第3章 地层压力检测

第三章地层压力检测大量的勘探实践表明，异常高压地层的存在具有普遍性，而且钻遇到高压地层比低压地层更为常见。

这些广泛分布的异常高压地层首先影响钻井的安全，钻井中，如果未能预测到可能钻遇到的异常高压地层，使用的钻井液液柱压力小于地层压力，可能会导致严重的井喷甚至井喷失控。

因此，在石油钻井中，对地层压力的评价是非常重要的，对保护油气层，保证井控安全具有重要意义。

一压力检测的目的及意义1 压力检测和定量求值指导和决定着油气勘探、钻井和采油的设计与施工。

2 对钻井来说，它关系到高速、安全、低成本的作业甚至钻井的成败。

3 只有掌握地层压力，地层破裂压力等地层参数，才能正确合理的选择钻井液密度，设计合理的井身结构。

4 更有效地开发、保护和利用油气资源。

二异常地层压力的形成机理1压实作用：随着埋藏深度的增加和温度的增加，孔隙水膨胀，而孔隙空间随地静载荷的增加而缩小。

因此，只有足够的渗透通道才能使地层水迅速排出，保持正常的地层压力。

如果水的通道被堵塞或严重受阻，增加的上覆岩层压力将引起孔隙压力增加至高于水静压力，孔隙度亦将大于一定深度时的正常值。

2 构造运动构造运动是地层自身的运动。

它引起各地层之间相对位置的变化。

由于构造运动，圈闭有地层流体的地层被断层、横向滑动、褶皱或侵入所挤压。

促使其体积变小，如果此流体无出路，则意味着同样多的流体要占据较小的体积。

因此，压力变高。

3 粘土成岩作用成岩指岩石矿物在地质作用下的化学变化。

页岩和灰岩经受结晶结构的变化，可以产生异常高的压力。

例如在压实期间蒙脱石向伊利石转化。

有异常压力，必有上覆压力密封层。

如石膏（CaSO4·2H2O）将放出水化水而变成无水石膏（CaSO4），它是一种特别不渗透的蒸发岩，从而引起其下部异常高压沉积。

4 密度差的作用当存在于非水平构造中的孔隙流体的密度比本地区正常孔隙流体密度小时,则在构造斜上部，可能会形成异常高压。

这种情况在钻大斜度气层时常见到。

在钻进近构造顶部的气层时，需要比钻油气水界面所需要的钻井液密度高。

5 流体运移作用从深层油藏向上部较浅层运动的流体可以导致浅层变成异常压力层。

这种情况叫做浅层充压。

这种流体移动的流道可能是天然的，也可能是人为的。

6 保压上移或地面剥蚀。

保压上移是渗透地层被不渗透地层包围，上移到较浅深度，在较浅深度便形成异常高压。

同样，若是地层剥蚀，也会形成异常高压。

如图所示，A处是正常压力，B处井底砂岩地层便为异常高压。

8 盐丘与盐层。

盐岩有两个特点（1）不渗透；（2）易溶解并以不同形状再结晶。

因此，在盐丘下面，往往被隔成高压。

如果是盐丘，则它向周围地层施加压力，同构造运动一样，促使盐丘附近地层变为异常高压。

异常高压的形成，往往是几种因素交织在一起而形成的，在地质界也存在着几种学说，从不同的方面来解释异常高压的成因。

三检测地层压力的方法检测异常地层压力的原理是依据压实理论：随着深度的增加，压实程度增加，孔隙度减小。

在相同的埋藏深度，高压层比低压层压实差，孔隙度较大。

因此，任何反映地层孔隙度变化的参数均可以用来检测异常地层压力。

1 钻井前参考地震资料预测地层压力地震资料中，地震波每米传播时间可用来预测地层压力。

在正常压力地层，随着岩石埋藏深度的增加，上覆岩层压力逐渐增加，地层孔隙度逐渐减小，这就使地震波的传播速度随岩石埋藏深度的增加而成正比的增加，而传播时间随之减小。

当地震波到达高压油气层时，由于高压油气的存在，地震波在流体中的传播速度低于在岩石固体骨架中的传播速度，另外，由于异常高压地层孔隙度大，这些因素都会导致地震波传播的速度下降，传播时间随之增大。

