第4讲-岩石力学-油田地应力及其确定方法概要

地下压力概念图示
什么是孔隙压力
静水压力与地表自由水位沟通
• 海上—海平面 • 陆上—潜水面
静水压力取决于流体密度
-地层水密度随溶解固体（主要为盐）浓度的变化而变化。 -盐度受以下因素影响：原生水史、温度、成岩作用、靠近盐体、渗透性
地层孔隙压力状态分类表(据杜栩，1995)
压力系数 <0.75 0.75-0.9 0.9-1.1 1.1-1.5 >1.5
地应力及其确定方法
提纲
一、油田地应力的定义及组成 二、油田地应力的确定方法 三、分层地应力 四、区域地应力预测
一、油田地应力的定义及组成
什么神秘的力量造成的满目疮痍，惨不忍睹 造成了地貌沧海桑田的巨变
一、油田地应力的定义及组成
盐膏层
套管 水泥环
套损区
什么原因导致深部盐层套管被挤毁？
一、油田地应力的定义及组成
地层压力预测方法
Eaton法求取地层压力
Eaton原始方法（Eaton,1972）利用的是孔隙压力和地震波旅行时间等参数 的幂指数关系，这种关系并不随岩性或深度的变化而变化：
n
pp
po
( po
ph )
tn to
式中，pp-预测的孔隙压力； pob-静岩压力； ph-正常的静水压力； Δtn-地震波在正常的泥岩中的旅行时间； Δto-实测的地震波在泥岩中的旅行时间； n-Eaton指数。
(4)生烃作用 在逐渐埋深期间，将有机物转化成烃的反应也产生流体体积
的增加，从而导致单个压力封存箱内的超压。许多研究表明与烃 类生成有关的超压产生的破裂是烃类从源岩中运移出来进入多孔 的、高渗透储集岩的机制，尤其是甲烷的生成在许多储集层中已 被引为超压产生的原因。气体典型地同异常压力有联系，异常压 力具有气体饱和的特点。当源岩中的有机质或进入储集层中的油 转变成甲烷时，引起相当大的体积增加。在良好的封闭条件下， 这些体积的增加能产生很强的超高压.
超压产生机制
(7)逆浓差作用 逆浓差作用现象的研究已有文献刊载，逆浓差作用也就是水
从高压、高盐度区流向低压、低盐度区的过程。当水从高压区流 入时，在低盐度区的压力就会升高（高于正常压力），而这种机 制同样不能用于解释有效封存箱中产生的异常压力。 (8)石膏/硬石膏转化
无论是石膏脱水转化成硬石膏，还是硬石膏在深部再水化成 石膏都被作为碳酸盐岩中产生异常压力的可能机制
地层压力预测方法
等效深度法
欠压实粘土中的每个点（
A）均与一个正常压实点（B
）相联系。A点和B点的压实
作用相同，但是上覆岩层应
力增大，因此：
PA
GGA
ZB ZA
(GG B
PB )
根据正常压实趋势线上等效值的深 度，计算压力。 计算过程极为简单，考虑上覆岩层 应力。 仅适用于因欠压实而产生的超压。
超压产生机制
(5)蒙脱土脱水作用 沉积的蒙脱土吸附粒间自由水，成为粘土层间束
缚水。当地温达到约123度时，粘土结构晶格破裂， 蒙脱土的层间束缚水被排除而成为自由水，称为蒙脱 土脱水过程，相应的埋深称为蒙脱土脱水深度。释放 到孔隙中的束缚水因发生膨胀，体积远远超过晶格破 坏所减少的体积。若排水通畅，则地层进一步压实， 地层孔隙压力为静液压力。如果地层是封闭的，将产 生高于静液压力的地层孔隙压力。若存在钾离子，吸 附钾离子，蒙脱土向伊利石转化。
地层压力预测方法
该方法的前提是给出一个假定的沉积压实条件，即该方法只适用
于砂泥岩层序。指数幂n随不同地区变化而变化。在墨西哥湾n值通
常为3.0。Eaton(1975年)又给出了利用其他资料的压力计算公式：
声波速度： Dc指数： 电阻率： 电导率：
3
pp
po
( po
ph
)
Vo Vn
1.2
pp
力，如果正常的排水速率跟不上附加压力（构造挤压力）所产生 的附加压实作用，将会引起地层孔隙压力增加，产生异常高压。 例如，在某些情况下，断层可能起着流体通道作用，但在另外一 些情况下，却可能起到封闭作用，而引起异常高压。所以，同样 是断块盆地，有的可能是异常高压层，有的可能不是。
超压产生机制
(3)水热增压
地层压力预测方法
传统声波时差法求取地层压力

由Willie公式
t tma
t f tma
式中，Φ-孔隙度 ；Δt-时差，us/m， Δtma-骨架时差，us/m；Δtf-孔隙流体时差，us/m。
若岩性已知，地层水变化不大的剖面，Δtma、Δtf基本不变，
