《井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》課件.ppt

1、第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要任務(wù)：確定套管的下入層次、下入深度、套管尺寸及鉆頭尺寸、水泥漿返深 。 客觀依據(jù)：地層巖性特征、地層壓力、地層破裂壓力。 主觀條件：鉆井工藝技術(shù)水平等。 主要原則： 1能有效地保護(hù)儲集層； 2避免產(chǎn)生井漏、井塌、卡鉆等井下復(fù)雜情況和事故。為安全、優(yōu)質(zhì)、高速和經(jīng)濟(jì)鉆井創(chuàng)造條件； 3當(dāng)實(shí)際地層壓力超過預(yù)測值發(fā)生溢流時，在一定范圍內(nèi)，具有處理溢流的能力。,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù) 第二節(jié) 地層破裂壓力預(yù)測方法 第三節(jié) 井眼坍塌應(yīng)力預(yù)測方法 第四節(jié) 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),一、基本概念 1.靜液柱壓力 2.壓力梯度 3.有效密

2、度 4.壓實(shí)理論 5.均衡理論 6.上覆地層壓力P0 7.地層壓力（地層孔隙壓力）PP 8.骨架應(yīng)力,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),2020/8/6,1、靜液柱壓力 Ph 由液柱自身重量產(chǎn)生的壓力. 式中：Ph靜液柱壓力，MPa； 液體密度，g/cm3； H液柱垂直高度，m。,Ph,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),2020/8/6,2、壓力梯度： 單位高度（或深度）的壓力變化率。 式中：G壓力梯度，MPa/m； P壓力，MPa； H高度（或深度） ，m。,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),2020/8/6,石油工程中壓力梯度也采用當(dāng)量密度來表示： 顯然壓力梯度

3、與當(dāng)量密度的關(guān)系為：,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),3.有效密度 如果總的壓力等效于一個液柱壓力，則等效液柱壓力的密度即為總的壓力的有效密度。,Ph,總的壓力,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),如：抽吸壓力、激動壓力等。,4壓實(shí)理論 正常沉積條件下，泥頁巖的孔隙度隨井深增加而減小。關(guān)系如下： 式中：0地表孔隙度；井深H時的孔隙度； 0巖石骨架密度； Cp壓實(shí)校正系數(shù)，Cp1。 若當(dāng)隨著井深增加，巖石孔隙度增大，則說明該段地層壓力異常。壓實(shí)理論為地層壓力預(yù)測技術(shù)基礎(chǔ)之一。,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),5均衡理論 泥頁巖在壓實(shí)與

4、排泄過程平衡時，相鄰沙泥巖層間的地層壓力近似相等。 壓實(shí)理論和均衡理論是支持地層壓力預(yù)測技術(shù)不可缺少的理論基礎(chǔ)。,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),2020/8/6,6.上覆巖層壓力 PO 地層某處的上覆巖層壓力是指該處以上地層巖石基質(zhì)和孔隙中流體的總重量（重力）所產(chǎn)生的壓力，即,Po,P0：上覆巖層壓力，MPa；H：地層垂直深度，m； ：巖石孔隙度，% 0：巖石骨架密度，g/cm3； p：孔隙中流體密度，g/cm3。,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),計(jì)算方法：分層段和取平均體積密度 密度： 2.3g/cm3 壓力梯度：0.0236MPa/m,7.地層

5、壓力 PP 地層壓力是指巖石孔隙中流體的壓力，亦稱地層孔隙壓力，用PP表示。 若地層水為淡水，則正常地層壓力梯度（Gp）為0.0981MPa/m，若地層水為鹽水，則正常地層壓力梯度隨含鹽量的不同而變化，一般為0.0105MPa/m。石油鉆井中遇到的地層水多數(shù)為鹽水。,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),2020/8/6,8.骨架應(yīng)力 骨架應(yīng)力是由巖石顆粒之間相互接觸來支撐的那部分上覆巖層壓力（亦稱有效上覆巖層壓力或顆粒壓力）。,當(dāng)骨架應(yīng)力降低時，孔隙壓力就增大。孔隙壓力等于上覆巖層壓力時，骨架應(yīng)力等于零。,Po,Pp,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),20

6、20/8/6,二、異常壓力 正常地層壓力一般為鹽水液柱壓力PW。 不在正常地層壓力范圍內(nèi)的壓力稱為 異常地層壓力。 當(dāng) PPPw,稱為異常高壓 當(dāng) PPPw,稱為異常低壓,H,P,Pw,Po,異常高壓,異常低壓,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),2020/8/6,1.異常低壓原因 生產(chǎn)多年的衰竭油氣田； 大量生產(chǎn)而沒有注水補(bǔ)的油氣產(chǎn)層； 同一水動力系統(tǒng)的地層露頭低于井口； 地下水位很低（中東某些地區(qū)的地下水位在幾百米以下）。,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),2020/8/6,2異常高壓產(chǎn)生原因 異常高壓的地層壓力系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是存在“封閉的”地層，阻止或至

