地层压力系数计算

地层压力系数与梯度(2010-05-27 11:07:06)转载▼分类：WORK标签：杂谈1）地层压力是指作用在地层孔隙中流体的压力（即孔隙压力），又称孔隙流体压力。

如果孔隙流体是水，那么地层压力等于静水压力值。

2）地层压力系数表示的是该储层流体压力（即地层压力）与该处静水柱压力的比值（用深度来计算，石油工程上静水比重常用1.02）。

3) 地层压力梯度表示深度增加1m（或100m）所增加的地层压力。

静水压力（中学的物理课程）：P w=Hρw g式中：H——为水柱的高度。

4）如果计算得出：压力系数<0.75 ，超低压；0.75<压力系数<0.9，低压； 0.9<压力系数<1.1，常压； 1.1<压力系数<1.4，高压；压力系数>1.4，超高压，异常高压，如气田SY/T 6174-2005是这样规定的：地层压力—地层中流体承受的压力称地层压力，又称油藏压力。

静水柱压力—静止水柱的重力所形成的压力。

SY/T 5313-2006则是这样规定的：地层压力—地层孔隙压力，地层孔隙中流体所具有的压力。

33、什么叫油井静压？答：油井静压也叫地层压力，是指油井在关井后，待压力恢复到稳定状态时，所测得的油层中部压力。

34、什么叫试井？有哪几种方法？1、何位注水强度、吸水指数、注水系统效率？答：注水强度：注水井中单位有效厚度油层的日注水量。

吸水指数：单位注水压差下的日注水量。

注水系统效率是指从注水站到注水井井底整个注水工艺流程系统能量的利用程度2、什么是启动压力、静水柱压力？答：启动压力：注水井地层开始吸水时的压力叫启动压力。

3、注水方式有哪几种？答：油田注水方式分边外注水和边内注水两大类。

边内注水可分为行列式内部切割注水，面积注水，腰部注水，顶部注水，不规则注水5种。

4、什么是井间干扰？答：1、什么叫地静压力、原始地层压力、饱和压力、流动压力？答：地静压力：由于上覆地层重量造成的压力称为地静压力。

第一节 经典土压力理论浅埋地下结构的竖向土压力计算：土柱理论，即竖向土压力即为结构顶盖上整个土柱的全部重量。

侧向土压力计算的经典理论的主要依据：库伦(Coulomb)理论和朗肯〔Rankine)理论。

计算静止土压力计算一般采用弹性理论，它也可以称为经典理论。

1.1 静止土压力z K p γ00= （1-1）z c γσ= （1-2）μμ-=10K （1-3）02021K h E γ= （1-4）式中 γ-土的重度；z -由地表面算起至M 点的深度；0K -静止土压力系数；μ-土的泊松比，其值通常由试验来确定；0E 合力作用点位于距墙踵h /3处。

1.2 库伦土压力理论aa K h E 221γ= （1-5） p p K h E 221γ=（1-6）2222])sin()sin()sin()sin(1)[(sin sin )(sin δαβαδϕβϕδααϕα-++-+-+=a K (1-7) 2222])sin()sin()sin()sin(1)[(sin sin )(sin δαβαδϕβϕδααϕα++++-+-=p K (1-8) 粘性土中等效内摩擦角换算有多种, （1）根据土的抗剪强度相等的原则进行换算为：)(hctg arctg D γϕϕ+= (1-9) 还有其他换算方式：（2） 借助朗肯土压力理论进行换算，按朗肯理论同时考虑c 、ϕ值得到的土压力值要图1.1 静止土压力计算图式图1.2 库伦土压力计算图式和已换算成等效内摩擦角D ϕ后得到的土压力值相等，推算得到等效内摩擦角D ϕ。

（3）采用《建筑地基基础设计规范》计算。

1.3 朗肯土压力理论z z γσ= （1-10）z K x γσ0= （1-11）a a a K c zK p 2-=γ （1-12） P P P K c zK p 2+=γ （1-13）式中：)245(2ϕ-=tg K a ，)245(2ϕ+=tg K pγγ222221c K ch K h E a a a +-= （1-14） 图1.3 朗肯极限平衡状态第二节 地下结构的土层压力中南大学资源与安全学院 赵建平2.1 浅埋地下结构的竖向土层压力在软土地层中当地下结构物采用明挖法施工，埋置深度较浅(顶盖离地表面距离较近时)，称为浅埋地下结构。