为正比关系:
t f ()
正常压实地层：
超压产生机制
(9)流体密度差异
烃类密度的差异，尤其是水-气之间的密度差异，能在烃 类聚集的顶部产生异常压力。烃柱越长，烃类与周围水的密度 相差越大，超压也就越大。一般说来，浮力差异能使压力上升 到几百psi这一数量级。
超压产生机制
水/盐水密度：0.99/1.25 水/盐水梯度：0.01MPa/m、0.12MPa/m 油梯度：0.007-0.009MPa/m 气梯度：0.0009-0.003MPa/m
超压产生机制
(6)浓差作用 浓差作用是盐度较低的水体通过半渗
透隔膜向盐度较高水体的物质迁移。只要 粘土或页岩两侧的盐浓度由明显的差别， 粘土或页岩便起着半渗透膜的作用，产生 渗透压力。渗透压差与浓度差成正比，浓 度差越大，渗透压差也越大。浓差流动可 以在一个封闭区内产生高压。浓差作用引 起的异常高压远比压实作用和水热作用引 起的高压小得多。
绘制正常压实趋势线（NCT）的可能 误区是什么？
地层压力预测方法
传统方法的缺陷
仅适用于“不平衡压实过程导致的地层欠压实”高压情况; 绝大部分方法仅限于在纯泥页岩中使用; 都需要建立正常压实趋势线，且假定半对数坐标系中为直线; 因建立经验图版的压力来源于渗透性地层，反过来预测泥岩地
层，结果往往偏低； 在定量化方面是经验和半经验的方法，缺乏理论基础。
地壳薄层油气生储盖1地应力的概念油气生成运移聚集保存及破坏再聚集的过程与盆地所处环境和区域构造应力场有密切联系有助于揭示低渗透和裂缝性油气田的油气分布规律井壁稳定打直防斜或钻定向井水平井井眼轨迹控制流变地层中套管变形注采井网部署的注采方案设计水力压裂设计及水力裂缝的延伸扩展规律开采过程中的出砂问题开发过程中的套管损坏2地应力的重要性3地应力的表示方法4岩体自重产生的地应力在油层深度内温度一般不超过200主要表现为弹性岩体自重形成的应力可表示为
a、k、b、d参数的确定方法:
◆ 可以根据上部正常压实段的声波速度V和正常孔隙压力 条件下计算的相应的有效应力Pe数据；
◆ 利用实测的地层压力数据及相应的声波时差测井或VSP 测井的速度数据进行非线性回归求得。
深度(m) 深度(m)
地层压力预测方法
时差(us/ft)
当量密度(g/cc)
50 100 150 200
超压产生机制
受应力影响而发生脱水作用
排出水 原始体积
填隙水 原始体积
固体 原始体积
超压产生机制
均为页岩 为什么同为页岩， 压实曲线的差异这么大呢？
超压产生机制
沙 &砂岩
0.75
泥
粘土 &页岩， 粘土 “正常”线
泥岩
埋深
页岩
超压对孔隙度的影响
+T 板岩 (深)
孔隙度
超压产生机制
另外一种常见的欠压实情况是一非渗透致密盖层的快速沉积导致其下地 层的欠压实与异常高压，最为典型的例子是“复合盐层”中与岩盐层拌生的 软泥岩地层。
孔隙压力、地应力确定方法
卢运虎
学习目标
1.说明至少两种异常高压的成因。 2.利用标准趋势线方法，计算孔隙压力。 3.地应力的成因。 4.地应力的解释方法。
提纲
地层孔隙压力 地应力及其确定方法
什么是孔隙压力
什么是孔隙压力
地下压力
深
度
Pp
Pehmin Po
Pev Pf
Pex
Ph
Ph-静液压力； Pp-地层孔隙压力； Pf-裂缝传播压力； Po-上覆岩层压力 Pex-剩余压力； Pev-垂直有效应力； Pehmin-最小水平有效应力
分类 超低压 低压
常压
高压 超高压
什么是孔隙压力
许多含油气盆地的浅层孔隙 压力均为静水压力。为什么？
盆地深处通常可观察到异常 高压，为什么？
在埋深中等的层段，超压发 育更为多变，为什么？
注意：超压似乎受限于破裂 压力（如LOT），为什么？
什么是孔隙压力
模型中假设相邻盖层（泥岩）和封隔 箱（砂岩）的压力保持平衡。这种假设 正确吗？
不平衡压实
孔隙流体膨胀 水热增压 生烃作用 烃类裂解 粘土矿物成岩作用 浓差作用
地层抬升、剥蚀
孔隙度近似不变
构造挤压应力 流体密度差异作用
地层压力预测方法
1、钻前预测法(Prediction of pore pressure)：利用地震层速度 资料、邻井资料等； 2、随钻监测方法(Detection of pore pressure)：Dc指数法，σ法 、随钻 测井资料(LWD)法、随钻地震(SWD)法； 3、钻后测井评估(Eveluation of pore pressure)：测井资料( 声 波 、电阻率、密度)等； 4、实测地层压力：MDT等(电缆地层测试)、钻杆测试(中途测试 )、完井测试。
