第一章鉆井工程地質(zhì)條件-壓力

第一節(jié)地下壓力(yālì)特性一、地下各種壓力的概念（一）靜液壓力（hydrostaticpressure）靜液壓力——由液柱自身的重力所引起的壓力,其大小與液體的密度與液柱的垂直高度或深度。

ph=0.00981ρhl(1―1)

式中：ph—壓力,MPa；ρ—密度,g/cm3；hl—液柱垂直高度，m。靜液壓力梯度——單位高度或單位深度的液柱壓力稱(chēng)為(chēnɡwéi)靜液壓力梯度，表示靜液壓力隨高度或深度的變化。

Gh＝ph/hl＝0.00981ρ兩類(lèi)地層水：

淡水：Gh=0.00981MPa/m；ρ=1.0

g/cm3

鹽水：Gh=0.0105MPa/m；ρ=1.05g/cm3（1-2）共二十七頁(yè)（二）上覆巖層壓力(yālì)（Overburdenpressur）

上覆巖層壓力——地層某處的上覆巖層壓力是該處以上地層（包括巖石基質(zhì)和巖石孔隙中流體）總重力所產(chǎn)生的壓力。

式中：p0—上覆巖層壓力，MPa；D—地層垂直深度,m；φ—巖石孔隙度，%；ρma—巖石骨架密度，g/cm3；ρ—孔隙中流體密度，g/cm3；ρ0—地層密度，g/cm3。

第一節(jié)地下壓力(yālì)特性(1-3)(1-4)(1-5)共二十七頁(yè)上覆巖層壓力梯度——

上覆巖層壓力隨深度增加而增大。沉積巖的平均密度(mìdù)大約為2.5克/厘3，上覆巖層壓力梯度一般為0.0227兆帕/米。在實(shí)際鉆井過(guò)程中，以鉆臺(tái)作為上覆巖層壓力的基準(zhǔn)面。

第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性（1-6）共二十七頁(yè)（三）地層壓力（formationpressue）地層壓力——指巖石孔隙中的流體所具有的壓力，也稱(chēng)地層孔隙壓力（formationporepressue），用pp表示。正常地層壓力——等于(děngyú)靜液壓力，pp=ph。石鉆異常地層壓力——

地層壓力大于或小于正常地層壓力。。

超過(guò)正常地層壓力的地層壓力(pp>ph)稱(chēng)為異常高壓。低于正常地層靜液壓力的地層壓力(pp<ph)稱(chēng)為異常低壓。

第一節(jié)地下壓力(yālì)特性共二十七頁(yè)（四）基巖應(yīng)力（matrixstress）

上覆巖層(yáncéng)壓力由巖石的基質(zhì)顆粒（骨架）和孔隙中的流體共同承擔(dān)。由巖石顆粒間相互接觸支撐的那一部分上覆巖層(yáncéng)壓力，稱(chēng)為基巖應(yīng)力，亦稱(chēng)有效上覆巖層壓力、骨架應(yīng)力或顆粒間壓力，用σ表示。(1-7)

第一節(jié)地下壓力(yālì)特性共二十七頁(yè)

（五）地下各種壓力(yālì)的關(guān)系

第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性

上覆巖層壓力由巖石骨架和孔隙中的流體共同承擔(dān)，因此上覆巖層壓力、地層壓力和基巖應(yīng)力之間存在以下關(guān)系：當(dāng)po一定時(shí)，σ減小，pp增大，σ→0，pp→po。所以，地層的孔隙壓力增大，基巖應(yīng)力必然減小。共二十七頁(yè)（六）異常地層壓力的成因

異常低壓和異常高壓統(tǒng)稱(chēng)(tǒngchēng)為異常壓力（abnormalpressure）。

1．異常低壓（abnormallowpressure）

壓力梯度小于9.81kPa／m（即正常地層壓力梯度）的是異常低壓。 產(chǎn)生異常低壓的原因

（1）生產(chǎn)多年而又沒(méi)有壓力補(bǔ)充的枯竭油氣層。（2）地下水位很低。

第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性共二十七頁(yè)2．異常高壓（abnormalhighpressure）

