NEW 第二章 地层与井眼之间的压力及计算

2.5 上覆岩层压力
上覆岩层压力 上覆岩层压力是某深度以上的岩石和其中流体对该 深度所形成的压力。地下某一深处的上覆岩层压力就是 指该点以上至地面岩石的重力和岩石孔隙内所含流体的 重力之总和施加于该点的压力。 这种情况与把圆柱体放在 桌面上的情况很相似。地下 岩石平均密度大约为2.16～ 2.64g/cm3。于是平均上覆岩 层压力梯度大约为22.62kPa ／m。
2.2 静液压力
例：如图所示，地层水密度1.07 g/cm3井内钻井 液密度 为1.2g/cm3，3000m处静液柱压力为多少？ 解：井内3000m处静液 柱压力 P=0.0098ρH=0.0098×1 .2×3000=35.29MPa
2.2 静液压力
(3)静液压力梯度的计算 (3)静液压力梯度的计算
2.2 静液压力
例2 某井钻至井深3600m处，所用钻井液密度为 1.5g/cm3，计算井内静液压力梯度。 解：G=ρg=1.5×9.81=14.7kPa/m
2.3 当量钻井液密度
（1）当量钻井液密度的定义 当量钻井液密度是指将井内某一位置所受各种压力之和 (静液压力、回压、环空压力损失等)折算成钻井液密度，称 为这一点的当量钻井液密度。 把地层压力、地层破裂压力、循环压力折算成钻井液密 度，分别称为地层压力当量钻井液密度、地wk.baidu.com破裂压力当量 钻井液密度、循环压力当量钻井液密度。 （2）当量钻井液密度的计算
p re = 0.00981H
式中：P -压力，MPa； H -井深，m。
2.3 当量钻井液密度
例3 井深2800m，钻井液密度1.24g/cm3，下钻时存 在一个1.76MPa的激动压力作用于井底，计算井底 压力及当量钻井液密度。 解：井底压力p=1.24×0.00981×2800+1.76=35.82 MPa 当量钻井液密度
2.6 地层破裂压力
地层破裂压力，这样才能保持油气层，获得高钻速，实现 安全高效钻井。破裂压力是确定最大关井压力的依据。
影响地层破裂压力的主要因素
1）取决于其自身的特性。这些特性主要包括地层中天 然裂缝的发育情况、它的强度及其弹性常数的大小。 2）地层压力对其破裂压力有很大的影响。一般来说， 地层的孔隙压力越大，其破裂压力也越高。 3）地层破裂是地层受力作用的结果，与地层中存在的 地应力大小有很大关系。
2.5 上覆岩层压力
Po = 9.8 H [(1 − φ ) ρ rm + φρ ]
式中：Po——上覆岩层压力，Pa； H——该处垂直深度，m； ρ——岩石孔隙中流体的密度， kg/m3 ； Φ——岩石孔隙度，％； ρrm——岩石密度，kg/m3 。
2.5 上覆岩层压力
上覆岩层压力与地层孔隙压力的 关系是 σ0＝M+Pp 式中：σ0—上覆岩层压力，MPa； M—基体岩石重力，MPa；Pp—地层 孔隙压力，MPa。 同样，可以写成 G0＝GM+Gp 式中：G0——上覆岩层压力梯度， kPa／m；GM——基体岩石压力梯度， kPa／m；Gp——孔隙压力梯度，kPa ／m
根据压力梯度的定义可知，其计算公式为：
P G = = ρg H
式中:G -压力梯度，kPa/m(Mpa/m)； p -静液压力，kPa(MPa)； H -液柱的垂直高度，m； p -液体密度，g/cm3； g -重力加速度，9.81m/s2。 用压力梯度的定义，静液压力的公式也可以写成： 静液压力=压力梯度×垂深(p=G×H)
2.4 地层压力
（4）地层压力的分类
1)正常地层压力 1)正常地层压力 在各种沉积物中，正常地层压力等于从地表到地下某 处连续地层水的静液柱压力。其值的大小与沉积环境有关， 一类是淡水和淡盐水盆地，淡水密度是1 g/cm3，形成的压 力梯度为9.8kPa/m；而另一类是盐水盆地，其密度随含盐 量的不同而变化，一般为1.07g/cm3，形成的压力梯度为 10.5kPa/m，这相当于总含盐量为80g/1的盐水柱在25℃时 的压力梯度。按习惯，把压力梯度在9.8～10.5kPa/m之间 的地层称为为正常压力地层。
P
e
=
Pp
gH
