隨鉆地層壓力檢測(cè)

第五節(jié)隨鉆地層壓力檢測(cè)

“正常”的地層流體壓力大致等于流體液柱中的靜水壓力。地層流體壓力有

時(shí)比靜水壓力高，有時(shí)比靜水壓力低。兩種“不正常”的壓力條件都能引起鉆井

事故，而工業(yè)生產(chǎn)中最為關(guān)心的是異常高壓，有時(shí)稱之為地質(zhì)壓力。

一、基本概念

1、靜水壓力(HydrostaticPressure)

靜水壓力是指單位液體重量與靜液柱垂直高度的乘積。與液柱的直徑和形狀

無(wú)關(guān)。

靜水壓力的計(jì)算公式如下：

:Hxd

h10

式中8-靜水壓力，kg/cm2

d-鉆井液重量，g/cm'

〃-垂直深度，m

2、帕斯卡定律(Pascal?sLaw)

帕斯卡定律闡述了靜止流體中任何一點(diǎn)上各個(gè)方向的靜水壓力大小相等。通

過(guò)流體可以傳遞任何施加的壓力，而不隨距離的變化而降低。

根據(jù)帕斯卡定律，靜水壓力在液柱中給定的深度上，作用于任何方向上。

3,靜水壓力梯度(HydrostaticPressureGradient)

靜水壓力梯度是指每單位深度上靜水壓力的變化量。這個(gè)值描述了液體中壓

力的變化，表示為單位深度上所受到的壓力。其計(jì)量單位是kgF/cm7嘰

錄井人員常用體積密度(g/cm3)來(lái)描述靜水壓力梯度，以便于同鉆井液密

度相對(duì)比。靜水壓力梯度的計(jì)算公式如下：

3”

GH10

式中心-靜水壓力梯度，kg/cm7m

--靜水壓力,kgf/cm2

-一單位體積質(zhì)量,g/cm3

，-實(shí)際垂直深度，嘰

應(yīng)用體積密度(g/cn?)時(shí)，靜水壓力梯度從的計(jì)算公式如下:

式中的-靜水壓力梯度，g/cm3

4、地層孔隙壓力(PorePressure)

地層孔隙壓力是指作用在巖石孔隙中流體上的壓力。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算，孔隙

壓力與流體液柱的密度及垂直深度有關(guān)。

對(duì)于正常壓力系統(tǒng)的地層，給定深度的真實(shí)孔隙壓力等于液柱壓力與流體

流動(dòng)的壓力損失及溫度效應(yīng)的總和。

計(jì)算孔隙壓力的公式為：

dfxH

PF=」—

「10

式中2-孔隙壓力，kg/cm2

4-流體密度，g/cm3

〃-真實(shí)垂直深度，m

5、地層孔隙壓力梯度(PorePressureGradient)

地層孔隙壓力梯度是指單位深度上地層孔隙壓力的變化量。

計(jì)算公式如下：

2生

yH

式中&-孔隙壓力梯度，kgF/cm2

孔隙壓力梯度等于或接近于靜水壓力梯度時(shí)稱為正?？紫秹毫μ荻龋坏陀?/p>

靜水壓力梯度時(shí)稱為低壓異?？紫秹毫μ荻龋?jiǎn)稱低壓異常；高于靜水壓力梯

度時(shí)稱為超壓孔隙壓力梯度，簡(jiǎn)稱超壓。后兩種孔隙壓力梯度都稱為異常孔隙

壓力梯度。同一地區(qū)，在不同的深度，可能會(huì)有幾種不同的孔隙壓力梯度?？?/p>

隙壓力的上限通常等于上覆巖層的壓力。

6、上覆巖層應(yīng)力(OverburdenStress)

上覆巖層應(yīng)力是指覆蓋在該地層以上的地層基質(zhì)(巖石骨架)和孔隙中流

體的總重量所造成的壓力。在石油領(lǐng)域中，上覆地層應(yīng)力的數(shù)值可用與鉆井液

密度等效的壓力或壓力梯度表示。

上覆巖層應(yīng)力的計(jì)算公式為：

5=絲蟲

10

式中S-上覆巖層應(yīng)力，kg/cm2;

。廠區(qū)間平均體積密度，g/cm3;

深度，m。

巖石的體積密度與巖石骨架的密度、巖石孔隙流體的密度以及巖石孔隙度

有關(guān)。

下面是有代表性的各種巖石、礦物和流體的體積密度：

表3-2常見(jiàn)巖石及液體平均密度

平均密度

物質(zhì)

g/cnf

砂巖2.65

灰?guī)r2.71

白云巖2.87

硬石膏2.98

巖鹽2.03

石膏2.35

粘土2.7-2.8

淡水1.00

咸水1.03-1.2

石油0.8(平均)

