第二章_井身结构设计

钻井液在流动过程或被激励中有效地作用在 井内的压力为有效液柱压力
通过有效压力换算得到的液体密度称为等效 密度。
地层压力理论及预测方法
上覆岩层压力 PO
定义：
某处地层的上覆岩层压力是指覆
盖在该地层以上的地层基质（岩
石）和孔隙中流体（油气水）的
总重力造成的压力。
Po
计算
P0 0.00981 H 1 rm
作立管压力与泵入量（累计） 的关系曲线图，如右图所示。
从图上确定各个压力值，漏失 压 力 P1 ， 即 开 始 偏 离 直 线 点 的 压力，其后压力继续上升；压 力上升到最大值，即为断裂压 力Pf；最大值过后压力下降并趋 于平缓，平缓的压力称为传播 压力。
地层破裂压力确定方法
地层破裂压力的现场测试
地层破裂压力确定方法
测试方法
P
Pf=Pstand_pipe+Pm
2020/5/31
地层破裂压力确定方法
液压试验（泄漏试验）
P
立
管 压
A
力
P
泵入量：V
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地层破裂压力确定方法
地层破裂压力的现场测试
循环调节泥浆性能，保证泥浆 性能稳定，上提钻头至套管鞋 内，关闭防喷器。
用 较 小 排 量 （ 0.66~1.32l/s ） 向 井内泵入泥浆，并记录各个时 间的注入量及立管压力。
现象：当井内液柱压力低于地层坍塌压力时， 对于脆性地层出现坍塌，对于塑性地层出现缩 径。
地层压力理论及预测方法
井底环空压力
1、不循环时：
Pb Ph 0.00981 H
2、钻进时：
Pb Ph Pfa
3、起下钻时：
Pb Ph Pg
Pg为起下钻波动压力
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地层压力理论及预测方法
地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。地层破 裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过岩石的 拉伸强度（抗张强度）
PF
2 1
A 3B(P0
PP ) St
PP
St：地层的拉伸强度，MPa； μ：泊松比 Po:上覆岩层压力MPa; α ：有效应力系数 A、B：构造应力系数 Pp：地层孔隙压力，MPa
异常高压形成的原因
流体运移
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地层压力理论及预测方法
地层压力预测（监测）方法
Dc指数法
d
原理：机械钻速随压差的减
少而增加。正常情况下，钻
速随井深的增加而减小，Dc
增加，在异常高压地层，钻
速增加而dc减小。
适用范围：岩性为泥岩、页
岩；钻进过程中的地层压力 H
监测和完钻后区块地层压力 统计分析。
岩石的强度条件（强度准则）
根据库仑-莫尔的研究，岩石破坏 时剪切面上的剪应力必须克服岩石 的固有剪切强度值（称为粘聚力） ，加上作用于剪切面上的内摩擦阻 力。
C Ntg
C:岩石的粘聚力(内聚力)
Φ：岩石的内摩擦角；σN:岩石剪切面上的法向正应力.
地层坍塌压力确定方法
岩石破坏准则
Mohr—Coulomb准则
ρ：液体密度,（g/cm3） H:液柱垂直高度，m
Ph
地层压力理论及预测方法
压力梯度(Pressure gradient)
单位高度（或深度）增加的压力值
Gh
Ph H
0.00981
MPa / m
在油田，为方便起见，有时压力梯度单位直 接用密度单位。或直接用压力系数的概念。
有效密度（当量密度）
H E (G0 GN ) HG0 Pp
Pp HG0 H E (G0 GN )
PP——所求深度的地层压力，MPa H——所求地层压力点的深度，m； G0——上覆地层压力梯度，MPa/m
，GMn—Pa—/m等效深度处的正常地层压力梯H度