壓力梯度大于10.5千帕／米的是異常高壓。（1）形成異常高壓的地質(zhì)條件

①地層具有保存流體的空隙； ②地層周?chē)嬖诓粷B透圍柵，構(gòu)成圈閉；③具有一定的埋藏深度，形成足夠(zúgòu)大的上覆巖層壓力。（2）異常高壓的成因

在地層的沉積過(guò)程中，隨著上覆沉積物不斷增多，地層逐漸被壓實(shí)，孔隙度減小。如果地層是可滲透的、連通的，地層中流體的流動(dòng)不受限制（稱(chēng)之為水力學(xué)開(kāi)啟系統(tǒng)），地層孔隙中的流體則隨著地層的壓實(shí)被排擠出去，建立起靜液壓力條件。

在地層被不滲透的圍柵包圍，流體被圈閉在地層的孔隙空間內(nèi)不能自由流通（稱(chēng)之為水力學(xué)封閉系統(tǒng)）的條件下，隨著地層的不斷沉積，上覆巖層壓力逐漸增大，而圈閉在地層孔隙內(nèi)的流體排不出去，必然承受部分上覆巖層重力。結(jié)果是地層流體壓力升高，地層得不到正常壓實(shí)，孔隙度相對(duì)增大，巖石密度相對(duì)減小，基巖應(yīng)力相對(duì)降低。這種作用稱(chēng)為欠壓實(shí)作用。

第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性共二十七頁(yè)

第一節(jié)地下壓力(yālì)特性正常(zhèngcháng)地層壓力的形成異常高壓的形成共二十七頁(yè)其它原因：

①地質(zhì)構(gòu)造作用：造成地層上升、巨大地應(yīng)力的擠壓

②水熱增壓作用：溫度升高，流體體積膨脹

③滲透作用：水由鹽濃度低的一側(cè)通過(guò)泥巖半透膜向高側(cè)滲透。異常高壓的大小

異常高壓一般不會(huì)超過(guò)上覆巖層(yáncéng)壓力。但也有超過(guò)上覆巖層(yáncéng)壓力的特高壓地層，由覆蓋在高壓層以上巖層(yáncéng)的內(nèi)力幫助上覆巖層(yáncéng)壓力來(lái)平衡地層流體的巨大向上作用力。

第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性共二十七頁(yè)二、地層壓力評(píng)價(jià)地層壓力預(yù)測(cè)（鉆前）：地震資料法、測(cè)井資料法地層壓力監(jiān)測(cè)（鉆進(jìn)中）：dc指數(shù)法、頁(yè)巖密度法、標(biāo)準(zhǔn)化鉆速法（一）地層壓力預(yù)測(cè)

地震法、聲波時(shí)差法、頁(yè)巖電阻率法。

1.聲波時(shí)差

聲波（縱波）在單位距離(jùlí)地層內(nèi)的傳播時(shí)間稱(chēng)為聲波時(shí)差。式中：Δt——聲波時(shí)差；ρ——巖層密度，ρ=f(φ)； E——巖石的彈性模量；μ——巖石的泊松比。

對(duì)于一定的巖性（泥頁(yè)巖），Δt≈f(φ)。

第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性（1-8）共二十七頁(yè)2.基本原理（1）聲波時(shí)差與泥頁(yè)巖孔隙度的關(guān)系

（2）正常沉積條件(tiáojiàn)下，泥頁(yè)巖孔隙度與埋藏深度的關(guān)系泥頁(yè)巖在地面的孔隙度可用聲波時(shí)差表示：（3）正常沉積條件下，泥頁(yè)巖聲波時(shí)差與埋藏深度的關(guān)系

第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性（1-9）（1-10）（1-11）（1-12）共二十七頁(yè)（4）基本原理 在正常壓力層段，隨著地層埋藏深度的增加，巖石(yánshí)孔隙度減小，密度增大，聲波速度逐漸增大，聲波時(shí)差逐漸減小。在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，聲波時(shí)差隨井深呈直線(xiàn)變化關(guān)系，稱(chēng)之為正常趨勢(shì)線(xiàn)。 進(jìn)入異常高壓地層時(shí)，由于巖層欠壓實(shí)，孔隙度相對(duì)增大，聲波速度相對(duì)減小，聲波時(shí)差相對(duì)增大，則必然偏離正常壓力趨勢(shì)線(xiàn)。據(jù)此可預(yù)測(cè)異常高壓，并可根據(jù)偏離程度的大小定量計(jì)算地層壓力。