地层压力的定量计算对任何井及区块地层压力的认识首先是从对区域地震剖面、地质构造、地层沉积史、油气运移、生排烃史以及周边和实钻资料的综合分析获得的，在此基础上建立区域地层压力模型，绘制出地层压力、破裂压力和上覆地层压力剖面，并对即将钻探的井提出具有指导性的意见和套管下深结构建议。

在随后的实钻过程中，通过对实时钻井数据的分析不断修改和完善预测结果。

最后以实测的地层压力数据对所建立的地层压力剖面及模型加以校正。

由此可见对地层压力的认识是一个不断认知-更新的过程，地层压力预测、评价服务贯穿了一口井从设计到完井的始终。

为了将问题简单化我们按其和钻井作业的对应关系将地层压力预测、监测和评价大致分为：钻前地层压力预测、随钻地层压力监测和钻后地层压力评价三部分。

其中随钻地层压力监测是对地层压力准确认识的关键，它关系到钻井作业的成败。

一、地层压力检测所需资料地层压力检测结果出自对定量数据的计算和对定性数据的分析。

所需的资料大致分为数据类、图表类和文字描述类。

数据类：预测井和临井经深度校正后的地层层速度数据及分层数据；预测井和临井的海拔高度、补心高度、钻盘面距名义海平面距离、井位坐标及地下水平面高度数据；临井套管下深结构数据；临井钻井录井数据，包括：井深、垂深、钻速、钻压、气测、出/入口泥浆密度、出/入口泥浆温度、ECD、Dxc等；临井的测井或LWD数据，包括：然伽玛或自然电位、深浅电阻率、声波、岩石密度等数据；临井实测地层压力数据，包括：MDT、RFT或DST；临井地层漏失实验(LOT)或地层完整性实验FIT数据。

图表类：临井综合录井图和地层压力录井图；过井地震剖面；预测井含临井的地理位置图。

文字描述类：临井岩屑和岩芯定名及描述；临井地质完井报告、钻井报告和井史；临井井漏、井涌、井喷记录。

二、伊顿法地层压力的定量计算对地层压力的计算通常基于Terzaghi(1948)的应力模型，也既是：Pf=S-O。

在具体的计算中使用伊顿，所得出的为孔隙压力梯度而不是压力。

第一节 经典土压力理论浅埋地下结构的竖向土压力计算：土柱理论，即竖向土压力即为结构顶盖上整个土柱的全部重量。

侧向土压力计算的经典理论的主要依据：库伦(Coulomb)理论和朗肯〔Rankine)理论。

计算静止土压力计算一般采用弹性理论，它也可以称为经典理论。

1.1 静止土压力z K p γ00= （1-1）z c γσ= （1-2）μμ−=10K （1-3）02021K h E γ= （1-4）图1.1 静止土压力计算图式式中γ-土的重度；z -由地表面算起至M 点的深度；-静止土压力系数；0K μ-土的泊松比，其值通常由试验来确定；合力作用点位于距墙踵h /3处。

0E 图1.2 库伦土压力计算图式1.2 库伦土压力理论aa K h E 221γ= （1-5） pp K h E 221γ= （1-6）2222])sin()sin()sin()sin(1)[(sin sin )(sin δαβαδϕβϕδααϕα−++−+−+=a K (1-7)2222])sin()sin()sin()sin(1)[(sin sin )(sin δαβαδϕβϕδααϕα++++−+−=p K (1-8)粘性土中等效内摩擦角换算有多种, （1）根据土的抗剪强度相等的原则进行换算为：)(hctg arctg D γϕϕ+= (1-9) 还有其他换算方式：（2） 借助朗肯土压力理论进行换算，按朗肯理论同时考虑c 、ϕ值得到的土压力值要和已换算成等效内摩擦角D ϕ后得到的土压力值相等，推算得到等效内摩擦角D ϕ。

（3）采用《建筑地基基础设计规范》计算。

1.3 朗肯土压力理论图1.3 朗肯极限平衡状态z z γσ= （1-10） z K x γσ0= （1-11）a a a K c zK p 2−=γ （1-12）P P P K c zK p 2+=γ （1-13）式中：)245(2ϕ−=tg K a ，245(2ϕ+=tg K pγγ222221cK ch K h E a a a +−= （1-14）第二节 地下结构的土层压力2.1 浅埋地下结构的竖向土层压力在软土地层中当地下结构物采用明挖法施工，埋置深度较浅(顶盖离地表面距离较近时)，称为浅埋地下结构。