2.4 地层压力
又因为Pp=ρpgH得
Pe =
ρpgh
gH
= ρp
式中：ρe-地层压力当量钻井液密度，g/cm3。 此表示法与压力梯度相似，也可以免除因深 度不同带来的不便，且易与施工时所用钻井液密 度相对比，较之压力梯度更为直观。亦称为当量 钻井液密度。
2.4 地层压力
5）用地层压力系数来表示地层压力 压力系数是某点压力与该深度处的淡水柱静压力之比， 无因次。数值上等于平衡该压力所需泥浆密度之值。 压力系数K=Pp/(0.0098ρ水H) 如：1 km深处的压力为 11. 8 MPa，相同深度的水柱 压力为 0.0098 × 1 g/cm3 × 1 000m，则压力系数 =11.8 MPa/(0.0098 × 1 g/cm3 × 1 000m)=1.2 当用地层压力当量钻井液密度表示地层压力时，人们 在叙述时要说某地区正常地层压力为1.07g／cm3。为了叙 在叙述时要说某地区正常地层压力为1.07g／cm3。为了叙 述方便起见，人们往往把单位去掉，而说某地层压力为 1.07，这就是地层压力系数。 1.07，这就是地层压力系数。
2.4 地层压力
2)异常高压 2)异常高压 地层压力梯度大于正常压力梯度时，称为异常高压。 地层压力正常或者接近正常，则地层流体必须一直与地 面连通。这种通道常常被封闭层或隔层截断。在这种情 况下，隔层下部的地层流体必须支撑上部岩层。岩石重 于地层流体，所以地层压力可能超过静液压力，形成异 常高压地层。 3)异常低压 3)异常低压 地层压力梯度小于正常压力梯度时称为异常低压。 这种情况多发生于衰竭产层和大孔隙的老地层。
2.4 地层压力
地层压力系数是指某地层深度的地层压力与该深度处 的淡水静液柱压力之比。地层压力系数无单位，其数值等 于平衡该地层压力所需钻井液密度的数值。 四种压力表示方法均为国内外油气井作业常见的压力 表示方法,它们的意义是相同的,知道其一,便可求出其它三 个量. PP=0.0098ρPH GP=0.0098ρP ρ2=ρP K=ρe(取掉单位) 地层压力系数=地层压力当量钻井液密度取掉单位. 地层压力系数=地层压力当量钻井液密度取掉单位.
2.6 地层破裂压力
井
地 层 立 管
5.51 PR pL
口 压 力 和 泵 入 量 的 关 系 测 破 裂 压 力 时
力 压
4.82 4.13 3.44 2.57 2.06 1.37 0.69 0 160 320
MPa
480 640 800 960 1120 泵入量（L）
2.6 地层破裂压力
地层破裂压力试验目的
2.4 地层压力
在对比不同深度的地层中的压力时，可消除深 度影响。用压力梯度表示压力时，压力梯度乘以深 度即得该深度处的压力。 4）用地层压力当量钻井液密度表示地层压力 地层压力梯度消除了地层深度的影响，如果同时 消除地层深度和重力加速度的影响，那么，地层压 力便可直接用地层压力当量钻井液密度来表示，地 层压力当量钻井液密度就是平衡地层压力所需的钻 井液密度：
检查注水泥作业的质量。 每层套管注完水泥并钻掉水泥塞后，再钻1m新井眼，进 行液压试验，检查套管鞋处水泥封闭质量。 实测地层破裂压力。 1）计算地破裂压力梯度 Gf ： Gf=Pf/Hf 式中：Gf——地层破裂压梯度，MPa/m；符号同前。 2） 破裂压力当量钻井液密度ρmf： ρmf=102Pf/Hf ρmf=102Gf 式中：ρmf——破裂压力当量钻井液密度，g/cm3;其他符号同 前。
2.2 静液压力
(1)静液压力和静液压力梯度的定义 (1)静液压力和静液压力梯度的定义 静液压力是由静止液体的重力产生的压力，其 大小取决于液体的密度和液体的垂直高度，与液 柱的横向尺寸及形状无关。 静液压力梯度是指每增加单位垂直深度静液压 力的变化量。 静液压力梯度受液体密度的影响和含盐浓度、 气体的浓度以及温度梯度的影响。含盐浓度高会 使静液压力梯度增大，溶解气体量增加和温度增 高则会使静液压力梯度减小。
2.4 地层压力
