随钻地层压力检测

第五节 随钻地层压力检测

?正常?的地层流体压力大致等于流体液柱中的静水压力。地层流体压力有时比静水压力高，有时比静水压力低。两种?不正常?的压力条件都能引起钻井事故，而工业生产中最为关心的是异常高压，有时称之为地质压力。

一、 基本概念

1、静水压力(Hydrostatic Pressure)

静水压力是指单位液体重量与静液柱垂直高度的乘积。与液柱的直径和形状无关。

静水压力的计算公式如下：

H?dPh?

10式中 Ph－静水压力，kg/cm

d－钻井液重量，g/cm3 H－垂直深度，m

2、帕斯卡定律(Pascal’s Law)

帕斯卡定律阐述了静止流体中任何一点上各个方向的静水压力大小相等。通过流体可以传递任何施加的压力，而不随距离的变化而降低。

根据帕斯卡定律，静水压力在液柱中给定的深度上，作用于任何方向上。

3、静水压力梯度（Hydrostatic Pressure Gradient）

静水压力梯度是指每单位深度上静水压力的变化量。这个值描述了液体中压

2

力的变化，表示为单位深度上所受到的压力。其计量单位是kgF/cm/m。

录井人员常用体积密度（g/cm3）来描述静水压力梯度，以便于同钻井液密度相对比。静水压力梯度的计算公式如下：

2

HPG2

PhPV?? H10式中 HPG－静水压力梯度，kg/cm/m

Ph－静水压力，kgf/cm2 Pv－单位体积质量，g/cm3 H－实际垂直深度，m。

3

应用体积密度（g/cm）时，静水压力梯度HG的计算公式如下：

HG?10Ph?PV L式中 HG－静水压力梯度，g/cm

4、地层孔隙压力（Pore Pressure）

地层孔隙压力是指作用在岩石孔隙中流体上的压力。对于现场计算，孔隙压力与流体液柱的密度及垂直深度有关。

对于正常压力系统的地层，给定深度的真实孔隙压力等于液柱压力与流体流动的压力损失及温度效应的总和。

计算孔隙压力的公式为：

3

PF?2

df?H10

式中 PF－孔隙压力，kg/cm

df－流体密度，g/cm3 H－真实垂直深度，m

5、地层孔隙压力梯度（Pore Pressure Gradient）

地层孔隙压力梯度是指单位深度上地层孔隙压力的变化量。 计算公式如下：

PFG?PF H式中 PFG－孔隙压力梯度，kgＦ/cm2

孔隙压力梯度等于或接近于静水压力梯度时称为正常孔隙压力梯度；低于静水压力梯度时称为低压异常孔隙压力梯度，简称低压异常；高于静水压力梯度时称为超压孔隙压力梯度，简称超压。后两种孔隙压力梯度都称为异常孔隙压力梯度。同一地区，在不同的深度，可能会有几种不同的孔隙压力梯度。孔隙压力的上限通常等于上覆岩层的压力。

6、上覆岩层应力(Overburden Stress)

上覆岩层应力是指覆盖在该地层以上的地层基质（岩石骨架）和孔隙中流体的总重量所造成的压力。在石油领域中，上覆地层应力的数值可用与钻井液密度等效的压力或压力梯度表示。

上覆岩层应力的计算公式为：

??HS?b

10式中 S－上覆岩层应力，kg/cm2；

ρb－区间平均体积密度，g/cm3； H－深度，m。

岩石的体积密度与岩石骨架的密度、岩石孔隙流体的密度以及岩石孔隙度有关。

下面是有代表性的各种岩石、矿物和流体的体积密度：

表3－2 常见岩石及液体平均密度

物质 平均密度 g/cm3 砂岩 2.65 灰岩 2.71 白云岩 2.87 硬石膏 2.98 岩盐 2.03 石膏 2.35 粘土 2.7-2.8 淡水 1.00 咸水 1.03-1.2 石油 0.8(平均) 对于给定岩层的体积密度用以下公式加以定义： ?b???df?(1??)?m

式中 ρb－体积密度，g/cm3；

φ－孔隙度，％；

ρm－岩石骨架密度，g/cm3； df－孔隙流体密度，g/cm3；

7、上覆岩层压力梯度(Overburden Pressure Gradient)

上覆岩层压力梯度是指单位高度上的上覆岩层应力。其计算公式为:

POBG??S ?L式中 ＰＯＢＧ－上覆岩层压力梯度，kgf/cm2/m； S－上覆岩层压力，kgf/cm2； L－某段地层的厚度，m。

8、基岩应力

当一个固态的物体受到压力时，在其中某一点上测得的压力可能在不同的方向上并不相同。基岩应力这个术语就是用来描述固体物质的压力分布的。基岩应力的集中可以形成地层压力异常，并在很大程度上影响了岩石破裂压力。岩层的破裂压力又决定了油井的套管程序和允许使用的最大钻井液密度。因此，基岩应力是在分析地层压力异常成因及参数分析计算时不可忽视的因素。

9、正常地层压力(Normal Formation Pressure)

正常地层压力是由所在地层以上的所有流体所施加给该地层的压力。上覆

岩层压力全部由岩石骨架所承担，地层流体仅承载上覆孔隙液体的压力。

因为水是岩石中普遍存在的流体，一个给定深度的正常地层压力是地层水密度的函数。地层水密度主要与地层水矿化度有关。

10、异常地层压力（Abnormal Formation Pressure）和压力异常(Pressure Anomalies）

异常地层压力(Abnormal Formation Pressure)是指地层流体压力大于或小于计算所得的静水压力。

压力异常(Pressure Anormalies)是指任何地层流体液柱高度或密度与井眼中的流体液柱的差异所作用的结果。从技术上讲：压力异常是?正常?地层流体压力，它与异常地层压力对井眼的效应是相同的。

对于任何异常地层流体高压，部分上覆地层载荷已经从岩石骨架转移到了地层流体中。如果钻井液的压力低于地层流体压力，就会发生流体溢出，直到压力平衡为止。这种流体溢出就是通常所说的井涌（KICK）。

11、当量钻井液循环密度（ECD-Equivalent Circulation Density）

当量钻井液循环密度（ECD）是相当于井底循环压力(BHCP)的钻井液密度。井底循环压力等于钻井液的静水压力加上以实际钻井液流速在环空中损失的压力（ΔPann）。

12、压差（Differential Pressure）

压差(ΔP)是井底计算压力和地层压力之间的差值。 即

?P?PBHC?PF

式中 ΔP－压差，kgf/cm2；

PBHC－计算井底压力，kgf/cm2； PF－地层压力，kgf/cm2。

ΔP是在现场钻井活动中与其它许多活动有关的重要参数之一。 如果ΔP是负值（PF ＞PBHC），可能会产生如下结果：

①来自地层的油气侵入井眼。 ②钻速(ROP)加快。 ③非渗透岩层坍塌。

④渗透性岩层发生井涌。 ⑤软岩层出现井眼跨塌。

如果ΔP的值接近于零（PF ＝PBHC），可能会产生如下结果：

①岩屑中有较好的气体显示。

②由于循环暂停和钻杆的运动，钻井液柱压力下降，出现起下钻气

体显示。

如果ΔP是正值（PF ＜PBHC），可能会产生如下结果：

①钻速(ROP)降低。

②由于钻井液对地层的冲洗，渗透层的气体显示较差。 ③由于钻井液对地层的冲洗，电测响应差。

④使钻井中的固体物质注入地层孔隙中，储层被破坏。 ⑤可能从地层已有的裂缝中发生井漏。

在大多数钻井条件下，ΔP必须大于零。这样做虽然会导致钻速小于最优钻速，但可以使钻进过程中井涌发生的可能性变得最小。更为重要的是，有一个较小的正压力差，可以补偿起下钻时的抽汲压力降。

13、地层破裂压力（Formation Fracture Resistance）

地层破裂压力或地层抗破裂压力，是将地层压裂所需要的液柱压力。地层破裂压力是石油工业上研究最多的课题之一。油井开采中常常故意压裂储层岩石以增加低渗层的产量。但是，钻井过程中发生的地层岩石被压裂破碎却可能引起严重的问题，甚至可以使油井报废。

当钻穿异常高压带时，钻井人员必须提高钻井液的密度以平衡地层流体压力。可是，钻井液的循环压力却不能大于井眼中最弱的岩层的破裂压力。

对应于不同的深度，把一口设计井的所有的破裂压力值绘成一幅曲线图，用来描述破裂压力梯度。破裂压力梯度可以：帮助我们确定下技术套管的深度，确定控制井涌时的最大环空压力，实施增产措施时，控制人工破碎储层的压力。

大多数情况下，在一个给定的裸眼井中，最软的岩层往往是位于最后一层套管鞋下面的第一个渗透层。如果钻井液压力大于破裂压力，该岩层就会发生井漏。井漏的发生又可能导致在漏失层的下部负压差的出现，可能引发井涌或井喷。因此，就限定了有一个极限的深度，即在没有下入另一层套管的情况下，在异常压力带可以钻达的最大深度。