7、少是大大限制著流體連通,這樣上覆巖層的壓力部分地由孔隙中的地層流體支持，故造成異常高壓，甚至于高出上覆巖石壓力40（靠巖石內(nèi)應(yīng)力支撐壓力橋）。 其成因可歸類為： （1）沉積物的快速沉積，壓實(shí)不均勻； （2）滲透作用； （3）構(gòu)造作用； (4) 水增熱作用 (5) 油田注水,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),2020/8/6,壓實(shí)效應(yīng):,P,H,P,PO,海面/地面,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),地層保持正常的壓實(shí)平衡，取決于： （1）沉積速率 （2）孔隙空間減少速率 （3）地層滲透率 （4）排出孔隙流體的能力,2020/8/6,水熱作用：巖層孔隙中的

8、流體受熱膨脹，一旦出現(xiàn)隔絕的環(huán)境，地層孔隙中流體的壓力就會急劇增加。 滲透作用：水或者溶液被適當(dāng)?shù)谋∧ぃ鄮r層）隔開時，水從淡溶液到濃溶液的自然流動，導(dǎo)致高濃度溶液一側(cè)水增多，如果排水作用受到阻礙，形成高壓。,高濃度,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),2020/8/6,流體運(yùn)移:,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),2020/8/6,鉆速法隨鉆監(jiān)測 測井法鉆后評價 地球物理方法鉆前預(yù)測 目前應(yīng)用某一種方法是很難準(zhǔn)確評價一個地區(qū)或區(qū)塊的地層壓力，往往需要采用多種方法進(jìn)行綜合分析和解釋。 dc指數(shù)法、聲波時差法、地震法。,三、地層壓力預(yù)測方法,第一章 井身結(jié)構(gòu)

9、設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),2020/8/6,1、dc指數(shù)法 在正常地層壓力情況下，如巖性和鉆井條件不變，機(jī)械鉆速隨井深的增加而下降。當(dāng)鉆入壓力過渡帶之后，由于壓差減小，巖石孔隙度增大，機(jī)械鉆速反而加快。 dc指數(shù)則正是利用這種差異預(yù)報(bào)異常高壓。 賓漢在不考慮水力因素的影響下建立了鉆速方程;根據(jù)室內(nèi)及油田鉆井試驗(yàn) ,再進(jìn)行合理的假設(shè)，采用統(tǒng)一的單位可得d指數(shù)（鉆壓）表達(dá)式：,k=1，e=1,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),巖石可鉆系數(shù)鉆井條件與巖性不變； 轉(zhuǎn)速指數(shù)指數(shù)機(jī)械鉆速與轉(zhuǎn)速成正比。,標(biāo)準(zhǔn)鉆速議程,正常壓力情況下，機(jī)械鉆速隨井深增加而減小，d指數(shù)隨井深增加

10、而增加。當(dāng)進(jìn)入壓力過渡帶和異常高壓帶地層，實(shí)際d指數(shù)較正常值偏小。,d指數(shù),H,異常高壓,正常壓力,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),d指數(shù)與機(jī)械鉆速V成反比。,分析：,分子小于1，其絕對值與V成反比。,由于當(dāng)鉆入壓力過渡帶時，一般情況要提高鉆井液密度，因而引起鉆井液密度變化，進(jìn)而影響d指數(shù)的正常變化規(guī)律，為了消除鉆井液密度變化影響，Rehm和Meclendon在1971年提出了修正的d指數(shù)法，即dc指數(shù)法。,式中：dc：修正的d指數(shù)； mN：正常地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3； mR：實(shí)際鉆井液密度，g/cm3。,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),dc指

11、數(shù)檢測地層壓力步驟 （1）按一定深度取點(diǎn)，一般1.53m取一點(diǎn)，如果鉆速高可510m，重點(diǎn)井段1m取一點(diǎn)。同時記錄每對應(yīng)點(diǎn)的鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液密度。 （2）計(jì)算d和dc指數(shù) （3）在半對數(shù)坐標(biāo)上作出dc指數(shù)和相應(yīng)井深所確定的點(diǎn)（縱坐標(biāo)為井深H、對數(shù)坐標(biāo)為dc指數(shù)） （4）作正常壓力趨勢線，如右圖。 （5）計(jì)算地層壓力PP,正常趨勢線,過度帶頂部,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),根據(jù)dc指數(shù)偏離值計(jì)算地層壓力的.M諾瑪法,式中：P所求井深地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3； n所求井深正常地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3； dCN所求井深的正常dc指數(shù)； dca所求井深實(shí)際dc