對(duì)于給定巖層的體積密度用以下公式加以定義：

式中。廠體積密度，g/cm*

。-孔隙度，%；

〃.-巖石骨架密度，g/cmJ;

孔隙流體密度,g/cm*

7,上覆巖層壓力梯度(OverburdenPressureGradient)

上覆巖層壓力梯度是指單位高度上的上覆巖層應(yīng)力。其計(jì)算公式為：

ys

P°BG=YL

式中POBC-上覆巖層壓力梯度，kgf/cm7m;

S-上覆巖層壓力，kgf/cm2;

￡-某段地層的厚度，m。

8、基巖應(yīng)力

當(dāng)一個(gè)固態(tài)的物體受到壓力時(shí)，在其中某一點(diǎn)上測(cè)得的壓力可能在不同的

方向上并不相同。基巖應(yīng)力這個(gè)術(shù)語(yǔ)就是用來(lái)描述固體物質(zhì)的壓力分布的。基

巖應(yīng)力的集中可以形成地層壓力異常，并在很大程度上影響了巖石破裂壓力。

巖層的破裂壓力又決定了油井的套管程序和允許使用的最大鉆井液密度。因此，

基巖應(yīng)力是在分析地層壓力異常成因及參數(shù)分析計(jì)算時(shí)不可忽視的因素。

9、正常地層壓力(NormalFormationPressure)

正常地層壓力是由所在地層以上的所有流體所施加給該地層的壓力。上覆

巖層壓力全部由巖石骨架所承擔(dān)，地層流體僅承載上覆孔隙液體的壓力。

因?yàn)樗菐r石中普遍存在的流體，一個(gè)給定深度的正常地層壓力是地層水

密度的函數(shù)。地層水密度主要與地層水礦化度有關(guān)。

10、異常地層壓力(AbnormalFormationPressure)和壓力異常(Pressure

Anomalies)

異常地層壓力(AbnormalFormationPressure)是指地層流體壓力大于或小

于計(jì)算所得的靜水壓力。

壓力異常(PressureAnormalies)是指任何地層流體液柱高度或密度與井

眼中的流體液柱的差異所作用的結(jié)果。從技術(shù)上講：壓力異常是“正常”地層

流體壓力，它與異常地層壓力對(duì)井眼的效應(yīng)是相同的。

對(duì)于任何異常地層流體高壓，部分上覆地層載荷已經(jīng)從巖石骨架轉(zhuǎn)移到了

地層流體中。如果鉆井液的壓力低于地層流體壓力，就會(huì)發(fā)生流體溢出，直到

壓力平衡為止。這種流體溢出就是通常所說(shuō)的井涌(KICK)。

11、當(dāng)量鉆井液循環(huán)密度(ECD-EquivalentCirculationDensity)

當(dāng)量鉆井液循環(huán)密度(ECD)是相當(dāng)于井底循環(huán)壓力(BHCP)的鉆井液密度。

井底循環(huán)壓力等于鉆井液的靜水壓力加上以實(shí)際鉆井液流速在環(huán)空中損失的壓

力(APann).

12、壓差(DifferentialPressure)

壓差是井底計(jì)算壓力和地層壓力之間的差值。

即

△P=PBHC—PF

式中/尸-壓差，kgf/cm2;

■-計(jì)算井底壓力，kgf/cm2;

2-地層壓力，kgf7cm2。

是在現(xiàn)場(chǎng)鉆井活動(dòng)中與其它許多活動(dòng)有關(guān)的重要參數(shù)之一。

如果4戶是負(fù)值(8〉PBQ,可能會(huì)產(chǎn)生如下結(jié)果：

①來(lái)自地層的油氣侵入井眼。

②鉆速(“如加快。

③非滲透巖層坍塌。

④滲透性巖層發(fā)生井涌。

⑤軟巖層出現(xiàn)井眼跨塌。

如果/P的值接近于零(R=PBQ,可能會(huì)產(chǎn)生如下結(jié)果：

①巖屑中有較好的氣體顯示。

②由于循環(huán)暫停和鉆桿的運(yùn)動(dòng)，鉆井液柱壓力下降，出現(xiàn)起下鉆氣

體顯示。

如果/P是正值(2<PBIIC),可能會(huì)產(chǎn)生如下結(jié)果：

①鉆速G?陽(yáng)降低。

②由于鉆井液對(duì)地層的沖洗，滲透層的氣體顯示較差。

③由于鉆井液對(duì)地層的沖洗，電測(cè)響應(yīng)差。

④使鉆井中的固體物質(zhì)注入地層孔隙中，儲(chǔ)層被破壞。

⑤可能從地層已有的裂縫中發(fā)生井漏。

在大多數(shù)鉆井條件下，//必須大于零。這樣做雖然會(huì)導(dǎo)致鉆速小于最優(yōu)

