上覆岩层压力、地层压力和骨架应力的关系

研究视界Technology Innovation and Application 2018年12期上覆岩层压力、地层压力和骨架应力的关系张晓广(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452)摘要：对于上覆岩层压力P 。

、地层压力pP 和骨架应力滓之间的关系，石油学术界一直存在争议。

李传亮和周大晨先生均对传统的 地层压力理论进行了质疑，并提出了不同的公式。

对上述前辈的公式进行了分析，并结合“压力桥”理论和实际地层压力情况，在这3种 参数之间增加“压力桥”的反作用力参数滓。

，提出了自己的见解：p 〇+aE =PpX 准+ax( 1-准)。

关键词：上覆岩层压力；地层压力；骨架应力；压力桥中图分类号:TE311文献标志码：A文章编号=2095-2945(2018) 12-0070-02Abstract: The relationship between overlying rock pressure p 〇, formation pressure P p and skeleton stress 滓 has always been con­troversial in petroleum academia. Both Mr. Li Chuanliang and Mr. Zhou Dachen have questioned the traditional theory of formation pressure and put forward different formulas. This paper analyzes the formulas of the above predecessors, and combines the theory of " pressure bridge" with the actual situation of formation pressure, and adds the reaction force parameter a c of "pressure bridge" be­tween these three parameters, and puts forward his own opinion:p Q +a c =p p X 准+ax( 1-准).Keywords: overlying strata pressure; formation pressure; skeleton stress; pressure bridge1概述某地层的上覆岩层压力是指覆盖在该地层以上的岩 石及其岩石的孔隙中流体的总重量在单位面积上造成的 压力，表式为：p 0= |。

第二章井身结构设计井身结构设计是钻井工程的基础设计。

它的主要任务是确定套管的下入层次、下入深度、水泥浆返深、水泥环厚度、生产套管尺寸及钻头尺寸。

基础设计的质量是关系到油气井能否安全、优质、高速和经济钻达目的层及保护储层防止损害的重要措施。

由于地区及钻探目的层的不同，钻井工艺技术水平的高低，国内外各油田井身结构设计变化较大。

选择井身结构的客观依据是地层岩性特征、地层压力、地层破裂压力。

主观条件是钻头、钻井工艺技术水平等。

井身结构设计应满足以下主要原则：1．能有效地保护储集层；2．避免产生井漏、井塌、卡钻等井下复杂情况和事故。

为安全、优质、高速和经济钻井创造条件；3．当实际地层压力超过预测值发生溢流时，在一定范围内，具有处理溢流的能力。

本章着重阐明地下各种压力概念及评价方法，井身结构设计原理、方法、步骤及应用。

第一节地层压力理论及预测方法地层压力理论和评价技术对天然气及石油勘探开发有着重要意义。

钻井工程设计、施工中，地层压力、破裂压力、井眼坍塌压力是合理钻井密度设计；井身结构设计；平衡压力钻井；欠平衡压力钻井及油气井压力控制的基础。

一、几个基本概念1．静液柱压力静液柱压力是由液柱自身重量产生的压力，其大小等于液体的密度乘以重力加速度与液柱垂直深度的乘积，即0.00981h P H r = （2-1） 式中：P h ——静液柱压力，MPa ；ρ——液柱密度，g/cm 3；H ——液柱垂直高度，m 。

静液柱压力的大小取决于液柱垂直高度H 和液体密度ρ，钻井工程中，井愈深，静液柱压力越大。

2．压力梯度指用单位高度（或深度）的液柱压力来表示液柱压力随高度（或深度）的变化。

ρ00981.0==HP G hh （2-2） 式中：G h ——液柱压力梯度，MPa/m ； P h ——液柱压力，MPa ； H ——液柱垂直高度，m 。

石油工程中压力梯度也常采用当量密度来表示，即 HP h00981.0=ρ （2-3）式中：ρ——当量密度梯度，g/cm 3； 3．有效密度钻井流体在流动或被激励过程中有效地作用在井内的总压力为有效液柱压力，其等效（或当量）密度定义为有效密度。

第二章 井下各种压力的概念及其相互关系一 压力压力是井控工作中最主要的概念之一。

正确理解井下各种压力的概念及其相互关系对于掌握井控技术和防止井喷是非常重要的。

1、压力的定义压力也称压强，是指物体单位面积上所受的垂直力。

2、压力的数学表达式SF P 式中：P —压力，N/m 2F —作用于面积S 上的垂直力，NS —面积，m 23、压力的单位及换算压力的国际标准制单位是帕斯卡，简称帕，符号是Pa 。

