形態(tài)和地層的強度各向異性。這就導致了下列工程問題：二開底部地層為維持井壁穩(wěn)定或控制溢流，提高鉆井液密度而導致上部地層發(fā)生井漏；淺部地層造斜，發(fā)生意料不到的井漏；淺部油層壓裂作業(yè)中，由于不

11、能掌握起裂形態(tài)，常常導致壓裂失敗。假設(shè)地層是均勻各向同性、線彈性多孔材料，并認為井眼周圍的巖石處于平面應變狀態(tài)，則垂直縫破裂壓力： （3-10）水平縫破裂壓力： （3-11）則，地層破裂(pli)壓力： 3.2.2、高溫(gown)高壓(goy)地層破裂壓力預測方法高溫高壓地層膠結(jié)疏松,安全鉆井液密度窗口窄,鉆井及固井過程中極易發(fā)生井漏,造成一系列井下復雜情況和事故,嚴重影響鉆井進程及固井質(zhì)量。導致高溫高壓地層破裂漏失的主要原因之一是鉆井過程中井壁上往往難以形成致密的低滲泥餅,鉆井液及其濾液向地層滲流,在井周形成滲流附加應力場,導致井周有效周向應力和地層破裂壓力降低另外,高溫高壓地層在鉆井及循

12、環(huán)過程中,井壁溫度降低, 井周地層產(chǎn)生收縮應力,也會導致地層破裂壓力降低。因此,為解決高溫高壓地層的井壁穩(wěn)定性問題,準確確定安全鉆井液密度窗口,必須綜合考慮溫度和井壁滲流等因素的影響。依據(jù)井壁拉伸破裂強度準則和RH=-St井壁應力，并帶入考慮滲流時井壁上空隙壓力表達式可得到高溫高壓底層破裂壓力表達式：（3-12）由于鉆井及循環(huán)過程中井壁和地層溫度及孔隙壓力不斷變化, 井壁和地層應力狀態(tài)也隨時變化, 井壁應力狀態(tài)沒有解析解. 為了研究溫度壓力影響下的井壁穩(wěn)定規(guī)律, 必須進行數(shù)值求解, 因此根據(jù)以上模型需要借助高溫高壓地層破裂壓力預測軟件。第四章 地層(dcng)坍塌(tnt)壓力預測(yc)方法

13、4.1 考慮滲透作用時的地層(dcng)坍塌壓力適用于滲透性好的地層，考慮鉆井液向地層中的滲透，把井壁近似看作滲透井壁。此時地層坍塌(tnt)壓力的計算公式為： （4-1）4.2 拉伸(l shn)崩落條件下的坍塌壓力適用于井筒鉆井液壓力小于地層孔隙壓力時的過渡帶欠壓實超壓低滲泥頁巖。 （4-2）井壁坍塌受剪切和拉伸崩落兩種坍塌機理控制，地層坍塌壓力當量密度應取兩者中的較大值，即。第五章 總結(jié)在此次(c c)研究性學習中，通過(tnggu)課本(kbn)、文獻以及石油與天然氣標準等資料，對“地層破裂壓力和坍塌壓力的預測”做了較為詳細的學習與總結(jié)，并對其預測方法做了較為系統(tǒng)的整理。地層破裂壓力的

14、預測方法較多，隨著認識的發(fā)展研究人員不斷增加新的影響因素并提出針對性的模型，目前以形成了H-W模式和考慮滲流的H-F模式，包括馬修斯-凱利法、伊頓法、安德森法等一系列的方法。地層坍塌壓力的概念由于提出的時間較晚，所獲得的相對資料較少，主要總結(jié)了考慮滲流作用和拉伸崩落條件下的坍塌壓力。通過此次研究性學習，對所研究的內(nèi)容有了更深刻的認識，鍛煉了自己的檢索能力和寫作論文的能力。此次研究性學習是非常系統(tǒng)的一次，也是大學生活中最正規(guī)、最完善的一次課余學習。從論文選題到論文形成經(jīng)歷的時間也比較長，對于最后能堅持下來，并在這個過程中得到老師的詳細指導和認真的檢查，我感到非常幸福。最后，非常感謝金老師在此次研

15、究性學習期間的辛勤付出，老師嚴謹負責的態(tài)度是我們學習的榜樣！參考文獻1 周拿云，楊兆中. 地層(dcng)破裂壓力預測技術(shù)綜述. 重慶(zhn qn)科技學院學報, 2011, 13(2): 36-39.2 何謀軍等. 地層孔隙壓力、破裂壓力、坍塌壓力預測方法(fngf)標準在現(xiàn)場實際中的應用. 第十二屆石油工業(yè)標準化學術(shù)論壇論文.3 李敏等. 巖石力學參數(shù)試驗與地層破裂壓力預測研究. 石油鉆采工藝. 2009, 31(5) 4 SY/T XXXX-XXXX. 地層孔隙壓力、破裂壓力和坍塌壓力預檢測方法.5 鄧金根等. 高溫高壓地層破裂壓力預測方法. 石油鉆探技術(shù). 2009, 37(5):43-46.6 聶采軍等. 地層破裂壓力測井預測的統(tǒng)計模式研究