鉆速，但可以使鉆進(jìn)過(guò)程中井涌發(fā)生的可能性變得最小。更為重要的是，有一

個(gè)較小的正壓力差，可以補(bǔ)償起下鉆時(shí)的抽汲壓力降。

13、地層破裂壓力(FormationFractureResistance)

地層破裂壓力或地層抗破裂壓力，是將地層壓裂所需要的液柱壓力。地層

破裂壓力是石油工業(yè)上研究最多的課題之一。油井開(kāi)采中常常故意壓裂儲(chǔ)層巖

石以增加低滲層的產(chǎn)量。但是，鉆井過(guò)程中發(fā)生的地層巖石被壓裂破碎卻可能

引起嚴(yán)重的問(wèn)題，甚至可以使油井報(bào)廢。

當(dāng)鉆穿異常高壓帶時(shí)，鉆井人員必須提高鉆井液的密度以平衡地層流體壓

力?？墒牵@井液的循環(huán)壓力卻不能大于井眼中最弱的巖層的破裂壓力。

對(duì)應(yīng)于不同的深度，把一口設(shè)計(jì)井的所有的破裂壓力值繪成一幅曲線圖，

用來(lái)描述破裂壓力梯度。破裂壓力梯度可以：幫助我們確定下技術(shù)套管的深度,

確定控制井涌時(shí)的最大環(huán)空壓力，實(shí)施增產(chǎn)措施時(shí)，控制人工破碎儲(chǔ)層的壓力。

大多數(shù)情況下，在一個(gè)給定的裸眼井中，最軟的巖層往往是位于最后一層

套管鞋下面的第一個(gè)滲透層。如果鉆井液壓力大于破裂壓力，該巖層就會(huì)發(fā)生

井漏。井漏的發(fā)生又可能導(dǎo)致在漏失層的下部負(fù)壓差的出現(xiàn)，可能引發(fā)井涌或

井噴。因此，就限定了有一個(gè)極限的深度，即在沒(méi)有下入另一層套管的情況下，

在異常壓力帶可以鉆達(dá)的最大深度。

14、泄漏試驗(yàn)(Leak-OffTest)

地層泄漏試驗(yàn)是在現(xiàn)場(chǎng)確定裸眼井段允許使用的最大鉆井液密度的一種試

驗(yàn)方法。在新下入套管位置以下鉆入幾米，由鉆井施工人員進(jìn)行測(cè)試。如果在這

之下沒(méi)有更高滲透率的巖層存在，這部位就是最軟的部位。測(cè)試的結(jié)果，轉(zhuǎn)換成

相應(yīng)的鉆井液密度，從而確定該層位在不發(fā)生井漏的情況下允許使用的最大的鉆

井液密度。

作業(yè)公司通常僅在一個(gè)新區(qū)的最先打的幾口井才作泄漏試驗(yàn)。這項(xiàng)測(cè)試應(yīng)當(dāng)

在下入套管的堅(jiān)硬地層以下的第一個(gè)孔隙地層里進(jìn)行。測(cè)試包括在地面關(guān)井，然

后加壓，至到鉆井液開(kāi)始注入地層。

典型的漏失測(cè)試包括如下步驟：

(1)下套管固井后，下鉆循環(huán)，試壓，再鉆穿套管鞋，鉆入套管鞋下面新的

地層最少3米。

(2)起鉆到套管鞋。

(3)使鉆頭位于套管鞋深度，停泵，使鉆井液靜止，關(guān)閉方鉆桿旋塞及防噴

器(環(huán)空及鉆桿防噴器心子)。

(4)使用固井設(shè)備從節(jié)流管線緩慢地向井眼環(huán)空注入鉆井液。注鉆井液過(guò)程

中注意壓力的變化以及注入鉆井液的體積。

(5)在鉆井液開(kāi)始擠入地層之前，壓力的增加基本上是呈線性的。開(kāi)始脫離

線性變化那一點(diǎn)的壓力就是漏失壓力。

(6)繼續(xù)注入鉆井液后壓力曲線變得平緩，至到壓力不再增加。在壓力不變

的那點(diǎn)上，就開(kāi)始向地層孔隙和裂縫中注入鉆井液。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的那點(diǎn)的壓力