1帕就是1 m 2面积上受到1N 的垂直力时形成的压力，即 1Pa = 1 N/m 2压力的单位帕是一个相对较小的单位。

为了现场应用的方便，常使用千帕(KPa)和兆帕(MPa)两个单位，即1 MPa=1000 KPa=106 Pa与过去常用的工程大气压(kgf/cm 2)的换算关系是1 MPa= 10.194 kgf/cm2 1 kgf/cm 2= 98.067 KPa粗略计算时，可认为1 kgf/cm 2 = 100 KPa = 0.1MPa另外，压力的国际工程单位是巴(bar)，1bar=1.01972kgf/cm 2 英制中，压力的单位是psi 。

1psi 即1平方英寸面积上受到1磅的垂直力。

与兆帕的换算关系是 1000psi= 6.895MPa二静液压力1、静液压力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，与液体的断面形状无关。

2、静液压力的计算P=ρgH式中：P--静液压力，MPaρ--液体密度，g/cm3g--重力加速度，0.00981H--液柱的垂直高度，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。

例1 某井钻至井深2000米处，所用钻井液密度为1.2 g/cm3,求井底处的静液压力。

解：P=ρgH = 1.2×0.00981×2000 = 23.5 MPa三地层压力1、地层压力的定义地层压力是指地下岩石孔隙内流体的压力，也称孔隙压力。

1地层沉积欠压实产生异常高压机理答：沉积物的压实是由于上覆沉积层的重力引起。

当沉积的速度较慢时，沉积层内的岩石颗粒有足够的时间重新紧密排列，并使孔隙减小，孔隙中的流体被挤出。

若地质环境是开放的，被挤出的流体就沿着阻力大小的方向或沿着低压高渗透的方向流动，建立起正常的静液压力环境。

这种正常沉积压实的地层，随着地层埋藏深度的增加，岩石密度增大，孔隙度变小。

在沉积的过程中，建立正常静液压力环境的条件受到影响，如沉积速度过快，岩石颗粒没有足够的时间去排列，孔隙内流体排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒与颗粒间的压力。

随着上覆岩层继续沉积，负荷增加，孔隙中的流体必然开始部分地支撑本来应由岩石颗粒来支撑那部分上覆岩层压力，从而导致异常高压。

异常压力的形成，还需一个密封结构。

最常见的密封结构是一个低渗透的岩层，如纯净的页岩层段。

该封闭结构降低了正常流体的散逸，从而导致欠压实和异常的流体压力。

2、地层流体侵入井眼的征兆有哪些？答：1）钻时加快；2）钻井液池液面升高；3）钻井液返出流量增加；4）返出钻井液温度升高；5）返出钻井液密度变低；6）返出钻井液电导率变低；7）返出钻井液粘度变化；8）循环压力下降；9）地面油气显示；10）大钩负荷增大3.请简述钻柱的作用？答：钻柱的作用有以下几个方面：1)为钻井液由井口流向钻头提供通道2)给钻头施加适当压力（钻压），使钻头的工作刃不断吃入岩石；3)把地面动力（扭矩等）传递给钻头，使钻头不断旋转破损岩石；4)起下钻头；5)根据钻柱的长度计算井深；6)通过钻柱可以观察和了解钻头的工作情况、井眼状况及地层等；7)进行取心、挤水泥、打捞井下落物、处理井下事故等特殊作业；8)对地层流体及压力状况进行测试及评价，即钻杆测试，又称中途测试。

4.弯接头造斜原理弯接头，这种结构一方面使钻头倾斜，造成对井底的不对称切削，从而改变井眼的方向；另一方面井壁迫使弯曲部分伸直，使钻头受到钻柱的弹性力的作用，从而产生侧向切削，改变井眼方向；5、提高钻头水力参数的途径有：A 提高泵压和泵功率B降低循环系统压耗系数C 增大钻头压降系数D 优选排量6.简述钻铤在钻井过程中的所起的主要作用.答:钻铤处在钻柱的最下部,是下部钻具组合的主要组成部分.钻铤在钻井过程中的所起的主要作用有以下几个方面:1)给钻头施加压力;2)保证压缩条件下的必要强度;3)减轻钻头的振动.摆动和跳动等,使钻头工作平稳;4)控制井斜.7.何谓钻柱的中性点?为什么要保证中性点落在钻铤上?答案:在正常钻进过程中,下放钻柱,把部分钻柱的重力加到钻头上作为钻压,钻压使得钻柱的轴向拉力都减小相应的数值,而且使钻柱的下部受压缩应力的作用.钻柱任意截面上的轴向拉力为Fw=KB(qpLp+qcLc)-WFw--钻进(有钻压)钻柱任意截面上的轴向拉力,KN;W--钻压.KN由上式可以知，作用于钻柱某一截面的轴向拉力等于该截面以下的钻柱浮重减去钻压；上部钻柱受拉力作用，在井口处最大，向下逐渐减小。