第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性共二十七頁(yè)

第一節(jié)地下壓力(yālì)特性3.地層壓力的計(jì)算常用方法：經(jīng)驗(yàn)圖版(túbǎn)法、當(dāng)量深度法當(dāng)量密度g/cm3當(dāng)量密度：某深度地層壓力用等高液柱壓力等效時(shí)相當(dāng)?shù)囊后w密度。共二十七頁(yè)4.地層壓力預(yù)測(cè)步驟（1）收集聲波時(shí)差測(cè)井資料，讀取泥頁(yè)巖點(diǎn)的聲波時(shí)差數(shù)據(jù)；（2）繪制散點(diǎn)圖，引出正常壓力趨勢(shì)線(xiàn)；（3）讀出異常高壓層段的實(shí)際△t和該深度(shēndù)D所對(duì)應(yīng)的正常趨勢(shì)線(xiàn)上的聲波時(shí)差△tn，計(jì)算△t-△tn；（4）從經(jīng)驗(yàn)圖版上讀出△t-△tn所對(duì)應(yīng)的當(dāng)量密度ρp;（5）計(jì)算地層壓力：注意：聲波時(shí)差不僅與地層孔隙度有關(guān)，而且受巖石彈性、地層流體性質(zhì)、鉆井液性能、測(cè)井誤差等因素的影響，因此預(yù)測(cè)結(jié)果存在一定的誤差。

第一節(jié)地下壓力(yālì)特性共二十七頁(yè)第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力(yālì)特性一、地下各種壓力的概念 1.靜液壓力：ph=0.00981ρhl

2.上覆巖層壓力： 3.基巖應(yīng)力： 4.地層壓力 正常地層壓力：Pp=Ph=0.00981ρh1，水力學(xué)開(kāi)啟系統(tǒng) 異常(yìcháng)高壓：pp=po-σ＞ph，水力學(xué)封閉系統(tǒng)二、地層壓力評(píng)價(jià)方法 1.地層壓力預(yù)測(cè)方法——聲波法 2.地層壓力監(jiān)測(cè)（檢測(cè)）方法——dc指數(shù)法上節(jié)小結(jié)共二十七頁(yè)（二）地層壓力監(jiān)測(cè)（檢測(cè)）

dc指數(shù)法、頁(yè)巖密度(mìdù)法、標(biāo)準(zhǔn)化鉆速法

1.dc指數(shù)的概念賓漢鉆速模型（Bingham,1964)：Vpc＝Kne(W/db)d(1―13)d指數(shù)（泥頁(yè)巖層）： 采用常用工程單位：

第一節(jié)地下壓力(yālì)特性（1—14）（1—15）

在正常地層壓力條件下，若巖性和鉆井條件不變，機(jī)械鉆速隨井深增加而減小，則d指數(shù)隨井深增加而增大。鉆遇異常高壓層，由于地層欠壓實(shí)，機(jī)械鉆速增大，d指數(shù)則相對(duì)減小。據(jù)此可評(píng)價(jià)地層壓力。共二十七頁(yè)dc指數(shù)

Rehm&Meclendon(1971)研究了鉆井液密度變化的影響（鉆井液密度增大(zēnɡdà)將導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低，d指數(shù)增大(zēnɡdà)），提出了修正的d指數(shù)，稱(chēng)為dc指數(shù)。2.基本原理

第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性（1—16）在正常壓力層段，若巖性和鉆井條件不變，機(jī)械鉆速隨井深增加而減小，則dc指數(shù)隨井深增加而增大。在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，dc指數(shù)與井深呈線(xiàn)性關(guān)系，稱(chēng)之為正常壓力趨勢(shì)線(xiàn)。當(dāng)鉆遇異常高壓層，由于地層欠壓實(shí)，機(jī)械鉆速增大，dc指數(shù)則相對(duì)減小，偏離正常趨勢(shì)線(xiàn)。根據(jù)偏離程度可計(jì)算出地層壓力。共二十七頁(yè)