就是注入壓力。

(7)到達(dá)注入壓力點(diǎn)，立即停泵，關(guān)閉節(jié)流管線，注視壓力的變化。正常情

況下，關(guān)閉壓力將下降，到達(dá)一個(gè)略高于漏失壓力的平衡點(diǎn)。該平衡點(diǎn)上的壓力

叫做放壓壓力。

應(yīng)監(jiān)控測(cè)試過(guò)程中注入的鉆井液的量以及放壓以后回收的鉆井液量；損失部

分或全部鉆井液意味著地層的漏失或固井失效。

(8)維持放壓壓力幾分鐘以確保沒(méi)有巖層破裂發(fā)生。

(9)如果放壓壓力保持不變，打開(kāi)節(jié)流閥排出剩余壓力，鉆井可繼續(xù)進(jìn)行。

測(cè)試結(jié)果可能很難解釋。偶爾，軟地層可能完全漏失，操作者必須進(jìn)行處理才能

繼續(xù)鉆進(jìn)。記住，井漏發(fā)生處是整個(gè)垂直井深中最弱的點(diǎn)(常常位于套管鞋下),

不一定是井底。

漏失壓力確定了漏失點(diǎn)的井底壓力，據(jù)此可以確定所允許使用的最大鉆井液

密度(ECD)。

圖3-24地層泄漏試驗(yàn)壓力演變圖

漏失井底壓力：

P—&xH

"BH-jQ干,LOT

式中井底壓力，kgf/cm2;

d-鉆井液密度，g/cm!;

垂直深度，m;

尸W-漏失壓力,kgf/cm\

最大允許使用的鉆井液密度(dmax)：

居八10

泄漏試驗(yàn)有可能會(huì)引起地層完全破裂，因此，有時(shí)使用一種新的測(cè)試方法，

即所謂的地層完整性測(cè)試(FormationIntegrityTest)或者叫地層注入測(cè)試

(FIT-FormationIntakeTest)來(lái)代替地層泄漏試驗(yàn)。在FIT測(cè)試中，鉆井

人員對(duì)套管鞋以下地層施加一個(gè)稍微比估計(jì)破裂壓力小的壓力。如果在該壓力

下沒(méi)有井漏發(fā)生，測(cè)試就算成功。FIT測(cè)試有一個(gè)缺點(diǎn)就是不能測(cè)出真實(shí)的漏

失壓力。如果在鉆井過(guò)程中鉆井液密度必須提高到FIT限定的密度值以上時(shí)，

有可能引起井漏。

綜合錄井應(yīng)用軟件中一般均配備有泄漏試驗(yàn)程序，它可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控和記

錄測(cè)試壓力。測(cè)試數(shù)據(jù)可以根據(jù)時(shí)間、體積、以及體積和時(shí)間進(jìn)行回放。測(cè)試

結(jié)果可以被打印出來(lái)，作為生產(chǎn)報(bào)告的一部分。

二、異常地層壓力的成因

異常地層壓力可能比靜水壓力高或者低，但是在石油和天然氣勘探開(kāi)發(fā)中

人們最關(guān)心的是異常高壓。

有很多地質(zhì)過(guò)程影響壓力的形成，大多數(shù)的異常壓力可能是由下列諸多因

素的相互作用引起的：壓力“封閉層”、壓實(shí)作用、大地構(gòu)造效應(yīng)、成巖作用、

溫度效應(yīng)、流體密度效應(yīng)、流體運(yùn)移效應(yīng)等。對(duì)一個(gè)特定地區(qū)的異常壓力條件

可能是由以上幾個(gè)因素的結(jié)合引起的。

1.壓力"封閉層"(Pressure“Seal”)

壓力“封閉層”的作用是限制地層流體從高壓區(qū)向低壓區(qū)的運(yùn)移或壓力的散

失。壓力“封閉層”是形成地層壓力異常的必要條件。

壓力“封閉層”類型包括：

(1)低孔隙度巖石的沉積，如致密的碳酸鹽巖、巖鹽、石膏或硬石膏、粘土

巖或頁(yè)巖。

(2)鹽類或頁(yè)巖的刺穿構(gòu)造的形成。

(3)斷層在滲透性巖層中置入非滲透性巖層，限制了流體的流動(dòng)。

(4)蓋層的厚度控制著由于漏失而使壓力達(dá)到平衡的總體時(shí)間。

(5)任何其它的阻止地層流體流動(dòng)的物理或化學(xué)條件。

2.壓實(shí)作用(CompactionEffects)

