地層壓力與計(jì)算方法

滿地寶 便攜式鉆機(jī)

    什么是地層壓力?

    保存在地層孔隙內(nèi)的流體(油、氣、水)所具有的壓力稱為地層壓力。在鉆井過(guò)程中，當(dāng)鉆至油氣水層后，地層壓力便作用于井底。在充滿鉆井液的井眼中，井底具有以鉆井液液柱為主的井底壓力。井底壓力與地層壓力的差值稱為井底壓差。當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥诰�底壓力時(shí)，井底壓差為負(fù)壓差，地層孔隙中的流體便會(huì)侵入井內(nèi)，發(fā)生井噴事故。當(dāng)井底壓力大于地層壓力時(shí)，井底壓差為正壓差，地層孔隙中的流體就不會(huì)侵入井內(nèi)。但是，當(dāng)井底正壓差大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生下列危害。

    1）油氣層的縫隙

    鉆井液中的粘土等固相顆粒在井底正壓差的作用下，侵入油氣層的孔隙或裂縫之中，阻止或防礙油、氣流出。正壓差越大，鉆井液中的固相顆粒越多，則固相顆粒越易侵入地層孔隙或裂縫之中，堵塞就越嚴(yán)重。

    2）油、氣流產(chǎn)生“水鎖效應(yīng)”

    在井底正壓差的作用下，鉆井液中的自由水就會(huì)不斷地向地層縫隙中滲透，在地層縫隙中形成一段水、一段油，(如圖)。由于油—水和氣—水之間有表面張力，油氣要想流入井眼中，就必須克服一段段水的表面張力所形成的阻力，這樣，水就封鎖了油氣流入井內(nèi)的通道，這就是所謂的“水鎖效應(yīng)”。井底正壓差越大，失水量越大，鉆井液浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，地層中的水量就越多，滲入地層中的深度就越大，一般為幾十厘米，有時(shí)可達(dá)幾米，甚至數(shù)十米，這就會(huì)嚴(yán)重阻礙油氣流入，降低油氣產(chǎn)量。

    3）油、氣層中泥質(zhì)吸水膨脹

    堵塞油、氣通道。當(dāng)鉆至油氣層，如果油氣層中的粘土等泥質(zhì)成分含量較高，那么在井底正壓差的作用下，鉆井液中的自由水就會(huì)進(jìn)入油氣層。油氣層中的泥質(zhì)成分吸水膨脹堵塞油、氣通道，就會(huì)降低油、氣產(chǎn)量。井底正壓差越大，浸入油氣層的自由水就會(huì)越多，堵塞就越嚴(yán)重。

    4）降低機(jī)械鉆速

    在井底正壓差的作用下，鉆頭破碎的巖屑會(huì)被緊緊地壓在井底而不能及時(shí)離開(kāi)，造成鉆頭對(duì)巖屑的重復(fù)破碎，從而影響鉆頭破碎巖石的效率，導(dǎo)致機(jī)械鉆速下降。井底正壓差越大，機(jī)械鉆速越慢。

    5）易形成粘附卡鉆

    鉆井過(guò)程中，由于井眼不可能完全垂直，當(dāng)井下鉆具靜止不動(dòng)時(shí)，鉆柱在井底正壓差的作用下靠向井壁，與井壁泥餅緊密結(jié)合(陷入泥餅中)，如果靜止時(shí)間較長(zhǎng)，井底正壓差較大就會(huì)把鉆柱緊緊地壓在井壁上，從而產(chǎn)生粘附卡鉆。

    6）易發(fā)生井漏。

    在鉆井過(guò)程中，如果地層孔隙度大，滲透性好，那么，鉆井液就會(huì)在較大的井底正壓差的作用下發(fā)生滲透性漏失。

    當(dāng)然，井底正壓差較大，對(duì)防止井噴是極其有利的。過(guò)去人們往往怕井噴而過(guò)大地增加鉆井液密度，人為地增大井底正壓差，這樣做的結(jié)果是井雖未發(fā)生井噴，但油氣層卻被堵塞了。過(guò)去，常常會(huì)看到這種現(xiàn)象，有的油、氣井在鉆進(jìn)時(shí)油氣顯示很好，而完井試油時(shí)，卻不出油產(chǎn)氣，或者產(chǎn)油、氣很少。因?yàn)槭�油鉆井的主要目的是為了開(kāi)發(fā)地下油氣資源。所以，我們?cè)阢@井過(guò)程中，必須盡量減少井底正壓差。