如图所示。

因此，如果地震波传播时间随深度的增加而明显增加，便有可能是异常高压地层的显示。

可以根据地震波在不同深度地层中的传播时间，在半对数坐标纸上绘出传播时间对深度的关系曲线，然后用等效深度法或根据经验公式计算地层压力的大小。

2 钻进中检测地层压力在钻井过程中要通过随钻压力监测判断地层压力的变化，随钻压力监测主要是指钻井参数检测法。

它包括机械钻速法，d指数法及dc 指数法，标准化（正常化）钻速法，页岩密度法和C指数法等。

这些方法中，dc 指数法较为简便易行，应用也最广泛。

但是dc 指数法只适用于泥页岩地层。

由于异常高压地层形成的地质条件复杂，要准确评价一个地区的地层压力，只应用一种方法是不够的，应利用包括地震和测井资料在内的多种方法进行科学的分析和解释。

下面就页岩密度法和dc 指数法做简单的介绍。

1)页岩密度法一般情况下，随着深度的增加，页岩压实程度增加，孔隙度减小。

但在压力过渡带或异常高压地层，由于岩石欠压实，孔隙度比正常情况下大，其密度比正常情况下小。

因此，可利用岩石密度的变化检测地层压力。

其方法是，在钻进中，取页岩井段返出的岩屑，测其密度，做出密度与深度的关系曲线，通过正常压力地层的密度值画出正常趋势线。

偏离正常趋势线的点，即压力异常点。

开始偏离的部分即为过渡带的顶部。

如图所示。

⑴岩屑的选取岩屑选取的可靠性直接影响岩屑密度的准确度。

在页岩井段，每3—5米取一次砂样，钻速快时可10米或20米取一次，钻速慢时重要层位也可每米取一次。

选取岩屑时注意记准迟到时间，除去掉块和磨圆的岩屑。

用清水洗去岩屑上的钻井液，用吸水纸将岩屑擦干(或烘干，取一致的干度)。

⑵岩石密度的称量方法①钻井液密度计称量。

将岩屑放入密度计的量杯中，加盖后等1g/cm3；再加淡水充满量杯，加盖后称得杯内的密度值ρ T ；利用下式计算页岩密度ρsh值。

Tsh ρρ-=21 式中 ρsh ——页岩密度，g ／cm 3；ρT ——页岩与淡水混合物的密度，g ／cm 3 。

②密度液法。

把岩屑放入标准密度液内，看其在液柱内停留的位置，直接读出密度大小。

⑶ 页岩密度法的作图方法将ρsh 值按相应的深度画到坐标纸上，纵坐标是井深；横坐标是ρsh 值。

根据上部正常压力井段的页岩密度数据做出正常压实趋势线并延长。

画正常压实趋势线时应尽量使密度数据点分布在趋势线的两侧，以利准确求值。

⑷ 用透明标准图版求出测点的地层压力把透明的标准图版覆盖在H －ρsh 图上，使标准图版的正常地层压力当量密度线与H －ρsh 图上的正常密度趋势线重合，则偏离正常趋势线的点落在透明版的某线上或两线间。

版上所表示的密度值即该地层的地层压力当量密度值。

2）dc 指数法正常地层在其上覆岩层压力的作用下，随埋藏深度的增加，泥岩页岩的压实程度相应地增加，地层孔隙度减小，钻进时的机械钻速降低。

而当钻遇到异常高压层时，由于高压地层欠压实，孔隙度增大，因此，机械钻速相应地升高。

利用这一规律可及时地发现异常高压地层，并根据钻速升高的多少来评价地层压力的高低，这就是最初的机械钻速法。

dc 指数法是在机械钻速法的基础上建立起来的。

钻速方程为：Vm = KN e (W/D)d式中 Vm —— 机械钻速，m/h ；K —— 岩石可钻性系数；N —— 转速，rpm ；e —— 转速指数；W —— 钻压，KN ；D —— 钻头直径，mm ；d —— 钻压指数，即d 指数。