在沉積作用過(guò)程中，大多數(shù)的沉積物含有一些水(自由水或結(jié)合水)。尤其

是海相的粘土物質(zhì)在掩埋時(shí)有高達(dá)80%的含水量。作用在沉積物孔隙水上的上

覆沉積物的重量(上覆壓力)隨著埋藏深度的增加而增加。

如果有一個(gè)向上排替水的運(yùn)移通道，壓力就會(huì)維持正常靜水壓力。有時(shí)，

由于某種因素限制了地層的滲透性或者埋藏的速度超過(guò)了水被排擠出的速度。

這種情況下，壓實(shí)作用減慢，把部分其后沉積的固體物質(zhì)的重量施加到孔隙流

體中?？紫读黧w就會(huì)呈現(xiàn)異常高壓，見(jiàn)圖3-25。阻擋流體流動(dòng)、減慢壓實(shí)作

用的因素就是壓力“封閉層”。封閉層（巖蓋）可能就在異常壓力巖層的內(nèi)部，

也可能位于流體流動(dòng)方向的上部。

莓巖i

量

瞿

與

體

接

的

傳

速

H正常流體壓*GE常壓實(shí)）

異常值體高壓（次壓實(shí)）

圖3-25地層壓實(shí)作用原理圖

（1）、壓實(shí)趨勢(shì)

在許多地區(qū)海相粘土物質(zhì)的孔隙度隨著深度的增加按可以預(yù)測(cè)的趨勢(shì)減

小。許多地區(qū)，粘土孔隙度的減小呈一條指數(shù)曲線。

一種純粘土膠結(jié)的沉積物孔隙度曲線，繪制在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，大致呈一條

直線。這條曲線形成一種壓實(shí)趨勢(shì)，可以用它來(lái)預(yù)測(cè)在任何深度上同種沉積物

的孔隙度（或密度）。根據(jù)趨勢(shì)線的偏差，可以很容易地看出“正?！笨紫抖惹?/p>

線上的變化量。不同地區(qū)有各自的壓實(shí)趨勢(shì)，它是應(yīng)力、溫度和化學(xué)作用的綜

合影響的結(jié)果，見(jiàn)圖3-26。

圖3-26頁(yè)巖壓實(shí)趨勢(shì)圖

⑵、壓力過(guò)渡帶(TransitionZone)

在巖石層序中若包含有厚層的海相頁(yè)巖，來(lái)自滲透層異常高壓帶的流體可

以滲透到上覆頁(yè)巖中去。從靜水壓力到異常壓力隨著深度的變化形成了一個(gè)過(guò)

渡帶，見(jiàn)圖3-27.

如果粘土膠結(jié)的沉積物中包含有一個(gè)異常高壓帶，那么該帶的孔隙度比同

樣深度的正常壓實(shí)地層的要高。因此，把與孔隙度相關(guān)的參數(shù)，繪制在半對(duì)數(shù)

坐標(biāo)紙上，可能表現(xiàn)為背離沉積趨勢(shì)線上的一個(gè)過(guò)渡帶。趨勢(shì)線的變化可能是

突變的，也可能是漸變的，這與壓力“封閉層”的類型和壓實(shí)作用有關(guān)。

圖3-27過(guò)渡帶原理

鉆井過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別壓力過(guò)渡帶是實(shí)現(xiàn)地層壓力預(yù)測(cè)的前堤。壓力

過(guò)渡帶是對(duì)下部地層壓力異常的預(yù)警。

異常壓力地層并不總是有過(guò)渡帶。在許多地區(qū)，由于粘土或頁(yè)巖層太薄或

者同其它沉積物混雜或者由于壓力蓋層可能是一個(gè)斷層或者是非滲透性的巖層

等原因，過(guò)渡帶很薄或者并不存在。

3.構(gòu)造因素

在構(gòu)造作用活動(dòng)區(qū)域，構(gòu)造因素?zé)o疑是異常壓力形成的主要原因。由于現(xiàn)

場(chǎng)資料的缺乏，構(gòu)造作用效應(yīng)很難定量化。

(1)、正常壓實(shí)地層的抬升

地殼上升力和地表侵蝕力的共同作用，可以把埋藏在深部的巖層抬升到近

地表。如果在抬升和侵蝕過(guò)程中有某種因素限制了流體的運(yùn)移，該地層就會(huì)由

于深度因素而形成異常高壓。

壓力梯度的大小與埋藏深度和抬升量有關(guān)。抬升量相同時(shí)，埋藏深度越淺

壓力梯度越高。圖3-28顯示了不同抬升深度的效果。

樂(lè)力―rsi/ft

圖3-28地層抬升過(guò)程形成異常壓力的原理

（2）、應(yīng)力場(chǎng)的變化

構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)力的大小和方向發(fā)生變化。構(gòu)造應(yīng)力和上覆應(yīng)

力影響著沉積物沉積的速度和巖石固化的速度。

在特定的沉積物中，構(gòu)造應(yīng)力的聚集比流體的排替速度快，就出現(xiàn)流體超

壓。在披覆構(gòu)造中，上覆非滲透性沉積物的快速堆積可能引起極度的超壓層的

出現(xiàn)。

圖3-29壓力“橋”的概念

構(gòu)造力有利于維持超壓。流體壓力比上覆壓力高時(shí)，可能引起流體壓裂地

層和上覆巖層的抬升。但是如果上覆巖層是致密的（如白云巖），構(gòu)造應(yīng)力就可

以幫助建立一個(gè)壓力“橋”使上覆巖層固定在一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢蒙希▓D3-29）.