井控计算公式表1、钻井液压力梯度（psi/ft）=0.052×Wm（ppg）钻井液压力梯度（MPa/m）=0.0098×Wm（g/cm3）2、液柱压力P（psi）=0.052×Wm（ppg）×TVD（垂直井深ft）液柱压力P（MPa）=0.0098×Wm（g/cm3）×TVD（垂直井深m）3、地层压力=液柱压力+关井钻杆压力SIDPP4、关井套压SICPP=地层压力-环空液柱压力5、初始循环压力=低泵速泵压+关井钻杆压力SIDPP压井钻井液密度原有钻井液密度6、最终循环压力=低泵速泵压×7、钻井泵排量（桶/分）=桶/冲×冲数/分钻井泵排量（升/分）=升/冲×冲数/分泵排量（桶/分）环空容积（桶/英尺）8、环空钻井液上返速度（英尺/分）=泵排量（升/分）环空容积（升/米）环空钻井液上返速度（米/分）=环空压力损失（psi）0.052TVD（ft）9、当量循环密度（ppg）=Wm（钻井液密度ppg）+当量循环密度（g/cm3）=Wm（钻井液密度g/cm3）+环空压力损失（MPa）0.0098TVD（m）SIDPP（psi）0.052TVD（ft）10、压井钻井液密度（ppg）=原有钻井液密度（ppg）+SIDPP（MPa）0.0098TVD（m）压井钻井液密度（g/cm3）=原有钻井液密度（g/cm3）+SICPP-SIDPP）（psi）溢流高度（ft）11、溢流物梯度（psi/ft）=0.052×钻井液密度（ppg）-SICPP-SIDPP）（MPa）溢流高度（m）溢流物梯度（MPa/m）=0.0098×钻井液密度（g/cm3）-12、溢流高度（ft）=循环池增量（桶）÷环空容积（桶/ft）溢流高度（m）=1000×循环池增量（米3）÷环空容积（升/米）P d（地层泄漏表压力psi）0.052×套管鞋深度（ft）13、地层泄漏压力当量钻井液密度（ppg）=钻井液密度（ppg）+P d 地层泄漏表压力（MPa ）0.0098×套管鞋深（m ）地层泄漏压力当量钻井液密度（g/cm 3）=钻井液密度（g/cm 3）+14、最大允许关井套压（psi ）=0.052[最大允许钻井液密度（ppg ）-井内实际钻井液密度（ppg ）] ×套管鞋深（ft ）最大允许关井套压（MPa ）=0.0098[最大允许钻井液密度（g/cm 3）-井内实际钻井液密度（g/cm 3）] ×套管鞋深（米）1500（W 2-W 1）35.8-W t15、加重晶石量（磅/桶）= W 1——原钻井液密度（ppg ）； 1500—— 一桶重晶石的重量，磅；W 2——重钻井液密度（ppg ）； 35.8—— 一加仑重晶石的重量，磅；W x （W 2-W 1）W x -W 2加重晶石量（吨/米3）= W 1——原钻井液密度（g/cm 3）； W x ——重晶石密度（g/cm 3）；W 2——重钻井液密度（g/cm 3）；16、单位长度容积计算：d 21029 钻杆容积（桶/英尺）= d ——钻杆内径（英寸）d 21273.24 钻杆容积（L /M ）= d ——钻杆内径(mm)D 22-D 121029 环空容积(桶/英尺)=D 1——钻杆外径（英寸） D 2——套管内径（英寸）D 22-D 121273.24 环空容积(升/米)=D 1——钻杆外径（mm ） D 2——套管内径（mm ）17、在起钻前为了使起出的钻杆里没有钻井液，需打一段加重钻井液，计算公式如下： A （空钻杆高度）×W 1（井内钻井液密度） W 2（加重钻井液密度）-W 1（井内钻井液密度） SPM 2 L （加重钻井液高度）=18、泵压与泵速关系：P 2（泵速由spm 1增至spm 2时的压力）=P 1（泵速为spm1时的压力）×（ S P M 2）2 SPM 12、主要计算公式1. 最大允许关井套管压力 MAASP ＝P wp－1.421×MW1×D wp ( psi )2. 最大泥浆比重＝P wp / (1.421×D wp) (sg)3. 钻具内容积＝0.50665×ID^2 ( l/m )4. 环空容积＝0.50665×( DH^2 － DP^2 ) ( l/m )5. 压井泥浆比重 MW2＝MW1＋P dp / (1.421×TVD h) ( sg )6. 加重晶石量＝4.25×(MW2－MW1) / (4.25－MW2) ( T/ Kl)7. 初始循环压力 P ic＝P dp＋P scr( psi )8. 最终循环压力 P fc＝P scr×MW2 / MW1( psi )9. 到达预定深度的循环时间＝替入泥浆量( l ) / 泵排量 (l/min)10. 到达预定深度的循环冲数＝替入泥浆量( l ) / 泵排量 (l / 冲)11. 钻杆尺寸系数 α＝L / ID^512. 钻杆内摩擦系数 β＝( P fc－P scr) / (α1+α2 )13. 压井泥浆在预定垂深时的静压力P static＝P dp×(1.0－TVD/ TVD h)( psi )14. 压井泥浆在预定测量深度时的摩擦压耗钻杆变换点之上：△P friction＝β×MD / ID1^5( psi )钻杆变换点之下：△P friction＝β×(α1＋(MD－L1) / ID2^5( psi )钻头处：△P friction＝P fc－P scr( psi )15. 在各井点的立管压力：Pstand＝ P scr＋△P friction＋ P static( psi )式中：D wp裸眼弱地层的垂深 ( m )DP 钻杆外径 (inch)DH 井眼直径或套管内径 (inch)ID 钻杆内径 (inch)L 相同钻杆的长度 ( m )MD 测量井深 ( m )MW1原始泥浆比重 ( sg )P dp关井立管压力 ( psi )P scr用原始泥浆做低泵速试验的立管压力 ( psi ) P wp裸眼弱地层的漏失压力 ( psi )TVD 感兴趣点的垂深 ( m )TVD h裸眼垂深 ( m )角标1 钻杆1角标2 钻杆2L2包含BHA的钻杆长度 ( m )。