12、指數(shù)。,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),根據(jù)dc指數(shù)偏離值計(jì)算地層壓力的等效深度法,式中： PP所求深度的地層壓力，MPa； H所求地層壓力點(diǎn)的深度，m； G0上覆地層壓力梯度，MPa/,； Gn等效深度處的正常地層壓力梯度，MPa/m； HE等效深度，m。,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),dc指數(shù),H,所求井深,等效深度,2020/8/6,2、聲波時差法(已鉆井地區(qū)） 聲波在地層中傳播速度與巖石的密度、結(jié)構(gòu)、孔隙度及埋藏深度有關(guān)。不同的地層，不同的巖性，有不同的聲波速度。當(dāng)巖性一定時，聲波的速度隨巖石孔隙度的增大而減小。由試驗(yàn)和理論研究可得： 在半

13、對數(shù)坐標(biāo)系中（H為縱坐標(biāo)，t為對數(shù)坐標(biāo)），即聲波時差的對數(shù)與井深呈線性關(guān)系。在正常地層壓力井段，隨著井深增加，巖石孔隙度減小，聲波速度增大，聲波時差減小。當(dāng)進(jìn)入壓力過渡帶和異常高壓帶地層后，巖石孔隙度增大，聲波速度減小，聲波時差增大，偏離正常壓力趨勢線。因此可利用這一特點(diǎn)檢測地層壓力。,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),地球物理測井簡稱“測井”。它是通過鉆井所鉆井孔而進(jìn)行的各種測井工作。其中包括電阻率測井、自然電位測井、放射性測井和聲波測井等。,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),2020/8/6,3、地震反射波法（地質(zhì)物理勘探） 地震波法預(yù)測地層壓力是根

14、據(jù)在不同巖性，不同壓實(shí)程度情況下，地震波速度傳播的差異來預(yù)測地層壓力的方法。即正常壓實(shí)條件下，隨著深度的增加，地震波速逐漸增大；在異常壓力層則隨著井深增加，地震波速反而減小的原理來預(yù)測壓力異常。 地震波法預(yù)測地層壓力計(jì)算方法主要有等效深度法，F(xiàn)illipone法、R比值法。,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第一節(jié) 地層壓力理論及預(yù)測技術(shù),第二節(jié) 地層破裂壓力預(yù)測方法,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在采油作業(yè)上，20世紀(jì)40年代就利用水力壓裂地層達(dá)到增產(chǎn)的目的，但對鉆井工程不希望地層破裂，因?yàn)槿菀装l(fā)生井漏，造成井下復(fù)雜事故。因此了解地層的破裂壓力對合理的油井設(shè)計(jì)和鉆井施工都十分重要。 為了準(zhǔn)確掌握地層破裂壓力，國

15、內(nèi)外學(xué)者提出了不同的方法和模型，如Mathews&Kelly法、 Hubbert&Willis 法、Eaton 法和以及石油大學(xué)黃榮樽提出的預(yù)測模型等等。,、地層破裂壓力定義：在井下一定深度出露的地層，承受液體壓力的能力是有限的。當(dāng)液體壓力達(dá)到某一數(shù)值時會使地層破裂，這個液體壓力稱為地層破裂壓力。 、地層破裂條件：由井壁所受應(yīng)力狀態(tài)確定，深部地層水力壓裂主要形成垂直裂縫，其起裂是由于井壁上的有效切向應(yīng)力E大于巖石的抗張強(qiáng)度St 。,由壓縮變?yōu)槔觳⒊^時,為有效應(yīng)力系數(shù),第二節(jié) 地層破裂壓力預(yù)測方法,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第二節(jié) 地層破裂壓力預(yù)測方法,垂直主應(yīng)力Z,水平主地應(yīng)力H、h,第一章

16、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),3、地應(yīng)力一般是不均勻的，地層破裂壓力由三個主地應(yīng)力控制，垂直主應(yīng)力Z由上覆地層壓力P0確定；水平主地應(yīng)力H、h由兩部分組成，一部分來自上覆地層壓力P0，其大小是巖石泊松比的函數(shù)，另一部分是地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力。,最大最小水平主應(yīng)力：,垂直主應(yīng)力：ZP0,A、B為構(gòu)造應(yīng)力場影響系數(shù),、井眼應(yīng)力狀態(tài)及井壁應(yīng)力方程 認(rèn)為地層是連續(xù)均質(zhì)、各向同性和線彈性的，則根據(jù)線彈性力學(xué)理論則可求得井眼圍巖應(yīng)力分布與井壁應(yīng)力方程。 井眼圍巖 應(yīng)力分布 井壁應(yīng)力方程,第二節(jié) 地層破裂壓力預(yù)測方法,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),為0和180時首先達(dá)到破壞狀態(tài)。,5、地層破裂壓力的計(jì)算模型 作用在巖石骨架上的有效切向應(yīng)力