14、泄漏试验（Leak-Off Test）

地层泄漏试验是在现场确定裸眼井段允许使用的最大钻井液密度的一种试验方法。在新下入套管位臵以下钻入几米，由钻井施工人员进行测试。如果在这之下没有更高渗透率的岩层存在，这部位就是最软的部位。测试的结果，转换成相应的钻井液密度，从而确定该层位在不发生井漏的情况下允许使用的最大的钻井液密度。

作业公司通常仅在一个新区的最先打的几口井才作泄漏试验。这项测试应当在下入套管的坚硬地层以下的第一个孔隙地层里进行。测试包括在地面关井，然后加压，至到钻井液开始注入地层。

典型的漏失测试包括如下步骤：

(1)下套管固井后，下钻循环，试压，再钻穿套管鞋，钻入套管鞋下面新的地层最少３米。

(2)起钻到套管鞋。

(3)使钻头位于套管鞋深度，停泵，使钻井液静止，关闭方钻杆旋塞及防喷器（环空及钻杆防喷器心子）。

(4)使用固井设备从节流管线缓慢地向井眼环空注入钻井液。注钻井液过程中注意压力的变化以及注入钻井液的体积。

(5)在钻井液开始挤入地层之前，压力的增加基本上是呈线性的。开始脱离线性变化那一点的压力就是漏失压力。

(6)继续注入钻井液后压力曲线变得平缓，至到压力不再增加。在压力不变的那点上，就开始向地层孔隙和裂缝中注入钻井液。出现这种现象的那点的压力就是注入压力。

(7)到达注入压力点，立即停泵，关闭节流管线，注视压力的变化。正常情况下，关闭压力将下降，到达一个略高于漏失压力的平衡点。该平衡点上的压力叫做放压压力。

应监控测试过程中注入的钻井液的量以及放压以后回收的钻井液量；损失部分或全部钻井液意味着地层的漏失或固井失效。

(8)维持放压压力几分钟以确保没有岩层破裂发生。

(9)如果放压压力保持不变，打开节流阀排出剩余压力，钻井可继续进行。测试结果可能很难解释。偶尔，软地层可能完全漏失，操作者必须进行处理才能继续钻进。记住，井漏发生处是整个垂直井深中最弱的点（常常位于套管鞋下），不一定是井底。

漏失压力确定了漏失点的井底压力，据此可以确定所允许使用的最大钻井液密度（ECD）。

图3－24 地层泄漏试验压力演变图

漏失井底压力：

PBH?d?H?PLOT

10式中 PBH－井底压力，kgf/cm2；

d－钻井液密度，g/cm3； H－垂直深度，m；

PLOT－漏失压力，kgf/cm2。

最大允许使用的钻井液密度（dmax）：

dmax?PBH?10 H

泄漏试验有可能会引起地层完全破裂，因此，有时使用一种新的测试方法，即所谓的地层完整性测试（Formation Integrity Test）或者叫地层注入测试（FIT－Formation Intake Test）来代替地层泄漏试验。在FIT测试中，钻井人员对套管鞋以下地层施加一个稍微比估计破裂压力小的压力。如果在该压力下没有井漏发生，测试就算成功。FIT测试有一个缺点就是不能测出真实的漏失压力。如果在钻井过程中钻井液密度必须提高到FIT限定的密度值以上时，有可能引起井漏。

综合录井应用软件中一般均配备有泄漏试验程序，它可以实时地监控和记录测试压力。测试数据可以根据时间、体积、以及体积和时间进行回放。测试结果可以被打印出来，作为生产报告的一部分。

二、异常地层压力的成因

异常地层压力可能比静水压力高或者低，但是在石油和天然气勘探开发中人们最关心的是异常高压。

有很多地质过程影响压力的形成，大多数的异常压力可能是由下列诸多因素的相互作用引起的：压力?封闭层?、压实作用、大地构造效应、成岩作用、温度效应、流体密度效应、流体运移效应等。对一个特定地区的异常压力条件可能是由以上几个因素的结合引起的。

1．压力?封闭层?（Pressure “Seal”）

压力?封闭层?的作用是限制地层流体从高压区向低压区的运移或压力的散失。压力?封闭层?是形成地层压力异常的必要条件。

压力?封闭层?类型包括：

(1)低孔隙度岩石的沉积，如致密的碳酸盐岩、岩盐、石膏或硬石膏、粘土岩或页岩。

(2)盐类或页岩的刺穿构造的形成。

(3)断层在渗透性岩层中臵入非渗透性岩层，限制了流体的流动。 (4)盖层的厚度控制着由于漏失而使压力达到平衡的总体时间。 (5)任何其它的阻止地层流体流动的物理或化学条件。