假设钻井条件（水利因素、钻头类型）和地层岩性不变（均为泥岩页岩），则K 值保持常量不变，取K = 1。

又因泥岩页岩均属软地层，转速N 与机械钻速Vm 呈线性关系，即 e=1 。

将上述钻速方程整理、取对数，得d 指数表达式。

⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=D W NT d 0684.0lg 282.3lg式中T —钻时，min/m 。

d 指数法的前提之一是保持钻井液密度不变，这在实际施工中难以达到，尤其在进入压力过渡带以后，为了安全起见，需提高钻井液密度，这样，d 指数随之升高，影响了它的正常显示。

为了消除此影响，提出了修正的d 指数，即dc 指数。

m n D W NT dc ρρ⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=0684.0lg 282.3lg 式中 ρn ————正常压力层段地层水密度（一般取1.0 — 1.07），g/cm 3；ρm ——在用钻井液密度，g/cm 3。

在正常地层压力情况下，随着井深的增加，机械钻速Vm 逐渐降低，d c 指数变大，在d c 指数录井图上表现为随井深的增加，d c 指数逐渐增大的趋势；当进入异常高压地层时，井底压差减小，机械钻速增加，相应的d c 指数就会减小，在d c 指数录井图上表现为向左偏离了正常趋势。

如图所示。

这就是d c 指数检测异常高压地层的原理。

具体作法是将d c 值按相应的深度画到半对数坐标纸上，纵坐标是井深，等刻度；横坐标是d c 值，对数刻度。

从正常压力井段延长做出正常趋势线。

可以按几何关系写出其直线方程，也可以根据数理统计分析理论回归出其直线方程。

在数据选取、处理时，必须作到合理、准确地采集相应的各种数据参数，并去除非泥页岩、水利因素变化大、井底不净、吊打及取芯等影响计算精度的井段，以保证d c 指数的准确性、有效性、指导性。

最后通过d c 值偏离正常趋势线的程度估算出地层压力值或按下式计算出地层压力值。

n n P dcdc ρρ= 式中ρＰ ——地层压力当量密度，g/cm 3；dc n ——正常趋势线的dc 值；dc ——实际得到的dc 值；ρn ——地区正常地层压力当量密度，g/cm 3。

3 钻井后检测地层压力钻井后主要是分析测井资料或直接测试求地层压力。

直接用于评价地层压力的测井方法包括声波测井、电阻率测井、密度测井等，其中应用最多的是声波测井。

1）声波法利用声波时差检测地层压力的原理：声波测井记录的纵向声波速度是孔隙度和岩性的函数。

在某种特定的岩石中测井，则声波测井曲线基本上反映孔隙度的变化。

在正常压实条件下，（页）泥岩孔隙度随井深增加而减小。

因此，声波时差也随井深增加而减小。

如图所示井深—时差关系，在半对数坐标纸上，正常压力井段为一直线——正常趋势线。

在该线的左边，是低压区，右边是高压区。

深度3000米处开始出现异常高压显示，该处即所谓的异常高压过渡带。

2）利用电阻（导）率评价地层压力的方法有多种电阻率测井方法，其中感应测井是较普遍用于评价地层压力的一种电阻率测井方法。

感应测井记录地层的电导率，单位，西门子，电导率的倒数是电阻率，单位，欧姆·米。

感应测井的简单原理是，发射线圈发射高频交流电进入地层。

高频交流电在地层中产生的磁场形成涡流，接收线圈接收并记录涡流产生的二次磁场。

仪器记录结果主要与地层电导率成正比。

在地层水性质相对稳定的层段，岩性己知，地层电导率取决于地层孔隙度，因此，对正常压实的地层，随着埋深增加，泥岩孔隙度减小，电导率也逐渐减小。

在异常高压带，泥岩电导率则增高而偏离正常变化趋势。

在半对数坐标上，以对数横坐标为泥岩电导率 Csh刻度，纵坐标为深度H，作出Csh- H关系点图。