    為了多出油，快打井，減少卡鉆、井漏等事故的發(fā)生，井底正壓差應(yīng)該是越小越好，最理想的鉆井狀態(tài)為井底壓力等于地層壓力，使井底壓差等于零。在井底壓力等于地層壓力條件下的鉆井過(guò)程為平衡鉆井。平衡鉆井是很難做到的，一般情況下是使井底壓力稍大于地層壓力，保持最小的井底正壓差，這種在井底壓力稍大于地層壓力條件下的鉆井過(guò)程為近平衡鉆井，近平衡鉆井有以下優(yōu)點(diǎn)：

    避免堵塞油氣縫隙，有利于發(fā)現(xiàn)與保護(hù)油氣層。

    提高機(jī)械鉆速。

    防止粘附卡鉆。

    防止井漏。

    正常地層壓力的定義與計(jì)算

    地質(zhì)上認(rèn)為：含有油氣水的地層是通過(guò)滲透性地層形成的縫隙與出露在地表的地層相互溝通，在這個(gè)相互溝通的縫隙內(nèi)充滿著地層水(如圖1)。

    某地區(qū)的正常地層壓力就是該地區(qū)較為普遍的地層水所形成的靜液柱壓力，其計(jì)算公式為：

    P=ρgH=0.0098ρH 

    式中：

    P—正常地層壓力，MPa；

    ρ—地層水密度，g/cm3；

    g—重力加速度，g=9.8m/s2；

    H—地層深度，m。

    地層深度一定是地層垂直深度，與某深度的地層相互溝通的出露在地表的位置與該地層的水平距離可以達(dá)到數(shù)十公里，產(chǎn)生溝通作用的滲透性地層的傾斜距離會(huì)更多，這種水一平距離、傾斜距離都不能做為計(jì)算正常地層壓力的依據(jù)。

    [例題]某地區(qū)較為普遍的地層水密度為1.07g/cm3，求地層垂直深度分別為1000m，2000m，3000m的正常地層壓力為多少?

    解：

    P1=0.0098ρH=0.0098×1.07×1000=10.486(MPa)；

    P2=0.0098ρH=0.0098×1.07×2000=20.972(MPa)；

    P3=0.0098ρH=0.0098×1.07×3000=31.458(MPa)。

    答：地層垂直深度分別為1000m，2000m，3000m的正常地層壓力分別為10.486MPa；20.972MPa和31.458MPa。

    正常地層壓力的四種表示方法

    1、用壓力的具體數(shù)值表示地層壓力

    在上例中：地層垂直深度分別為1000m，2000m，3000m的正常地層壓力分別為10.486MPa；20.972MPa和31.458MPa。

    2、用地層壓力梯度表示地層壓力

    由上例可以看出，正常地層壓力與地層深度成正比，地層深度增加幾倍，正常地層壓力隨著增加幾倍；同樣，地層深度減小，地層壓力也隨著減小。它們擴(kuò)大、減小的規(guī)律是：地層壓力和地層深度的比值總是一定的。這個(gè)定植10.486MPa/m就是某地區(qū)的正常地層壓力梯度。

    地層壓力梯度是單位地層深度地層壓力的變化量。其計(jì)算公式為：

    式中：

    G—地層壓力梯度，MPa/m；

    P—地層壓力，MPa；

    H—地層深度，m。

    對(duì)于某地區(qū)來(lái)說(shuō)，由于地層水密度是一定的，所以某地區(qū)的正常地層壓力梯度是一個(gè)固定不變的值。正常地層壓力梯度能夠較直觀地表示某地區(qū)的正常地層壓力。在異常壓力地層，同樣可以用異常地層壓力梯度來(lái)表示異常壓力地層。

    [例題]某地區(qū)3500m以上為正常地層壓力，測(cè)得地層深度為2500m處的地層壓力為26.215MPa，求該地區(qū)的正常地層壓力梯度。

    解：G=P/H=26.215/2500=0.0105(MPa/m)。

    答：該地區(qū)的正常地層壓力梯度為0.0105MPa/m。

    在鉆井施工前，我們?nèi)绻�已�?jīng)了解本地區(qū)的正常地層壓力梯度，那么，在鉆井過(guò)程中，如果想知道某地層深度的正常地層壓力的具體數(shù)值，只要將正常地層壓力梯度乘以地層深度即可。

    [例題]某地區(qū)正常地層壓力梯度為0.0118MPa/m，當(dāng)井深為2000m時(shí)，地層壓力為多少?