局部來(lái)講，壓力的“橋”是一個(gè)蓋層。在少數(shù)地區(qū)，地層流體壓力可以比上覆

巖層壓力高出40%。

（3）、斷層和斷裂

對(duì)于地層流體壓力，斷層可能有幾個(gè)不同的效應(yīng)，這與斷層的位置和類型

有關(guān)（圖3-30）:

1）正斷層往往是開(kāi)放的、形成有效的流體通道。當(dāng)儲(chǔ)層斷開(kāi)與非滲透層接觸

時(shí)可形成有效的摭擋。

2）逆斷層往往是關(guān)閉的、形成有效的遮擋物，尤其是在周圍地層發(fā)生變化的

情況下。

3）節(jié)理是一種位移很小或沒(méi)有位移的斷裂，往往是有效的流體通道。但在塑

性地層（鹽巖、粘土、硬石膏等）中的斷裂能產(chǎn)生一定的封閉作用。

被驅(qū)散被知敢

的壓力的壓力

異常壓實(shí)的砂巖

圖3-30封閉斷層對(duì)異常壓力分布的影響

（4）、刺穿作用

鹽丘對(duì)上覆巖層的侵入（刺穿）可以導(dǎo)致鹽丘的頂面和側(cè)面形成異常地層

壓力（圖3-31）0刺穿作用給鹽丘周圍的圍巖施加應(yīng)力，非滲透性的天然鹽限

制了流體的運(yùn)移。

圖3-31鹽丘刺穿造成的異常壓力效應(yīng)

4.成巖作用

成巖作用是使巖石礦物在地質(zhì)過(guò)程中發(fā)生化學(xué)變化的過(guò)程。粘土膠結(jié)的沉

積物和一些蒸發(fā)巖沉積物，經(jīng)過(guò)成巖作用形成正常壓實(shí)地層。

石油和天然氣的生成也是一個(gè)成巖作用過(guò)程。從固體有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變成液體或

氣體的碳?xì)浠衔锸蛊涿芏葴p小、體積增大，在封閉或半封閉環(huán)境中可以形成

超高壓。

（1）、粘土的成巖作用

粘土礦物微觀上呈片狀，極易結(jié)合水（吸咐水）。水在粘土物質(zhì)中存在的形

式有自由（孔隙）水和層間（結(jié)合）水。

沉積過(guò)程中，蒙托石（微晶高嶺土）可能含有50-80%的自由水和層間水。

可以有多達(dá)十個(gè)夾層的層間水。

根據(jù)貝斯特（Burst）脫水模型（1969）,隨著埋藏深度的增加，蒙托石經(jīng)

過(guò)三個(gè)階段的脫水，最終形成伊利石。如果這些脫出的水的運(yùn)移受到限制，隨

著釋放出來(lái)的水的體積的增加，有可能產(chǎn)生異常壓力。

（2）、從石膏轉(zhuǎn)變成硬石膏和水的成巖作用

石膏（CaSO-2"0）在被埋藏以后，很快脫水轉(zhuǎn)變成硬石膏（CaSOJ轉(zhuǎn)

變的深度（大約為600m）隨上覆壓力、地溫梯度、原始含水飽和度而有所變化。

轉(zhuǎn)變過(guò)程使固體物質(zhì)的體積減小了38%,但是總的體積卻增加了，這是由

于壓實(shí)過(guò)程中釋放出來(lái)了結(jié)合水。在硬石膏層與束縛水的循環(huán)形成的結(jié)合帶可

能形成異常高壓。

（3）、碳?xì)浠衔锏某蓭r過(guò)程

碳?xì)浠衔锏男纬梢彩且粋€(gè)成巖過(guò)程，并可能引起超壓的形成，尤其是在

該過(guò)程產(chǎn)生自由氣體時(shí)更是如此。在淺層（小于250m）,細(xì)菌作用使沉積物中

的有機(jī)質(zhì)腐敗，產(chǎn)生生物沼氣。由于缺乏非滲透性的蓋層，氣體會(huì)向地表擴(kuò)散。

但是在有些地區(qū)，可形成淺層氣，鉆遇這種淺層氣是淺層鉆井的主要災(zāi)害。

隨著埋藏深度增加，有機(jī)物質(zhì)的化學(xué)“裂解”形成碳?xì)浠衔?，同時(shí)使重

燒裂解形成輕燒。燒分子數(shù)量的增多意味著它將會(huì)占據(jù)更多的空間。很明顯，

在半封閉的環(huán)境中的含燒帶地層壓力將會(huì)升高。

燒類油藏容易產(chǎn)生壓力異常，尤其是在有大量氣體存在時(shí)更是如此。

5、溫度效應(yīng)

