第二章 井身结构设计井身结构设计就是钻井工程得基础设计。
它得主要任务就是确定套管得下入层次、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。
基础设计得质量就是关系到油气井能否安全、优质、高速与经济钻达目得层及保护储层防止损害得重要措施。
由于地区及钻探目得层得不同,钻井工艺技术水平得高低,国内外各油田井身结构设计变化较大。
选择井身结构得客观依据就是地层岩性特征、地层压力、地层破裂压力。
主观条件就是钻头、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与事故。
为安全、优质、高速与经济钻井创造条件;3.当实际地层压力超过预测值发生溢流时,在一定范围内,具有处理溢流得能力。
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与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、井眼坍塌压力就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得基础。
一、几个基本概念1.静液柱压力静液柱压力就是由液柱自身重量产生得压力,其大小等于液体得密度乘以重力加速度与液柱垂直深度得乘积,即0.00981hP H (2-1)式中:P h ——静液柱压力,MPa;r ——液柱密度,g/cm 3; H ——液柱垂直高度,m 。
静液柱压力得大小取决于液柱垂直高度H 与液体密度r ,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)得液柱压力来表示液柱压力随高度(或深度)得变化。
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:r ——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得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。
4.压实理论指在正常沉积条件下,随着上覆地层压力P 0得增加,泥页岩得孔隙度f 减小,f 得减小量与P 0得增量dP 0及孔隙尺寸有关,即: 0dP C d p φφ-=gdH dP 00ρ= gdH C d P 0φρφ-=∴令C P r 0g =C,且积分上式CHe -=0φφ (2-4)式中:f 0——地表孔隙度; f ——井深H 时得孔隙度; P 0——上覆地层压力;C P ——压实校正系数,C P >1。
即正常压实地层、泥页岩孔隙度就是井深H 得函数。
也就就是说正常地层压力段,随着井深H 增加,岩石孔隙度减小。
若当随着井深增加,岩石孔隙度增大,则说明该段地层压力异常。
压实理论就是支持dc 指数,声波时差等地层压力预测技术得理论基础之一。
5.均衡理论指泥页岩在压实与排泄过程平衡时,相邻沙泥岩层间得地层压力近似相等。
均衡理论就是支持地层压力预测技术不可缺少得理论基础。
6.上覆地层压力P 0地层某处得上覆岩层压力就是指该处以上地层岩石基质与孔隙中流体得总重量(重力)所产生得压力,即面积重力流体重量重力岩石骨架重量)()(0+=P])1[(0009810p H φρρφ+-= (2-5) 式中:P 0——上覆岩层压力,MPa; H ——地层垂直深度,m; f ——岩石孔隙度,%;r 0——岩石骨架密度,g/cm 3;r p ——孔隙中流体密度,g/cm 3。
由于沉积压实作用;上覆岩层压力随深度增加而增大。
一般沉积岩得平均密度大约为2、3g/cm 3,沉积岩得上覆岩层压力梯度一般为0、226MPa/m 。
在实际钻井过程中,以钻台面作为上覆岩层压力得基准面。
因此在海上钻井时,从钻台面到海面,海水深度与海底未固结沉积物对上覆岩层压力梯度都有影响,实际上覆岩层压力梯度值远小于0、226MPa/m 。
例如,海上井得1524m 深处,上覆岩层压力梯度一般小于0、167MPa/m 。
上覆岩层压力还可用下式计算:H P b ρ00981.00= (2-6)式中:P 0——上覆岩层压力,MPa; b ρ——沉积层平均体积密度,g/cm 3;H ——沉积层m 。
上覆岩层压力梯度一般分层段计算,密度与岩性接近得层段作为一个沉积层。
即 ∑∑∑∑==ii biiHH HP G )00981.0(010ρ(2-7)式中:G 0——上覆岩层压力梯度,MPa/m; P oi ——第i 层段得上覆岩层压力,MPa/m; H i ——第i 层段得厚度,m;bi ρ——第i 层段得平均体积密度,g/cm 3。
上式计算得就是上覆岩层压力梯度得平均值。
测得得体积密度越准确,计算出来得上覆岩层压力梯度也就越准确。
如果有密度测井曲线,就能很容易地计算出每一段岩层得平均体积密度。
如果没有密度测井曲线,可借助于声波测井曲线计算体积密度,不过,这就是迫不得已才使用得方法。
还可以使用由岩屑测出得体积密度,但这种方法不太准确,因为岩屑在环空中可能吸水膨胀,使岩石体积密度降低。
在厚岩盐层与高孔隙压力带得一个小范围内,上覆岩层压力梯度可能发生反向变化。
高孔隙度得泥岩通常就是异常高压层,其体积密度非常小。