    解：P=GH=0.0118×2000=23.6MPa。

    答：地層壓力為23.6MPa。

    3、用地層壓力當(dāng)量鉆井液密度表示地層壓力

    地層壓力梯度消除了地層深度的影響，如果同時(shí)消除地層深度和重力加速度的影響，那么，地層壓力便可直接用地層壓力當(dāng)量鉆井液密度來(lái)表示，地層壓力當(dāng)量鉆井液密度就是平衡地層壓力所需的鉆井液密度：   

    式中：ρe—地層壓力當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3。

    由上式可知，正常地層壓力當(dāng)量鉆并液密度的數(shù)值等于形成地層壓力的地層水密度。因此，只要知道某地區(qū)的地層水密度，就能直接得到正常地層壓力當(dāng)量鉆井液密度，鉆井工作者便可以采用相當(dāng)?shù)你@井液密度實(shí)現(xiàn)平衡鉆井，或者采用比地層壓力當(dāng)量鉆井液密度略高的鉆井液密度，實(shí)施近平衡鉆井。由于地層壓力當(dāng)量鉆井液密度易與鉆井中所用的鉆井液密度形成對(duì)比，因此用地層壓力當(dāng)量鉆井液密度表示地層壓力較之地層壓力梯度更為直觀。

    [例題]地層深度為2000m時(shí)，地層壓力為20.972MPa，問(wèn)地層壓力當(dāng)量鉆井液密度為多少?

    解：ρe=P/（0.0098H）=20.972/（0.0098×2000）=1.07g/cm3。

    答：地層壓力當(dāng)量鉆井液密度為1.07g/cm3。

    由于各地區(qū)的地層水礦化度各不相同，有的是淡水，有的是海水，有的是鹽水，因此，各地區(qū)的地層水密度也各不相同。所以，各地區(qū)的正常地層壓力當(dāng)量鉆井液密度值也各不相同。例如，勝利油田為1.02g/cm3，東南亞為1.03g/cm3時(shí)，墨西哥灣為1.07g/cm3。

    4、用地層壓力系數(shù)來(lái)表示地層壓力

    當(dāng)用地層壓力當(dāng)量鉆井液密度表示地層壓力時(shí)，人們?cè)跀⑹鰰r(shí)要說(shuō)某地區(qū)正常地層壓力為1.07g/cm3。為了敘述方便起見(jiàn)，人們往往把單位去掉，而說(shuō)某地層壓力為1.07，這就是地層壓力系數(shù)。

    地層壓力系數(shù)是指某地層深度的地層壓力與該深度處的淡水靜液柱壓力之比。地層壓力系數(shù)無(wú)單位，其數(shù)值等于平衡該地層壓力所需鉆井液密度的數(shù)值。

    如2000m深度的地層壓力為20.972MPa，相同深度的淡水靜液柱壓力為1×0.0098×2000=19.6MPa,則：地層壓力系數(shù)=20.972MPa/19.6MPa=1.07。

    在鉆井工作中談到地層壓力時(shí)，上述四種表示方法都可能用到，當(dāng)用地層壓力當(dāng)量鉆井液密度表示地層壓力時(shí)，可以不再說(shuō)明是地層壓力當(dāng)量鉆井液密度而直接稱之為地層壓力。由于它們的數(shù)值與單位都相同，所以要按上下文的意思進(jìn)行理解，以與鉆井液密度相互區(qū)別。

    在前面我們提到地層壓力、地層壓力梯度、地層壓力當(dāng)量鉆井液密度、地層壓力系數(shù)時(shí)僅對(duì)正常地層壓力進(jìn)行了一些闡述。實(shí)際上上述概念也適用于其它壓力，如異常高壓層、異常低壓層、靜液柱壓力、地層破裂壓力等。

    [例題]如地層液體密度為1.20g/cm3,試求垂直深度為2000m處地層壓力,地層壓力梯度,地層壓力當(dāng)量壓井液密度,地層壓力系數(shù)。

    解：地層壓力Pp=0.0098ρpH=0.0098*1.20*2000=23.52MPa；

    地層壓力梯度Gp=0.0098ρp=0.0098*1.20=0.01176MPa/m；

    地層壓力當(dāng)量壓井液密度ρe=ρp=1.20g/cm3；地層壓力系數(shù)K=1.20。

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