地层三个压力剖面预测技术现状与发展趋势

七、下一步工作构想
岩屑法地层三个压力监测研究 LWD、SWD随钻压力检测


通过上部测井资料、井底钻井信息和下 部地震资料预测钻头以下一定范围内的 地层三个压力
岩屑法系统研究
显微硬度测试仪已研制成功 TEMCO公司有CWT-200岩屑声波测 试仪 相关性研究


LWD、SWD预测技术
xy

m
d b d
d d

0
0
Griffith断裂准则
1 3 2
3 t
8 t 1 3 0
( 1 3 3 0 )
1 3 3
0
2.3 坍塌压力的计算

Mohr-Coulumb 准则 直井坍塌压力表达式：

当 量 密 度 /g /c m 3
pm
pp
pc
pf
3
2
1
3600
3700
3800
3900
4000
4100
4200
井 深 /m
cal b it
45 40 35
井 径 /c m
30 25 20 3600 3700 3800 3900 4000 4100 4200
六、目前存在的问题
野猫井地层三个压力预测与监测 老区加深井地层三个压力预测与监测 调整井地层三个压力预测技术 水基钻井液对岩石力学性质的影响
是井身结构设计的基础 是泥浆密度设计的基础 是泥浆体系设计的重要参考资料 是预防和减少井下复杂的关键 是提高井眼质量的重要手段




二、井壁稳定的基本原理

地层三个压力的概念
• 孔隙压力 地层孔隙压力是指地层中孔隙流体的压力。 • 坍塌压力 地层坍塌压力是指井壁产生剪切破坏时的临 界井眼压力。 • 破裂压力 地层破裂压力是指地层产生拉伸破坏时的临 界井眼压力。
0 .5 1800
2 .5
pp
pc
pf
2100
2400
2700
垂 /m 深
pp pc pf
当 量 密 度 /g/cm 3
2 .0
1 .5
1 .0
0 .5 2700
3000
3300
3600
3900
垂 深 /m
5.4 柳104井
正常趋势线lnt=5.9295-0.0001162 地区指数c=2.933 构造应力系数： beita1=0.04422 beita2=0.01605
pm
pp
pc
当 量 泥 浆 密 度 (g /c m )
井 深 (m )
pf
3
2 .5 2 .0 1 .5 1 .0 0 .5 0 .0 2200
2400
pm
pp
pc
2600
2800
3000
3200
井 深 (m )
5.2 冀东柳12-6井
2 .5
pp pc pf
d e n s ity /c m 3
2 .0

H
2
h
H
2
h
z
v 2
H
h 2 cos 2 p p a r
2
r

H
2
h
4 2 a a 1 3 4 2 2 sin 2 r r
2.2 强度破坏准则
拉伸破坏准则

3=-t 是水力压裂的起点或井漏的起点。
地层三项压力预测、监测技术 的研究现状和发展趋势
石油大学（华东）钻井工程研究室 程远方教授
汇报内容
百度文库




地层三项压力在钻井中的重要性 地层三项压力预测的基本原理 地层三项压力预测、监测技术研究现状 我们的研究特色 本研究的应用推广情况 目前存在的问题 进一步研究设想
一、地层三项压力在钻井中的重要性
0
1
f 2
2
1
1 2
3 f f 2
2
1
1 2
f

1 2
1 2 1 2 cos
2 1 2
1
2
/4-/2

1 2 sin
2
c
2 0 cos 1 sin


特点：处理过程简单、成本较低、相关 性一般、精度一般。
（3.6）岩屑法

基本原理
岩屑的显微硬度、塑性系数、纵横波速度、 密度 地应力 岩屑的显微硬度、塑性系数、纵横波速度、 密度 强度参数 计算坍塌压力和破裂压力

特点：处理过程简单、成本低、相关性 好、精度较高、监测。
（3.7） LWD、SWD法
2.1 井眼围岩应力分布规律
应力 强度 直井线弹性井眼围岩应力分布 斜井线弹性井眼围岩应力分布 直井非线性井眼围岩应力分布 直井弹塑性井眼围岩应力分布
直井线弹性井眼围岩应力分布规律

假设：地层为线性、均质、各向同性弹 性体。
h H
h H h H- h h
则，井眼围岩应力分布规律为：



5.1 冀东高26-22井
G 2 6 -2 2 井 压 力剖 面 图
当 量 泥 浆 密 度 (g /c m )
3
2 .0 1 .5 1 .0 0 .5 0 .0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
G 2 6 -2 2 井 压 力剖 面 图
pf
2 .5
引进仪器，对数据应用进行开发 仪器的研制

利用上部资料预测下部地层压力技术

通过分形理论、神经网络理论、数理统 计、灰色系统等现代数学方法，在已知 上部测井资料、井底钻井信息、下部地 震资料的条件下，预测钻头以下一定深 度范围内的三个压力。
谢谢各位专家领导
光临指导！
pc 3
H