如果异常高压层足够厚,就可能使总得平均体积密度降低。
实际上这些低密度带很薄,所以上覆岩层压力梯度得反向变化一般很小,而且发生在很小得范围内。
因而异常高压层得上覆岩层压力仍然增加,但增加得速率减慢。
7.地层压力(地层孔隙压力)P P地层压力就是指岩石孔隙中流体得压力,亦称地层孔隙压力,用P P 表示。
在各种沉积物中,正常地层压力等于从地表到地下某处连续地层水得静液压力。
其值得大小与沉积环境有关,取决于孔隙内流体得密度。
若地层水为淡水,则正常地层压力梯度(G p )为0、0981MPa/m,若地层水为盐水,则正常地层压力梯度随含盐量得不同而变化,一般为0、0105MPa/m 。
石油钻井中遇到得地层水多数为盐水。
表2-1为不同地层水得正常地层压力梯度值。
压力异常现象。
超过正常地层静液压力得地层压力(P P >P h )称为异常高压。
8.骨架应力s骨架应力就是由岩石颗粒之间相互接触来支撑得那部分上覆岩层压力(亦称有效上覆岩层压力或颗粒压力),这部分压力就是不被孔隙水所承担得。
骨架应力可用下式计算: p P P -=0σ (2-8) 式中:s ——骨架应力,MPa; P 0——上覆岩层压力,MPa; P p ——地层压力,MPa 。
上覆岩层得重力就是由岩石基质(骨架)与岩石孔隙中得流体共同承担得。
当骨架应力降低时,孔隙压力就增大。
孔隙压力等于上覆岩层压力时,骨架应力等于零,而骨架应力等于零时可能会产生重力滑移。
骨架应力就是造成地层沉积压实得动力,因此只要异常高压带中得基岩应力存在,压实过程就会进行,即使速率很慢。
上覆岩层压力、地层压力与骨架应力之间得关系如图2-1所示。
低于正常地层静液压力得地层压力(Pp<Ph)称为异常低压。
二、异常压力1.异常低压异常低压得压力梯度小于0、00981MPa/m,有得为0、0081~0、0088MPa/m,有得甚至只有静液压力梯度得一半。
世界各地钻井情况表明,异常低压地层比异常高压地层要少。
但就是,不少地区在钻井过程中还就是遇上不少异常低压地层。
如美国得得克萨斯州与俄克拉何马州得潘汉德尔(Panhandle)地区、科罗拉多州高地得部分地区、犹她州得尤英塔(Uinta)盆地、加拿大艾伯塔省中部下白垩统维金(Viking)地层、苏联得Chokrak与Karagan地区得第三纪中新世地层与伊朗得Arid地区都遇到异常低压地层。
图2-1 P0、Pp与s之间得关系图2-2压力桥一般认为异常低压就是由于从渗透性储集层中开采石油、天然气与地层水而人为造成得。
大量从地层中开采出流体之后,如果没有足够得水补充到地层中去,孔隙中得流体压力下降,而且还经常导致地层被逐渐压实得现象。
美国墨西哥湾沿海地带得地下水层被数千口井钻开之后,广大地区得水源头下降。
面积最大得就是得克萨斯州得休斯敦地区,水源头下降得面积大约有12950平方公里。
从1954年至1959年,在卡蒂-休斯敦-帕萨迪纳-贝敦地区泵出水得20%左右就是由于产水层得被压实而供给得。
在干旱或半干旱地区遇到了类似得异常低压地层,这些地层得地下水位很低。
例如在中东地区,勘探中遇到得地下水位在地表以下几百米得地方。
在这样得地区,正常得流体静液压力梯度要从地下潜水面开始。
2.异常高压异常高压地层在世界各地区广泛存在,从新生代更新统至古生代寒武系、震旦系都曾见到过。
正常得流体压力体系可以瞧成一个水力学得“敞开”系统,就就是说流体能够与上覆地层得流体沟通,允许建立或重新建立静液条件。
与此相反,异常高得地层压力系统基本上就是“封闭”得,即异常高压力层与正常压力层之间有一个封闭层,阻止或至少就是大大地限制着流体得沟通。
封闭层可以就是地壳中得一种或几种物质所组成得。
压力封闭得起因可以就是物理得、化学得、或者就是物理与化学得综合作用。
据目前所知,地层压力圈闭有表2-2所示得几种类型。
表2-2 地层压力圈闭得类型在一个区域得地层中,异常高压力将接近上覆岩层压力。
根据稳定性理论,它们就是不能超过上覆岩层压力得。
但就是,在一些地区,如巴基斯坦、伊朗、巴比亚与苏联得钻井实际中,都曾遇到过比上覆岩层压力高得高压地层。
有得孔隙压力梯度可以超过上覆岩层压力梯度得40%。
这种超高压地层可以瞧作存在一种“压力桥”(图2-2)得局部化条件。
覆盖在超高压地层上面得岩石得内部强度帮助上覆岩层部分地平衡超高压地层中向上得巨大作用力。
形成异常高压力常常就是多种因素综合作用得结果。
这些因素与地质作用、物理、地球化学与机械过程等有关。
异常高压得成因很多,一般有以下几种:(1)沉积物得快速沉积,压实不均匀 (2)渗透作用 (3)构造作用 (4)储集层得结构三、地层压力预测方法地层压力预测方法都就是基于压实理论、均衡理论及有效应力理论。
预测方法有钻速法、地球物理方法(地震波)、测井(声波时差等)。
目前应用某一种方法就是很难准确评价一个地区或区块得地层压力,往往需要采用多种方法进行综合分析与解释。
地层压力评价方法可分为两类,一类就是利用地震资料或已钻井资料进行预测,建立单井或区块地层压力剖面,用于钻井工程设计、施工;另一类就是钻井过程中得地层压力监测,掌握地层压力得实际变化、确定现行钻井措施及溢流监控。
下面主要讲述dc 指数法、声波时差法、地震层速度法。
1.dc 指数法dc 指数法就是利用泥页岩压实规律与压差理论对机械钻速得影响规律来检测地层压力得一种方法。