HE——等效深度，m。
dc HE
H
地层压力理论及预测方法
dcR
P——所求井深地层压 力当量密度，g/cm3；
n——所求井深正常地 层压力当量密度，g/cm3
dCN——所求井深处正常
H
趋势线上的dc指数值；
dcR——所求井深实际dc 指数。
dc dcn
dcR
地层压力理论及预测方法
地层压力计算
等效深度法：若地层具有相同的 dc指数，则认为其骨架应力相等, 即：
dc
d
mN m
ρmN:正常地层压力梯度，g/cm3; ρm:实际钻井液密度， g/cm3;
地层压力理论及预测方法
d指数
dc指数
地层压力理论及预测方法
dc指数监测地层压力的方法
按一定深度取点，一般1.5－3m取一点，如果钻速 高可以5－10m一个点，重点井段1m一点，同时记 录每个记录点的钻头尺寸、钻速、钻压、转速、地 层水和钻井液密度。
由岩石颗粒之间来支撑的那 部分上覆岩层压力。
P0 Pp
Pp
地层压力理论及预测方法
地层破裂压力(fracture pressure)
在井中，当井内液体压力达到某一值时会使地 层破裂，这个压力称为地层破裂压力。
地层坍塌压力(Caving pressure)
当井内液柱压力低于某一值时，地层出现坍塌 或缩径，我们称这个压力为地层坍塌压力。
计算dc指数 通过统计分析的方法建立正常压力趋势线 计算地层压力
提示
如有必要，必须对钻头尺寸进行校正； 一个构造上的正常压力可以通过多个井得到，以提
高预测的准确程度； Dc指数预测地层压力所得到的结果可能与其它方法
所得到的结果不尽一致。
地层压力理论及预测方法
地层压力计算
反算法
p
dcnn
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PO
P
异常高压形成的原因
水热作用：岩层孔隙中的流体受热膨胀， 一旦出现隔绝的环境，地层孔隙中流体的 压力就会急剧增加。
渗透作用：水或者溶液被适当的薄膜（泥 岩层）隔开时，水从淡溶液到浓溶液的自 然流动，导致高浓度溶液一侧水增多，如 果排水作用受到阻碍，形成高压。
低浓度
高浓度
主要内容
确定套管的层数 确定各层套管的下深 确定套管尺寸与井眼尺寸的配合
影响因素
地层压力（地层压力、破裂压力、地层坍塌压力） 工程参数 地层必封点
地层压力理论及预测方法
静液柱压力（Hydrostatic pressure） Ph
定义
静液压力是由液柱重力引起的 压力。
计算
Ph 0.00981 H (MPa )
等效深度计算
dcR f (H ) a bH
dcR f (H ) aH bH
地层压力计算步骤
钻井参数录入
钻速、钻压、转速、
地层水密度、钻井液 密度
计算dc指数
回归正常趋势线
H
计算地层压力
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dc HE
H
地层压力理论及预测方法
地层压力预测（监测）方法
声波时差法
地层破裂压力确定方法
理论计算
井眼井壁的应力：
r Pm H h 2( H h ) cos2 Pm z P0 r 0
最大最小水平主应力
H
1
(P0
PP ) A(P0
PP ) Pp
h
1
(P0
PP )
B(P0
PP ) Pp
地层破裂压力确定方法
理论计算
异常地层压力
P
正常地层压力一般为盐 水液柱压力PW。不在正 常地层压力范围内的压 力称为异常地层压力。
异常低压
PP<Pw
异常高压
PP>Pw
正
常
上覆岩层压力
地 层
压
Po
力
孔隙压力 高骨架应力
异 常
低
压
异
孔隙压力 Pw
常 高
压
H
地层压力理论及预测方法
异常低压产生原因
生产层长期开采衰竭 地下水位很低
P0：上覆岩层压力；MPa；Φ：无量纲的小数 ρrm:岩石骨架密度，g/cm3； ρ:地层空隙中流体密度，g/cm3； H：井深，m.