不平衡压实作用常见于陆地边缘的三角洲地区，这些地区沉积速率大， 在沉积剖面中泥页岩含量远高于其它岩性，因此极易形成异常高压，如我国 东部地区的某些中新生代地层。大多数研究者认为，泥质沉积物的压实不平 衡（欠压实）是下第三系沉积盆地中遇到大多数异常高压的主要原因。
致密盖层
超压产生机制
(2)构造挤压 在构造变形地区，由于地层的剧烈升降，产生构造挤压应
1000 2000
1000
泥浆密度
2000
检测压力
3000 4000
3000 4000
实测压力
5000
5000
6000
6000
DB1井地层压力检测图
地层压力预测方法
简易方法的评述 不用建立正常趋势线，且主要利用声波测井资料，因此使用起 来比较方便，易于推广。实践证明这种方法对泥岩为主的砂泥岩 剖面适用性良好，精度较传统的正常趋势线方法高。 缺点是对于泥岩以外其它岩性及非欠压实机制形成的异常高压 情况不太适用。 应用效果表明，若测井资料质量较好，且有校正过的岩屑录井 分层岩性资料来区分岩性，该方法的检测精度是非常高的。
po
( po
ph )
dco dcn
1.2
pp
po
(
po
ph )
Ro Rn
1.2
pp
po
( po
ph )
Cn Co
地层压力预测方法
利用测井资料计算欠压实泥岩异常高压简易方法
Vp a kPe bedPe Pp Po Pe
Vp-声波速度；Pe-有效应力； Pt-上覆压力；Pp-孔隙压力； a、k、b、d-与地层有关的模型参数
0.6 1 1.4 1.8 2.2 2.6
500
500
1000 1500 2000
1000 1500 2000
泥浆密度 实测压力
2500
2500
检测压力
3000
3000
DF111井地层压力检测图
声波时差(us/ft)
30 60 90 120 150 0
当量密度(g/cc)
0.6 1 1.4 1.8 2.2 2.6 0
超压产生机制
(10)水势面的不规则性 在自流条件下或者由于浅层与较深的高压层间的有渗透通道
的存在，能使孔隙压力高于正常值。随着静水压头增加，地层孔 隙压力增大。
潜水面 这是静水（“正 常”）压力吗？
超压产生机制
随着静水压头减小，地层孔隙压力降低。
超压产生机制
异常地层高压产生机制分类表
符合原始加载曲线 符合卸载曲线
随着埋深增加而不断升高的温度，使 孔隙水的膨胀大于岩石的膨胀（水的热膨 胀系数大于岩石的热膨胀系数）。如果孔 隙水由于存在流体隔层而无法逸出，孔隙 压力将升高。
• PVT关系 -若温度上升，而体积保持不变，则压力降增大（高压锅效应）。
• 需要良好的盖层 -盐体内存在超高压漂浮捕虏体的可能成因。
超压产生机制
t t0ech
式中，Δt -h处的时差，us/m；Δt0 -地表时差，us/m；c -系数。
若将上式在半对数坐标(Δt为对数、h为常规坐标)，则Δt与h成直线。 在非正常压实地层，Δt偏离(大于)正常趋势线，意味着高压地层。
地层压力预测方法
正常压实（正常压力）至3000m 正常压实趋势线（NCT）为蓝色 拟合线 当岩石类型相同时，若偏离趋 势线，则表明出现超压现象。 适用于任何地层孔隙度数据
超压产生机制
应力产生：欠压实、构造挤压 热产生：水热作用、成岩作用 渗透层内流体再分布：浮力、重心、横向迁移、水力压头、渗透性
超压产生机制
(1)不平衡压实作用
①沉积速率；②孔隙空间减小速率；③地层渗透率的大小；④流体排出情况 ; 平衡压实形成正常压力，平衡压实形成异常高压。
快速沉积是造成不平衡压实的主要原因之一，由于沉积速率过快，造成沉积 颗粒排列不规则(没有足够的时间)，排水能力减弱，继续增加的上覆沉积载荷部 分由孔隙流体承担，形成异常高压，同时造成地层的欠压实。
什么原因引起的深部地层井眼井壁的崩落？
1、地应力的概念
来自天体的、地球内部的、外部的、以及地球自转速度的变化，导致地 壳不同部位出现受力不均衡，分别受到挤压、拉伸、旋扭等力的作用， 促使地壳中的岩层发生变形。岩层产生一种反抗变形的力，这种内部产 生的并作用在地壳单位面积上的力。