钻井工程绪论第一节钻井概述一、钻井的概念钻井：利用一定的工具和技术在地层中钻出一个较大孔眼（井眼）的过程。

二、钻井的分类（一）按目的分类1.探井：为探明地下地质情况、获取地下油气资源分布及相应性质等方面资料而钻的井。

（1）区域探井：为了解地层年代、地层时序、岩性、厚度、生储盖组合，并为物探解释提供参数而钻的探井。

（2）预探井：在确定含油气有利构造的基础上，以发现油气藏为目的而钻的探井。

（3）详探井：在已发现油气构造上，为探明含油气的面积和储量，了解油气层产能为目的而钻的探井。

2.开发井：以开发为目的，为了给已探明的地下油气提供通道所钻的井，或为了采用各种措施使油气被开采出来所钻的井。

（1）生产井：为完成产能任务和生产油、气所钻的井。

（2）注入井：为提高油、气井生产能力所钻的井。

（用于注水所钻的井为注水井，用于注气所钻的井为注气井。

）（二）按几何形状不同分类1.直井：井口与井底在同一条铅垂线上。

2.定向井：井口与井底不在同一条铅垂线上。

（1）普通定向井：一个井场内仅钻1口最大井斜角小于60°的定向井。

（2）大斜度井：最大井斜角在60°～80°范围内的定向井。

（3）水平井：最大井斜角大于或等于86°，并保持这种井斜角钻完一定长度井段的井。

（4）大位移井：水平位移/垂深>=2的定向井或水平井（或测深/垂深>= 2的定向井或水平井）。

（5）丛式井：在一个井场（海洋平台）上有计划地钻出两口或两口以上的定向井组，其中可含1口直井。

（6）多底井（分支井）：一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。

（三）按井深不同分类1.浅井：H<2500m。

2.中深井：2500<H<4500m。

3.深井：4500<H<6000m。

4.超深井：H>6000m。

（H为完钻垂直井深）（深水钻井：超过500m水深的海洋钻井。

超深水钻井：大于1500m水深的海洋钻井。

第一章一、判断题1、利用井内钻井液柱压力平衡地层压力的方法，称为一级井控。

（√）2、溢流或井喷发生后，通过实施关井与压井，重新建立井内压力平衡的工艺技术，称为二级井控。

（√）3、井喷失控后，重新恢复对井内控制的井控技术，称为三级井控。

（√）4、溢流发现越早，溢流量越小，关井套压越小，因此也越安全。

（√）5、发现溢流迅速关井是最正确的选择。

（√）6、溢流发现越早，井内钻井液柱就越高，关井套压就越大。

（×）7、井喷失控是钻井工程中性质严重、损失巨大的灾难性事故。

（√）8、湿起时环空液面下降只取决于钻具排代量。

（×）9、浅层气虽然压力不高，但由于它埋藏较浅，一旦井内液柱压力小于气层压力，极易发生井喷事故。

（√）10、区域探井、高压及含硫油气井钻井施工，从技术套管固井后至完井，均应安装剪切闸板。

（√）二、单选题1、当地层孔隙压力（A）井底压力时，井口返出的钻井液量大于泵入液量或停泵后井口钻井液自动外溢的现象称为溢流。

A：大于； B：小于； C：等于； D：小于或等于2、地层流体无控制地流入井内并喷出地面的现象称为（C）。

A：溢流； B：井涌； C：井喷； D：井侵。

3、利用井内钻井液柱压力平衡地层压力的方法，是（A）。

A：一级井控； B：二级井控； C：三级井控；4、井喷失控后，重新恢复对井口内控制的井控技术。

（C）A：一级井控； B：二级井控； C：三级井控；5、井喷发生后，无法控制井口而出现敞喷的现象称为（D）。

A：溢流； B：井涌； C：井喷； D：井喷失控6、井控作业通常分为（C）级。

A：一； B：二； C：三； D：四7、通过实施关井与压井，重建井内压力平衡的工艺技术，称为（B）。

A：一级井控； B：二级井控； C：三级井控； D：四级井控。

8、溢流发现的越早，关井越早，关井套压（B）。

A：越大； B：越小； C：不变； D：不确定9、湿起时环空液面下降不仅与钻具的排代量有关，而且与（B）有关。