2.压实作用（Compaction Effects）

在沉积作用过程中，大多数的沉积物含有一些水（自由水或结合水）。尤其是海相的粘土物质在掩埋时有高达80%的含水量。作用在沉积物孔隙水上的上覆沉积物的重量（上覆压力）随着埋藏深度的增加而增加。

如果有一个向上排替水的运移通道，压力就会维持正常静水压力。有时，由于某种因素限制了地层的渗透性或者埋藏的速度超过了水被排挤出的速度。

这种情况下，压实作用减慢，把部分其后沉积的固体物质的重量施加到孔隙流体中。孔隙流体就会呈现异常高压，见图3－25。阻挡流体流动、减慢压实作用的因素就是压力?封闭层?。封闭层（岩盖）可能就在异常压力岩层的内部，也可能位于流体流动方向的上部。

图3－25 地层压实作用原理图

(1)、压实趋势

在许多地区海相粘土物质的孔隙度随着深度的增加按可以预测的趋势减小。许多地区，粘土孔隙度的减小呈一条指数曲线。

一种纯粘土胶结的沉积物孔隙度曲线，绘制在半对数坐标中，大致呈一条直线。这条曲线形成一种压实趋势，可以用它来预测在任何深度上同种沉积物的孔隙度（或密度）。根据趋势线的偏差，可以很容易地看出?正常?孔隙度曲线上的变化量。不同地区有各自的压实趋势，它是应力、温度和化学作用的综合影响的结果，见图3－26。

图3－26 页岩压实趋势图

(2)、压力过渡带（Transition Zone）

在岩石层序中若包含有厚层的海相页岩，来自渗透层异常高压带的流体可以渗透到上覆页岩中去。从静水压力到异常压力随着深度的变化形成了一个过渡带，见图3－27。

如果粘土胶结的沉积物中包含有一个异常高压带，那么该带的孔隙度比同样深度的正常压实地层的要高。因此，把与孔隙度相关的参数，绘制在半对数坐标纸上，可能表现为背离沉积趋势线上的一个过渡带。趋势线的变化可能是突变的，也可能是渐变的，这与压力?封闭层?的类型和压实作用有关。

图3-27 过渡带原理

钻井过程中及时发现和识别压力过渡带是实现地层压力预测的前堤。压力过渡带是对下部地层压力异常的预警。

异常压力地层并不总是有过渡带。在许多地区，由于粘土或页岩层太薄或者同其它沉积物混杂或者由于压力盖层可能是一个断层或者是非渗透性的岩层等原因，过渡带很薄或者并不存在。

3.构造因素

在构造作用活动区域，构造因素无疑是异常压力形成的主要原因。由于现场资料的缺乏，构造作用效应很难定量化。

(1)、正常压实地层的抬升

地壳上升力和地表侵蚀力的共同作用，可以把埋藏在深部的岩层抬升到近地表。如果在抬升和侵蚀过程中有某种因素限制了流体的运移，该地层就会由于深度因素而形成异常高压。

压力梯度的大小与埋藏深度和抬升量有关。抬升量相同时，埋藏深度越浅压力梯度越高。图3-28显示了不同抬升深度的效果。

图3-28 地层抬升过程形成异常压力的原理

(2)、应力场的变化

构造活动导致了区域应力场力的大小和方向发生变化。构造应力和上覆应力影响着沉积物沉积的速度和岩石固化的速度。

在特定的沉积物中，构造应力的聚集比流体的排替速度快，就出现流体超压。在披覆构造中，上覆非渗透性沉积物的快速堆积可能引起极度的超压层的出现。

图3-29 压力?桥?的概念

构造力有利于维持超压。流体压力比上覆压力高时，可能引起流体压裂地层和上覆岩层的抬升。但是如果上覆岩层是致密的（如白云岩），构造应力就可以帮助建立一个压力?桥?使上覆岩层固定在一个适当的位臵上（图3-29）。局部来讲，压力的?桥?是一个盖层。在少数地区，地层流体压力可以比上覆岩层压力高出40%。

(3)、断层和断裂

对于地层流体压力，断层可能有几个不同的效应，这与断层的位臵和类型有关（图3-30）:

1)正断层往往是开放的、形成有效的流体通道。当储层断开与非渗透层接触时可形成有效的摭挡。

2)逆断层往往是关闭的、形成有效的遮挡物，尤其是在周围地层发生变化的情况下。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s0dd.html