. . 在此处键入公式。

六、地层压力计算1、地层孔隙压力和压力梯度(1)地层孔隙压力H g p f p ⨯⨯⨯=-ρ310式中，P p ——地层孔隙压力(在正常压实状态下，地层孔隙压力等于静液柱压力)，MPa ； ρf ——地层流体密度，g/cm 3； g ——重力加速度，9.81m/s 2；H ——该点到水平面的重直高度(或等于静液柱高度)，m 。

在陆上井中，H 为目的层深度，起始点自转盘方钻杆补心算起，液体密度为钻井液密度ρm ，则，H g p m h ⨯⨯⨯=-ρ310式中，p h ——静液柱压力，MPa ； ρm ——钻井液密度，g/cm 3； H ——目的层深度，m ； g ——重力加速度，9.81m/s 2。

在海上钻井中，液柱高度起始点自钻井液液面(出口管)高度算起，它与方补心高差约为0.6～3.3m ，此高差在浅层地层孔隙压力计算中要引起重视，在深层可忽略不计。

(2)地层孔隙压力梯度HP G P p =式中 G p ——地层孔隙压力梯度，MPa/m 。

其它单位同上式。

2、上覆岩层压力及上覆岩层压力梯度 (1)上覆岩层压力])1[(1081.93o ρρΦ+Φ-⨯=-m H P式中 P o ——上覆岩层压力，MPa ； H ——目的层深度，m ； Φ——岩石孔隙度，％；ρ——岩层孔隙流体密度，g/cm 3； ρm ——岩石骨架密度，g/cm 3。

(2)上覆岩层压力梯度HP G oo =式中，G o ——上覆岩层压力梯度，MPa/m ；P o ——上覆岩层压力，MPa ； H ——深度(高度)，m 。

(3)压力间关系. . z p P p O σ+=式中，P o ——上覆岩层压力，MPa ； P p ——地层孔隙压力，MPa ；σz ——有效上覆岩层压力(骨架颗粒间压力或垂直的骨架应力)，MPa 。