沉積物的重力載荷往往會(huì)使沉積物內(nèi)部的溫度升高。另外，在埋藏時(shí)形成

的地溫梯度，隨著沉積物總體密度的不同而有所變化。在溫度升高時(shí)，水的體

積略有增大。這就意味著地層水的溫度對(duì)異常壓力也有影響。

由于溫度對(duì)成巖作用的影響，那么溫度就是影響異常壓力的一個(gè)間接因素。

沉積物埋藏過(guò)程中，壓實(shí)效應(yīng)和溫度效應(yīng)都有助于在被蓋層隔離的含水沉

積物中產(chǎn)生的異常流體壓力。

6、流體運(yùn)移效應(yīng)

流體運(yùn)移效應(yīng)包括鉆開(kāi)的巖層與超壓層的聯(lián)通以及地層流體等勢(shì)面的差異

造成的壓力異常，如圖3-32所示。

A.經(jīng)過(guò)傳遞B-經(jīng)過(guò)水泥通道C-經(jīng)過(guò)才艮廢井地下噴發(fā)

（或套管）傳遞傳遞

圖3-32不同壓力系統(tǒng)聯(lián)通的實(shí)例

在低于含水層等勢(shì)面的地面上鉆井，當(dāng)鉆入含水層時(shí)，使用“標(biāo)準(zhǔn)”密度

的鉆井液也會(huì)導(dǎo)致井涌或井噴，(圖3-33)。

圖3-33從等勢(shì)面產(chǎn)生的壓力異常實(shí)例

三、隨鉆地層壓力的檢測(cè)工作程序

聯(lián)機(jī)工程師有以下四點(diǎn)主要義務(wù)：

1、通過(guò)對(duì)鉆井中獲得的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行分析對(duì)比，確定或調(diào)整估計(jì)的地層流

體壓力值。

2、通過(guò)利用鉆井階段的實(shí)測(cè)資料，確定或調(diào)整地層破裂壓力值。

3、幫助現(xiàn)場(chǎng)鉆井人員優(yōu)選使用鉆井液密度及其它常規(guī)井控所需要的參數(shù)；

定期或經(jīng)常同用戶交流壓力信息。

4、一旦發(fā)現(xiàn)地層壓力異常的信息，及時(shí)處理，減小二次井控的風(fēng)險(xiǎn)和投資。

在進(jìn)行隨鉆地層壓力評(píng)價(jià)時(shí)，在不同的鉆井階段應(yīng)做的工作如下：

1、開(kāi)鉆前收集與壓力有關(guān)的資料數(shù)據(jù)