（3）地层压力的表示方法 1）用压力的单位表示，这是一种直接表示法。 2）用压力梯度表示。 例: 已知地层压力当量钻井液密度1.24g/cm3，计 算地层压力梯度。 解：G=9.81×1.24=12.164kPa/m 例: 已知地层压力是30MPa，地层深度2000m，计算 地层压力梯度。 解：G=30×1000/2000=15kPa/m 3）用地层压力梯度MPa/m表示。 例如地层压力为0.015MPa/m。
2.2 静液压力
(2)静液压力的计算 (2)静液压力的计算
P = ρgH
式中:P—静液压力，Kappa； ρ—液体密度，g/cm3； g—重力加速度，9.8 g/cm3 ； H—柱的垂直高度，m。 在陆上钻井作业中，H为井眼的垂直深度，起 始点自转盘面算起，液体的密度为钻井液的密度, 单位为g/cm3.钻井液密度数值与钻井液比重数值一 样大。
第二章 地层与井眼之间的 压力及计算
2.1压力的概念 2.9地层漏失压力 地层漏失压力 2.2静液压力 2.10循环压力损失与环空压耗 循环压力损失与环空压耗 2.3当量钻井液密度 2.11井底压力 井底压力 2.4地层压力 2.12钻井液密度的确定 钻井液密度的确定 2.5上覆岩层压力 2.13压力控制钻井类型的划分 2.13压力控制钻井类型的划分 2.6破裂压力 2.7地层坍塌压力 2.8循环压力损失与环空压耗
2.1 压力的概念
（1）压力定义
压力也称压强，其定义是单位面积上所受的力。
（2）压力表达式
F P = A
式中：P——压力，N/m2； A——面积，m2； F——作用在面积上的力，N。
2.1 压力的概念
(3)压力的单位 (3)压力的单位——Pa 压力的单位 Pa
1Pa=1N/m2 1kPa=1000Pa=103Pa 1MPa=1000kPa=103kPa=1000000Pa=106Pa 1MPa=10.194kgf/cm2 1kgf/cm2=98.067kPa=0.098067MPa 近似计算1kgf/cm2=100kPa=0.1MPa,误差约2%. 1psi=6.895kPa
2.6 地层破裂压力
地层破裂压力Pf的计算： Pf=0.0098ρf Hf 式中:Pf-地层破裂压力MPa；ρf -地层破裂压力当量密度 g/cm3； Hf-漏失层垂直深度m； 地层破裂压力梯度： Gf=Pf/ Hf=0.0098ρf ； Gf——地层破裂压力梯度MPa/m。 掌握破裂压力的重要性 为了合理进行井身结构设计和制定施工措施，除了掌握地 层压力梯度剖面外，还应了解不同深度处地层的破裂压力。在 钻井中，合理的钻井液密度不仅要略大于地层压力，还应小于
35 .82 3 re = = 1 .30 g / cm 0 .00981 × 2800
2.4 地层压力
（1）地层压力定义 地层压力是指作用在地层孔隙流体上的压力，用 Pp表示。 （2）地层压力的计算 正常地层压力等于从地表到地下该地层处的静液 压力。即 PP=Ph=9.8ρpH 地层压力梯度 GP=Gh=9.8ρp PP-地层压力，kPa；GP-地层压力梯度kPa/m；ρP-地 层水密度，（一般为1～1.07g/cm3）；H-地层垂直深 度m。
2.4 地层压力
例题:如地层液体密度为1.20g/cm3,试求垂直深度 为2000m处地层压力,地层压力梯度,地层压力当量 钻井液密度,地层压力系数。 解：地层压力 Pp=0.0098ρPH=0.0098*1.20*2000=23.52MPa； 地层压力梯度 Gp=0.0098ρp=0.0098*1.20=0.01176MPa/m; 地层压力当量钻井液密度 ρe=ρp= 1.20g/cm3; 地层压力系数K=1.20
2.6 地层破裂压力
地层破裂压力是指某一深度地层发生破碎和形成裂缝 时所能承受的压力。井内压力过大会使地层破裂并将全部 钻井液漏入地层。 影响因素：埋藏深度，地质年代，覆盖压力，地层压 力，岩石性质，岩石应力状态，岩石压实程度 在地层破裂之前，液体首先必须穿入地层，这就是说， 作用在地层上的压力必须超过地层压力，井中压力必须大 于岩石的强度。例如，花岗岩是非常硬的，所以其破裂梯 度也会很高。另一方面，砂岩或破碎灰岩是比较软的，所 以容易破裂。