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文檔簡介
第一節(jié)地下壓力(yālì)特性一、地下各種壓力的概念(一)靜液壓力(hydrostaticpressure)靜液壓力——由液柱自身的重力所引起的壓力,其大小與液體的密度與液柱的垂直高度或深度。
ph=0.00981ρhl(1―1)
式中:ph—壓力,MPa;ρ—密度,g/cm3;hl—液柱垂直高度,m。靜液壓力梯度——單位高度或單位深度的液柱壓力稱為(chēnɡwéi)靜液壓力梯度,表示靜液壓力隨高度或深度的變化。
Gh=ph/hl=0.00981ρ兩類地層水:
淡水:Gh=0.00981MPa/m;ρ=1.0
g/cm3
鹽水:Gh=0.0105MPa/m;ρ=1.05g/cm3(1-2)共二十七頁(二)上覆巖層壓力(yālì)(Overburdenpressur)
上覆巖層壓力——地層某處的上覆巖層壓力是該處以上地層(包括巖石基質(zhì)和巖石孔隙中流體)總重力所產(chǎn)生的壓力。
式中:p0—上覆巖層壓力,MPa;D—地層垂直深度,m;φ—巖石孔隙度,%;ρma—巖石骨架密度,g/cm3;ρ—孔隙中流體密度,g/cm3;ρ0—地層密度,g/cm3。
第一節(jié)地下壓力(yālì)特性(1-3)(1-4)(1-5)共二十七頁上覆巖層壓力梯度——
上覆巖層壓力隨深度增加而增大。沉積巖的平均密度(mìdù)大約為2.5克/厘3,上覆巖層壓力梯度一般為0.0227兆帕/米。在實際鉆井過程中,以鉆臺作為上覆巖層壓力的基準面。
第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性(1-6)共二十七頁(三)地層壓力(formationpressue)地層壓力——指巖石孔隙中的流體所具有的壓力,也稱地層孔隙壓力(formationporepressue),用pp表示。正常地層壓力——等于(děngyú)靜液壓力,pp=ph。石鉆異常地層壓力——
地層壓力大于或小于正常地層壓力。。
超過正常地層壓力的地層壓力(pp>ph)稱為異常高壓。低于正常地層靜液壓力的地層壓力(pp<ph)稱為異常低壓。
第一節(jié)地下壓力(yālì)特性共二十七頁(四)基巖應(yīng)力(matrixstress)
上覆巖層(yáncéng)壓力由巖石的基質(zhì)顆粒(骨架)和孔隙中的流體共同承擔(dān)。由巖石顆粒間相互接觸支撐的那一部分上覆巖層(yáncéng)壓力,稱為基巖應(yīng)力,亦稱有效上覆巖層壓力、骨架應(yīng)力或顆粒間壓力,用σ表示。(1-7)
第一節(jié)地下壓力(yālì)特性共二十七頁
(五)地下各種壓力(yālì)的關(guān)系
第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性
上覆巖層壓力由巖石骨架和孔隙中的流體共同承擔(dān),因此上覆巖層壓力、地層壓力和基巖應(yīng)力之間存在以下關(guān)系:當(dāng)po一定時,σ減小,pp增大,σ→0,pp→po。所以,地層的孔隙壓力增大,基巖應(yīng)力必然減小。共二十七頁(六)異常地層壓力的成因
異常低壓和異常高壓統(tǒng)稱(tǒngchēng)為異常壓力(abnormalpressure)。
1.異常低壓(abnormallowpressure)
壓力梯度小于9.81kPa/m(即正常地層壓力梯度)的是異常低壓。 產(chǎn)生異常低壓的原因
(1)生產(chǎn)多年而又沒有壓力補充的枯竭油氣層。(2)地下水位很低。
第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性共二十七頁2.異常高壓(abnormalhighpressure)
壓力梯度大于10.5千帕/米的是異常高壓。(1)形成異常高壓的地質(zhì)條件
①地層具有保存流體的空隙; ②地層周圍存在不滲透圍柵,構(gòu)成圈閉;③具有一定的埋藏深度,形成足夠(zúgòu)大的上覆巖層壓力。(2)異常高壓的成因
在地層的沉積過程中,隨著上覆沉積物不斷增多,地層逐漸被壓實,孔隙度減小。如果地層是可滲透的、連通的,地層中流體的流動不受限制(稱之為水力學(xué)開啟系統(tǒng)),地層孔隙中的流體則隨著地層的壓實被排擠出去,建立起靜液壓力條件。
在地層被不滲透的圍柵包圍,流體被圈閉在地層的孔隙空間內(nèi)不能自由流通(稱之為水力學(xué)封閉系統(tǒng))的條件下,隨著地層的不斷沉積,上覆巖層壓力逐漸增大,而圈閉在地層孔隙內(nèi)的流體排不出去,必然承受部分上覆巖層重力。結(jié)果是地層流體壓力升高,地層得不到正常壓實,孔隙度相對增大,巖石密度相對減小,基巖應(yīng)力相對降低。這種作用稱為欠壓實作用。