17、： 根據(jù)地層破裂條件，地層破裂壓力PF：,第二節(jié) 地層破裂壓力預(yù)測方法,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),由上覆地層壓力P0和構(gòu)造應(yīng)力確定出水平方向上有效最大和最小主地應(yīng)力后，代入上式即得地層破裂壓力計(jì)算式：,令K=A-3B,第二節(jié) 地層破裂壓力預(yù)測方法,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),6、液壓試驗(yàn)也稱漏失試驗(yàn)是在下完一層套管并注完水泥后，再鉆穿水泥塞，打開套管鞋下面第一個砂巖層之后進(jìn)行的。美國已形成法令，規(guī)定每口井每下一層套管必須進(jìn)行液壓試驗(yàn)，以準(zhǔn)確獲得地層破裂壓力梯度的原始資料，作為鉆井設(shè)計(jì)的依據(jù)。,PF=P+Ph,Ph,第二節(jié) 地層破裂壓力預(yù)測方法,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),目前所用的預(yù)測計(jì)算方法都有一定的局限性

18、，相對而言，液壓試驗(yàn)是最有效的方法。,7、液壓試驗(yàn)法的步驟 （1）循環(huán)調(diào)節(jié)泥漿性能，保證泥漿性能穩(wěn)定，上提鉆頭至套管鞋內(nèi)，關(guān)閉防噴器。 （2）用較小排量（0.661.32l/s）向井內(nèi)注入泥漿，并記錄各個時間的注入量及立管壓力。 （3）作立管壓力與泵入量（累計(jì)）的關(guān)系曲線圖。 （4）從圖上確定各個壓力值：漏失壓力P1，即開始偏離直線點(diǎn)的壓力，其后壓力繼續(xù)上升；壓力上升到最大值，即為斷裂壓力Pf；最大值過后壓力下降并趨于平緩，平緩的壓力稱為傳播壓力。 （5）求破裂壓力當(dāng)量泥漿密度 mzx： 式中：m試驗(yàn)用泥漿密度，g/cm3；P1漏失壓力，MPa；H裸眼段中點(diǎn)井深，m。 （6）求破裂壓力梯度Gf

19、（MPa/m）：,第二節(jié) 地層破裂壓力預(yù)測方法,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),壓力，MPa,液壓試驗(yàn)曲線,泵入量，升,第二節(jié) 地層破裂壓力預(yù)測方法,第二章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),注意： 液壓試驗(yàn)壓力不應(yīng)超過地面設(shè)備和套管的承壓能力。適用于砂泥巖為主的地層；對于石灰?guī)r、白云巖的硬地層尚待試驗(yàn)研究。,第三節(jié) 井眼坍塌應(yīng)力預(yù)測方法,世界范圍內(nèi)每年用于處理井眼系統(tǒng)失穩(wěn)的費(fèi)用高達(dá)5億美元，損失鉆井總時間56%。造成井眼系統(tǒng)失穩(wěn)的原因是鉆井形成井眼后，打破了原有的地下力學(xué)系統(tǒng)平衡，造成井壁周圍巖石的應(yīng)力集中。當(dāng)井筒內(nèi)有效液柱壓力小于井壁應(yīng)力時，對于脆性巖層將出現(xiàn)坍塌；塑性巖層出現(xiàn)縮徑。當(dāng)井筒有效液柱壓力過高，又將壓裂巖層出現(xiàn)漏失，導(dǎo)至井下復(fù)雜和事故。另一方面由于鉆井液進(jìn)入巖層，也將導(dǎo)至巖石力學(xué)特性參數(shù)的改變，改變井壁巖石力學(xué)狀態(tài)致使井眼系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。,第一章 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),井眼失穩(wěn)破壞準(zhǔn)則,地下巖體在原地應(yīng)力作用下，一般處于三向壓力狀態(tài)。鉆井形成井眼后，井壁應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。在外力作用下巖體將出現(xiàn)彈性，彈塑性，塑性變形屈服和脆性破壞。巖石的力學(xué)行為大體遵循線彈性力學(xué)規(guī)律。 對軟而塑性大的泥巖表現(xiàn)為塑性變形而縮徑，硬脆性泥頁巖為坍塌縮徑。石油工程對脆性泥頁巖一般采用摩爾庫爾