地层压力理论及预测方法
地层压力( Formation Pressure) PP
地层压力是指岩石孔隙中流 体（油气水）的压力，也叫 地层孔隙压力。
Po
骨架应力(matrix pressure)
-1.5
log(x)
0.0547 V 1
n 0.0684 P 1
Db
0.0547V
log
d
n
log 0.0684P
Db
பைடு நூலகம்
3.5 3
2.5 2
1.5 1
0.5 0 0
5
10
15
20
25
30
-log(0.0547V/N)
地层压力理论及预测方法
dc指数法预测的原理
dc指数
对钻井液密度变化进行修正
dc指数
ntg C
n
1
3
2
1
3
2
s in
1 3 cos
2
岩石的剪切破坏
f ( 1 3) sin( 1 3 2Pp) 2C cos 0
α 有效应力系数（Biot系数）， Φ内摩擦角 σ1 和σ1分别为井壁上的最大和最小主应力
地层坍塌压力确定方法
地层坍塌压力计算
m,st
原理：声波在地层中的传播速度与岩石的密度、结 构、孔隙度及埋藏深度有关。当岩性一定时，声波 的速度随岩石孔隙度的增大而减小，对于沉积压实 作用形成的泥岩、页岩，在正常地层压力井段，随 着井深增加，岩石孔隙度减少，声波速度增加，声 波时差减小；在异常压力井段，岩石空隙度增加， 声波速度减少，声波时差增大。因此，可以通过声 波时差偏离正常趋势线的大小预测地层压力。
第二章：井身结构设计
第二章：井身结构设计
第一节：地层压力理论及预测方法
Dc指数 声波时差 地震层速度法
第二节：地层破裂压力预测
理论计算 地破试验
第三节：地层坍塌压力预测 第四节：井身结构设计 第五节：生产套管尺寸设计（自学）
井身结构
定义
套管层次、套管下入深度以及井眼尺寸（钻头尺寸 ）与套管尺寸的配合。
地层压力理论及预测方法
声波时差法预测地层压力
预测步骤
在标准声波时差测井资料上选择泥质含量大于 80%的泥页岩层段，以5m为间隔点读出井深相 应的声波时差值，并在半对数坐标上描点；
建立正常压实趋势线及正常压实趋势线方程； 将测井曲线上的声波时差值代入趋势线方程，
求出等效深度HE； 用等效深度法计算地层压力PP。
对于碳酸岩类地层的孔隙压力预测，除了随 钻测量外，目前还未研究出成熟的技术。
地层压力理论及预测方法
地层压力预测（监测）方法
地震层速度法
原理：在不同岩性、不同压实程度情况下 ，地震波速存在差异。在正常压实地层， 随着深度增加，地震波速增加；在异常压 力地层，随着深度的增加，地震波速减小 。
适用范围：钻前对区域地层压力进行评价 。
井壁上的周向应力（切向应力）：
H h 2( H h ) cos 2 Pm
井壁破裂的原因
井壁上的有效切向应力超过岩石的抗拉强度（破坏准则）
E St
井壁上的有效应力
E Pp
Pf 3 h H Pp St
α有效应力系数，Biot系数
地层破裂压力确定方法
地层破裂压力计算
2020/5/31
地层压力理论及预测方法
Dc指数法预测的原理
D指数
钻速方程：
Vm
Kne ( P Db
)d
D指数
0.0547V
log
d
n
log 0.0684P
Db
V:钻速,m/h;N:转速：r/min P:钻压,kN;Db:钻头尺寸,mm
y
d
1.5
1
0.5
0
0
2
4
6
8
10
12
-0.5
-1
3 H
h 2CK pp
0.0098 K 2 H
K2
1
H：井深，m；
Ρ：钻井液密度，g/cm3；
C：岩石的粘聚力，MPa；
η:地层非线性弹性修正系数（0.9～0.95）；
异常高压产生原因
特点
异常高压地层与正常地层之间有一个封闭层
原因
沉积物的快速沉积，压实不均匀 渗透作用 构造作用 水增热作用
油田注水
异常高压形成的原因
压实效应
海面/地面
地层保持正常的压 实平衡，取决于： D
（1）沉积速率
（2）孔隙空间减 少速率
P （3）地层渗透率
（4）排出孔隙流 体的能力
适用范围：岩性为泥岩、页岩；完钻后进行地层压 力评价。
地层压力理论及预测方法
声波时差（用页岩的声波时差） 要求：足够数量的测井数据
t t0eCH
H
ln t ln t0 CH A
ln t
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H：井深，m Δ t:井深H处的泥岩声波时差，μs/ft Δ t0:表层泥岩声波时差, μs/ft C：正常趋势线斜率 A:正常趋势线截距
求破裂压力当量泥浆密度ρmax
max
m
Pl 0.00981H
m——试验用泥浆密度，g/cm3； P1——漏失压力，MPa； H——裸眼段中点井深，m。
地层破裂压力梯度(MP/m)
Gf
0.00981m
P1 H
地层坍塌压力确定方法
造成井壁坍塌的原因主要是由于井内液柱压力太低，使得井壁 周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏所造成 的，此时，对于脆性地层会产生坍塌掉块，井径扩大，对塑性 地层，则向井眼内产生塑性变形，造成缩径。