3、地层破裂压力和压力梯度 (1)地层破裂压力(伊顿法)p p z f P P P +--=)(1σμμ式中， P f ——地层破裂压力(为岩石裂缝开裂时的井流体压力)，MPa ； μ——地层的泊松比；σz ——有效上覆岩层压力，MPa ； P p ——地层孔隙压力，MPa 。

土参数（1）地层类型：粉质粘土、粉土；（2）管片尺寸：内径5400mm、外径6000mm、宽1200mm；（3）软土层的土容重γ：取γ=20KN/m3；（4）土层的内摩擦角φ：φ=20°。

（5）粉质粘土层的粘聚力C：C=30.5KPa；（6）土层的静侧压力系数K：取K=0.25；（7）地面上置荷载P′：按20KN/m2考虑。

盾构机参数：（1）盾构的外径为：D=6250mm；（2）盾构长度：L=7400mm；（3）盾构的重量：W＝484t。

（4）盾构荷载：盾构荷载分布见图P e1——竖直土压；P e2——竖直抗力土压；P g——自重反压；q e1——盾构顶部水平土压；q e2——盾构底部水平土压；根据本标段盾构区间地层情况，本次计算取值以粉质粘土、粘土相关参数为准，按照隧道埋深最深考虑。

P e1=γH +P′=20×10.5+20=230KN/m2；P e2=P e1+γD=230+20×6.25=355KN/m2；P g＝4W/(πDL)=4×4840/(3.14×6.25×7.4)=133KN/m2；1）土压力确定采用主动土压力计算方法计算P=γ·H·tan2(45-φ/2) -2c·tan(45-φ/2)经计算P=0.0347 MPa；根据施工经验，盾构掘进实际土压力控制在1.3倍的理论值左右，即P=1.3×0.0347=0.0452MPa=4.52bar。

式中：H——掘削面上顶到地表的覆土厚度，H=10.5m3）刀盘中心受到土压力P=1.3×[γ·H2·tan2(45-φ/2) -2c·tan(45-φ/2)]=72.183Kpa根据施工经验，盾构掘进实际土压力控制在1.3倍的理论值左右.H2——刀盘中心距地表的距离F1=π(6.252×72.183×)/4=2213.42KN。

地层压力的定量计算对任何井及区块地层压力的认识首先是从对区域地震剖面、地质构造、地层沉积史、油气运移、生排烃史以及周边和实钻资料的综合分析获得的，在此基础上建立区域地层压力模型，绘制出地层压力、破裂压力和上覆地层压力剖面，并对即将钻探的井提出具有指导性的意见和套管下深结构建议。

在随后的实钻过程中，通过对实时钻井数据的分析不断修改和完善预测结果。

最后以实测的地层压力数据对所建立的地层压力剖面及模型加以校正。

由此可见对地层压力的认识是一个不断认知-更新的过程，地层压力预测、评价服务贯穿了一口井从设计到完井的始终。

为了将问题简单化我们按其和钻井作业的对应关系将地层压力预测、监测和评价大致分为：钻前地层压力预测、随钻地层压力监测和钻后地层压力评价三部分。

其中随钻地层压力监测是对地层压力准确认识的关键，它关系到钻井作业的成败。

一、地层压力检测所需资料地层压力检测结果出自对定量数据的计算和对定性数据的分析。

所需的资料大致分为数据类、图表类和文字描述类。

数据类：预测井和临井经深度校正后的地层层速度数据及分层数据；预测井和临井的海拔高度、补心高度、钻盘面距名义海平面距离、井位坐标及地下水平面高度数据；临井套管下深结构数据；临井钻井录井数据，包括：井深、垂深、钻速、钻压、气测、出/入口泥浆密度、出/入口泥浆温度、ECD、Dxc等；临井的测井或LWD数据，包括：然伽玛或自然电位、深浅电阻率、声波、岩石密度等数据；临井实测地层压力数据，包括：MDT、RFT或DST；临井地层漏失实验（LOT）或地层完整性实验FIT数据。

图表类：临井综合录井图和地层压力录井图；过井地震剖面；预测井含临井的地理位置图。

文字描述类：临井岩屑和岩芯定名及描述；临井地质完井报告、钻井报告和井史；临井井漏、井涌、井喷记录。

二、伊顿法地层压力的定量计算对地层压力的计算通常基于Terzaghi (1948)的应力模型，也既是：P f=S-σ 。

在具体的计算中使用伊顿，所得出的为孔隙压力梯度而不是压力。