第一節(jié)地下壓力(yālì)特性3.地層壓力的計(jì)算方法經(jīng)驗(yàn)(jīngyàn)圖版法、經(jīng)驗(yàn)公式法、當(dāng)量（等效）深度法（1）經(jīng)驗(yàn)公式法

（1—17）（2）等效深度法

等效深度：若深度為D的異常壓力地層與正常壓力段的某一深度De處的地層具有相等的dc指數(shù)，則可以認(rèn)為兩處地層的壓實(shí)程度相同，基巖應(yīng)力相等，即：若dc(D)=dc(De)，則σ(D)=σ(De)。

De處：po(De)=σ(De)+pp(De)

D處：po(D)=σ(De)+pp(D)pp(D)=po(D)－po(De)+pp(De)=GOD－（GO－Gpn)De（1-18）De共二十七頁(yè)

4.dc指數(shù)法評(píng)價(jià)地層壓力的步驟(bùzhòu)

（1）收集泥頁(yè)巖地層的正常壓力和異常壓力層段的鉆井資料：鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭直徑、地層水密度、實(shí)際鉆井液密度；（2）計(jì)算dc指數(shù)；（3）在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中繪制散點(diǎn)圖，引出正常壓力趨勢(shì)線(xiàn)；（4）計(jì)算地層壓力。

問(wèn)題：

1）水力參數(shù)、地層巖性、鉆頭類(lèi)型等因素的變化都會(huì)引起機(jī)械鉆速的變化，從而導(dǎo)致dc指數(shù)的變化。因此，dc指數(shù)法評(píng)價(jià)地層壓力存在較大的誤差。 2）聲波法和dc指數(shù)法只適用于泥頁(yè)巖地層（砂泥巖剖面）。對(duì)于碳酸巖地層，目前尚無(wú)合適的方法。

第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性共二十七頁(yè)三、地層破裂壓力（fracturepressure）1.井眼周?chē)鷰r石(yánshí)的受力狀態(tài)（1）上覆巖層壓力po（2）地層孔隙壓力pp（3）水平地應(yīng)力（4）鉆井液液柱壓力ph有效地應(yīng)力（巖石骨架應(yīng)力）：有效垂直地應(yīng)力（基巖應(yīng)力）σ1=po－pp有效水平地應(yīng)力

第一節(jié)地下壓力(yālì)特性（1-19）σ1σ1σ3σ3σ2σ2ph共二十七頁(yè)

2.地層破裂壓力

某深度處地層破裂時(shí)所能承受的液體壓力稱(chēng)為該處地層的破裂壓力，用Pf表示。它取決于井眼周?chē)鷰r石的應(yīng)力(yìnglì)狀態(tài)和巖石強(qiáng)度。

第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性phσ3σ3σ2σ2pppp裂縫張開(kāi)方向地層開(kāi)裂條件Ph>pp+σ3σ3<σ2<σ1共二十七頁(yè)3.預(yù)測(cè)方法

（1）Hubbert&Willis（1957）認(rèn)為：①三維不均勻應(yīng)力狀態(tài)，σ1＞σ2＞σ3，且σ3=(1/3~1/2)σ1②井內(nèi)液壓力必須(bìxū)克服地層孔隙壓力和最小有效水平地應(yīng)力時(shí)地層才能破裂。（2）Mathews&Kelly(1967) 認(rèn)為：①水平均勻地應(yīng)力狀態(tài)，σ3=σ2=Ki(D)σ1

②井內(nèi)液柱壓力必須克服地層孔隙壓力和最小有效水平地應(yīng)力時(shí)地層才能破裂。

第一節(jié)地下壓力(yālì)特性（1-21）（1-20）共二十七頁(yè)（3）Eaton(1969) 認(rèn)為(rènwéi)：①水平均勻地應(yīng)力狀態(tài)，②井內(nèi)液壓必須克服地層孔隙壓力和最小有效水平