第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性共二十七頁
第一節(jié)地下壓力(yālì)特性正常(zhèngcháng)地層壓力的形成異常高壓的形成共二十七頁其它原因:
①地質(zhì)構(gòu)造作用:造成地層上升、巨大地應(yīng)力的擠壓
②水熱增壓作用:溫度升高,流體體積膨脹
③滲透作用:水由鹽濃度低的一側(cè)通過泥巖半透膜向高側(cè)滲透。異常高壓的大小
異常高壓一般不會超過上覆巖層(yáncéng)壓力。但也有超過上覆巖層(yáncéng)壓力的特高壓地層,由覆蓋在高壓層以上巖層(yáncéng)的內(nèi)力幫助上覆巖層(yáncéng)壓力來平衡地層流體的巨大向上作用力。
第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性共二十七頁二、地層壓力評價地層壓力預(yù)測(鉆前):地震資料法、測井資料法地層壓力監(jiān)測(鉆進中):dc指數(shù)法、頁巖密度法、標準化鉆速法(一)地層壓力預(yù)測
地震法、聲波時差法、頁巖電阻率法。
1.聲波時差
聲波(縱波)在單位距離(jùlí)地層內(nèi)的傳播時間稱為聲波時差。式中:Δt——聲波時差;ρ——巖層密度,ρ=f(φ); E——巖石的彈性模量;μ——巖石的泊松比。
對于一定的巖性(泥頁巖),Δt≈f(φ)。
第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性(1-8)共二十七頁2.基本原理(1)聲波時差與泥頁巖孔隙度的關(guān)系
(2)正常沉積條件(tiáojiàn)下,泥頁巖孔隙度與埋藏深度的關(guān)系泥頁巖在地面的孔隙度可用聲波時差表示:(3)正常沉積條件下,泥頁巖聲波時差與埋藏深度的關(guān)系
第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性(1-9)(1-10)(1-11)(1-12)共二十七頁(4)基本原理 在正常壓力層段,隨著地層埋藏深度的增加,巖石(yánshí)孔隙度減小,密度增大,聲波速度逐漸增大,聲波時差逐漸減小。在半對數(shù)坐標中,聲波時差隨井深呈直線變化關(guān)系,稱之為正常趨勢線。 進入異常高壓地層時,由于巖層欠壓實,孔隙度相對增大,聲波速度相對減小,聲波時差相對增大,則必然偏離正常壓力趨勢線。據(jù)此可預(yù)測異常高壓,并可根據(jù)偏離程度的大小定量計算地層壓力。
第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性共二十七頁
第一節(jié)地下壓力(yālì)特性3.地層壓力的計算常用方法:經(jīng)驗圖版(túbǎn)法、當(dāng)量深度法當(dāng)量密度g/cm3當(dāng)量密度:某深度地層壓力用等高液柱壓力等效時相當(dāng)?shù)囊后w密度。共二十七頁4.地層壓力預(yù)測步驟(1)收集聲波時差測井資料,讀取泥頁巖點的聲波時差數(shù)據(jù);(2)繪制散點圖,引出正常壓力趨勢線;(3)讀出異常高壓層段的實際△t和該深度(shēndù)D所對應(yīng)的正常趨勢線上的聲波時差△tn,計算△t-△tn;(4)從經(jīng)驗圖版上讀出△t-△tn所對應(yīng)的當(dāng)量密度ρp;(5)計算地層壓力:注意:聲波時差不僅與地層孔隙度有關(guān),而且受巖石彈性、地層流體性質(zhì)、鉆井液性能、測井誤差等因素的影響,因此預(yù)測結(jié)果存在一定的誤差。
第一節(jié)地下壓力(yālì)特性共二十七頁第一章鉆井的工程地質(zhì)條件
第一節(jié)地下壓力(yālì)特性一、地下各種壓力的概念 1.靜液壓力:ph=0.00981ρhl
2.上覆巖層壓力: 3.基巖應(yīng)力: 4.地層壓力 正常地層壓力:Pp=Ph=0.00981ρh1,水力學(xué)開啟系統(tǒng) 異常(yìcháng)高壓:pp=po-σ>ph,水力學(xué)封閉系統(tǒng)二、地層壓力評價方法 1.地層壓力預(yù)測方法——聲波法 2.地層壓力監(jiān)測(檢測)方法——dc指數(shù)法上節(jié)小結(jié)共二十七頁(二)地層壓力監(jiān)測(檢測)
dc指數(shù)法、頁巖密度(mìdù)法、標準化鉆速法
1.dc指數(shù)的概念賓漢鉆速模型(Bingham,1964):Vpc=Kne(W/db)d(1―13)d指數(shù)(泥頁巖層): 采用常用工程單位:
第一節(jié)地下壓力(yālì)特性(1—14)(1—15)
在正常地層壓力條件下,若巖性和鉆井條件不變,機械鉆速隨井深增加而減小,則d指數(shù)隨井深增加而增大。鉆遇異常高壓層,由于地層欠壓實,機械鉆速增大,d指數(shù)則相對減小。據(jù)此可評價地層壓力。共二十七頁dc指數(shù)
Rehm&Meclendon(1971)研究了鉆井液密度變化的影響(鉆井液密度增大(zēnɡdà)將導(dǎo)致機械鉆速降低,d指數(shù)增大(zēnɡdà)),提出了修正的d指數(shù),稱為dc指數(shù)。2.基本原理
第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性(1—16)在正常壓力層段,若巖性和鉆井條件不變,機械鉆速隨井深增加而減小,則dc指數(shù)隨井深增加而增大。在半對數(shù)坐標中,dc指數(shù)與井深呈線性關(guān)系,稱之為正常壓力趨勢線。當(dāng)鉆遇異常高壓層,由于地層欠壓實,機械鉆速增大,dc指數(shù)則相對減小,偏離正常趨勢線。根據(jù)偏離程度可計算出地層壓力。共二十七頁
第一節(jié)地下壓力(yālì)特性3.地層壓力的計算方法經(jīng)驗(jīngyàn)圖版法、經(jīng)驗公式法、當(dāng)量(等效)深度法(1)經(jīng)驗公式法
(1—17)(2)等效深度法
等效深度:若深度為D的異常壓力地層與正常壓力段的某一深度De處的地層具有相等的dc指數(shù),則可以認為兩處地層的壓實程度相同,基巖應(yīng)力相等,即:若dc(D)=dc(De),則σ(D)=σ(De)。
De處:po(De)=σ(De)+pp(De)
D處:po(D)=σ(De)+pp(D)pp(D)=po(D)-po(De)+pp(De)=GOD-(GO-Gpn)De(1-18)De共二十七頁
4.dc指數(shù)法評價地層壓力的步驟(bùzhòu)
(1)收集泥頁巖地層的正常壓力和異常壓力層段的鉆井資料:鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭直徑、地層水密度、實際鉆井液密度;(2)計算dc指數(shù);(3)在半對數(shù)坐標中繪制散點圖,引出正常壓力趨勢線;(4)計算地層壓力。
問題:
1)水力參數(shù)、地層巖性、鉆頭類型等因素的變化都會引起機械鉆速的變化,從而導(dǎo)致dc指數(shù)的變化。因此,dc指數(shù)法評價地層壓力存在較大的誤差。 2)聲波法和dc指數(shù)法只適用于泥頁巖地層(砂泥巖剖面)。對于碳酸巖地層,目前尚無合適的方法。
第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性共二十七頁三、地層破裂壓力(fracturepressure)1.井眼周圍巖石(yánshí)的受力狀態(tài)(1)上覆巖層壓力po(2)地層孔隙壓力pp(3)水平地應(yīng)力(4)鉆井液液柱壓力ph有效地應(yīng)力(巖石骨架應(yīng)力):有效垂直地應(yīng)力(基巖應(yīng)力)σ1=po-pp有效水平地應(yīng)力
第一節(jié)地下壓力(yālì)特性(1-19)σ1σ1σ3σ3σ2σ2ph共二十七頁
2.地層破裂壓力
某深度處地層破裂時所能承受的液體壓力稱為該處地層的破裂壓力,用Pf表示。它取決于井眼周圍巖石的應(yīng)力(yìnglì)狀態(tài)和巖石強度。
第一節(jié)地下(dìxià)壓力特性phσ3σ3σ2σ2pppp裂縫張開方向地層開裂條件Ph>pp+σ3σ3<σ2<σ1共二十七頁3.預(yù)測方法
(1)Hubbert&Willis(1957)認為:①三維不均勻應(yīng)力狀態(tài),σ1>σ2>σ3,且σ3=(1/3~1/2)σ1②井內(nèi)液壓力必須(bìxū)克服地層孔隙壓力和最小有效水平地應(yīng)力時地層才能破裂。(2)Mathews&Kelly(1967) 認為:①水平均勻地應(yīng)力狀態(tài),σ3=σ2=Ki(D)σ1
②井內(nèi)液柱壓力必須克服地層孔隙壓力和最小有效水平地應(yīng)力時地層才能破裂。
第一節(jié)地下壓力(yālì)特性(1-21)(1-20)共二十七頁(3)Eaton(1969) 認為(rènwéi):①水平均勻地應(yīng)力狀態(tài),②井內(nèi)液壓必須克服地層孔隙壓力和最小有效水平
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