2
h
0
tan 1
2.4 破裂压力的计算
•拉伸破坏准则：
3 t
t
破裂压力表达式：
p f 3
h

H
p p t
三、地层三项压力研究历史及现状（1）

八十年代以前，地层孔隙压力以监测为 主，如页岩密度法、DC指数法等。地层 破裂压力预测处于经验模式阶段，如马 修斯-凯利模式、伊顿模式等。没有地层 坍塌压力的概念。 八十年代，提出了地层坍塌压力的概念， 并从理论上对地层三个压力进行了公式 推导。 九十年代，实用技术开发阶段。
r

H
2
h
2 r 1 2 a 2 r 1 2 a
H
2
h
2 4 2 r r a 1 4 2 3 4 cos 2 2 p m p p a a r 4 2 r a 1 3 4 cos 2 2 p m p p a r
三、地层三项压力研究历史及现状（3）



需求：钻井全过程地层三个压力 如何确定所有钻遇地层的力学参数 如何确定所有钻遇地层的地应力 如何考虑水基钻井液对地层参数的影响。
四、我们研究的创新性


分层地应力确定技术 反分析法确定地层的原位强度 关联数据库
可分层确定地应力、弹性模量、泊松比、强 度、有效应力系数、地层三个压力 定井深计算 分段推荐地层三个压力

基本原理 地应力
井壁应力
强度准则
坍塌压力 破裂压力

特点：岩心来源有限、成本高、可操作 性差、精度高。
（3.2）地震层速度法

基本原理 地震层速度 地应力 地震层速度 强度参数 计算坍塌压力和破裂压力

特点：数据来源广泛、成本低、单因素 相关性差、精度低。
（3.3）常规测井资料法

基本原理 纵横波时差、密度、自然 纵横波时差、密度、自然 计算坍塌压力和破裂压力


三、地层三项压力研究历史及现状（2）



室内实验研究方法（研究院） 地震层速度法（石大北京） 常规测井资料法（华北钻井所、石大） 页岩比表面积法（Exxon) 人造岩心法(Norway) 岩屑法(Amoco、石油大学） LWD、SWD法（厂家） 经验模式法（ USA)
（3.1）室内实验研究方法
1 .5
1 .0
0 .5 900 1200 1500 1800 2100
d e p th /m
2 .5
d e n s ity /c m 3
2 .0
1 .5
1 .0
0 .5 2400 2700 3000 3300
pp
pc
pf
5.3 江苏盐城1井
2 .5
当 量 密 度 /g/cm 3
2 .0
1 .5
1 .0
基本原理 测量参数 地应力 测量参数 强度参数 计算坍塌压力和破裂压力


特点：设备要求高、处理过程简单、相 关性和精度取决于测量参数的多少。
（3.8）经验模型法

基本原理
孔隙压力：声波时差法、电阻率法、页岩 密度法，可接LWD数据。 坍塌压力（无） 破裂压力经验模式：马修斯-凯利法、伊顿 法。 特点：简便、成本低，精度有限。
min
max


MOHR-COULOMB破坏准则
岩石沿某一面发生剪切破坏，不仅与该面上剪应 力的大小有关，而且与该面的正应力有关。岩 石并不沿着最大剪应力作用面产生破坏，而是 沿着其剪应力与正应力达到最不利组合的某一 面产生破裂。即： f= 0+f 在、坐标系下，上式为一直线方程。
•HOEK-BROWN 破坏准则
1 3 c m b 3 / c s
1 最大主应力；3最小主应力
a
c单轴抗压强度；mb HOEK-BROWN常数 s，a岩体特征常数
1
3

Griffith 断裂准则
裂纹尖端周向应力：
b
2 m
2
y

2
地应力 强度参数

特点：数据来源广泛、成本低、相关性 好、精度较高。
（3.4）页岩比表面积法
基本原理 恒定地应力梯度 页岩比表面积 强度参数 计算坍塌压力和破裂压力


特点：处理过程复杂、成本较低、相关 性较差、精度较低。
（3.5）人造岩心法
基本原理 恒定地应力梯度 人造岩心强度 实际岩心强度参数 计算坍塌压力和破裂压力

并联弹簧模型
E1 T
E4
反分析法确定地层的原位强度

压力预测精度取决于两种数据：地应力 和强度数据。
实验法结果
常规测井法结果
自适应井壁稳定技术结果
五、本技术应用推广情况
89年起开始研究，经过八五攻关，初步形成了 一套预测方法，并在水平井中进行了应用。 滩海新区事业部GH3-1井的成功应用。 大港探井的应用 江苏油田的应用（盐城-海南花4） 冀东油田高尚堡、老爷庙、北堡、柳赞区块的 应用。 辽河、冀东、大港、吐哈、江苏、青海、海洋