鄰井的電測(cè)井資料(聲波和補(bǔ)償?shù)貙用芏葴y(cè)井)；

鄰井的隨鉆錄井圖；

鄰井的地層壓力或綜合錄井圖；

地震壓力預(yù)測(cè)圖；

鄰井完井報(bào)告。

2、錄井前準(zhǔn)備

(1)、使用壓力圖以預(yù)計(jì)該地區(qū)‘正?！貙訅毫μ荻纫约爱惓毫У捻?/p>

部位置。

(2)、檢查綜合錄井圖和完井報(bào)告，尋找異常壓力信息、可能的漏失帶、可

能引起壓力評(píng)價(jià)困難的地質(zhì)條件(碳酸鹽巖/蒸發(fā)巖帶、不整合、斷層等)。

(3)、如果有該區(qū)域壓力梯度數(shù)據(jù)，應(yīng)計(jì)算出設(shè)計(jì)井中到第一個(gè)套管鞋位置

的壓力梯度。如果是在海上還要包括水深和空氣間隔的計(jì)算。

(4)、如果有當(dāng)?shù)氐牟此杀认禂?shù)，應(yīng)估計(jì)設(shè)計(jì)井到第一個(gè)套管鞋深度的破裂

壓力梯度。

(5)、如果沒(méi)有當(dāng)?shù)氐挠糜谟?jì)算上覆壓力和破裂壓力梯度的有關(guān)系數(shù)，分析

巖性錄井圖以確定開(kāi)始鉆井應(yīng)該使用的合適的軟地層或硬地層系數(shù)。

(6)、參考施工井的鉆井設(shè)計(jì)，明確鉆井計(jì)劃以及出現(xiàn)異常壓力的可能深度。

(7)、在海上，如果實(shí)際的水深和空氣間隔與設(shè)計(jì)值不符時(shí)，重新計(jì)算上覆

壓力梯度。

(8)、同地質(zhì)監(jiān)督和用戶商討，確定對(duì)壓力報(bào)告的要求：系統(tǒng)單位、錄井圖

比例、每天匯報(bào)時(shí)間以及當(dāng)壓力參數(shù)變化時(shí)應(yīng)該向誰(shuí)匯報(bào)等。

(9)、選擇壓縮深度比例(1/5000或更小)繪制所有與壓力相關(guān)的錄井圖，

以便于確定趨勢(shì)線和允許進(jìn)行校正處理。

3、鉆井過(guò)程中應(yīng)做的工作

(1)、根據(jù)設(shè)計(jì)井區(qū)的地質(zhì)特征，確定使用合適的地層壓力檢測(cè)方法，使用

0指數(shù)及Sigma指數(shù)的一種或兩種方法同時(shí)使用；使用最適合當(dāng)?shù)貤l件的工

作方法；盡可能進(jìn)行實(shí)時(shí)解釋。

(2)、對(duì)所有井段的純頁(yè)巖按采樣間隔測(cè)定頁(yè)巖密度。

(3)、通過(guò)背景氣的出現(xiàn)或消失、單根氣和起下鉆氣監(jiān)控壓差變化。

(4)、如果是定向井，在進(jìn)行解釋和提交給現(xiàn)場(chǎng)人員之前，重新按照定向井

的真實(shí)垂直深度計(jì)算壓力參數(shù)。

(5)、每天最少繪制出兩份綜合錄井圖和壓力檢測(cè)圖供地質(zhì)監(jiān)督和用戶查

閱；保證任何時(shí)候錄井圖都是及時(shí)繪制的。

(6)、如果出現(xiàn)井涌，使用關(guān)井鉆具壓力(SIDPP)來(lái)計(jì)算地層流體壓力。

(7)、要保證對(duì)所有錄井圖的及時(shí)備份，錄井房?jī)?nèi)懸掛綜合錄井圖，以便于

快速查閱。

(8)、作好鉆井日志，記錄與壓力相關(guān)的事件，對(duì)專門的壓力評(píng)價(jià)過(guò)程和方

法要保持單獨(dú)的文件目錄，以便讓其它錄井人員參考。

4、在每次下套管時(shí)應(yīng)做的工作

(1)、收集聲波測(cè)井資料，以便重新計(jì)算各井段的上覆壓力梯度。

(2)、如果有重復(fù)地層測(cè)試器(RFT)的壓力值，使用它們來(lái)計(jì)算正常地層

流體壓力梯度。

(3)、當(dāng)鉆穿新的套管鞋時(shí)，如果有地層泄漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)的話，使用這些數(shù)據(jù)

來(lái)重新計(jì)算破裂壓力梯度和當(dāng)?shù)夭此杀认禂?shù)。

5、完井時(shí)應(yīng)做的工作

(1)、使用電測(cè)井資料(聲波、RFT等)重新計(jì)算上覆壓力系數(shù)、地層流體

壓力梯度和泊松比系數(shù)。

(2)、應(yīng)用中途測(cè)試(DST)的初始關(guān)井壓力(ISIP)值來(lái)對(duì)地層流體壓力

梯度進(jìn)行重新計(jì)算。

(3)、使用校正后的參數(shù)，作出最終的綜合錄井圖和壓力錄井圖。

(4)、評(píng)價(jià)在該井中使用的壓力評(píng)價(jià)方法的經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)，并在完井報(bào)告中反

映出來(lái)。

(5)、把遇到的任何特殊情況，使用新的壓力檢測(cè)方法或其它事項(xiàng)告訴當(dāng)?shù)?/p>

油田基地，以便能夠幫助他們今后改進(jìn)在該地區(qū)的鉆井服務(wù)。

四、“d”指數(shù)地層壓力檢測(cè)法

1、d指數(shù)來(lái)源和基本計(jì)算方法

鉆速(ROP)受巖石體積密度和壓差的影響。欠壓實(shí)地層的體積密度比該深

度下的預(yù)計(jì)密度要小。因此，鉆速是異常壓力的重要標(biāo)識(shí)。

但是鉆速方法是壓力檢測(cè)中的不可靠的方法。所有類型的地面和井下參數(shù)

都對(duì)鉆速的變化產(chǎn)生影響，比如，很難區(qū)分出是壓實(shí)效應(yīng)，還是由于鉆壓的變

化引起的鉆速變化。

在鉆頭和地層表面的一個(gè)復(fù)雜的交互面上受地層可鉆性的影響。為計(jì)算方

便，地層可鉆性由賓漢(Bingham)(1964)給出的一個(gè)鉆進(jìn)速度方程來(lái)定義：

式中A-鉆速,ft/min;

轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，r/min;

鉆壓，P；

〃-鉆頭直徑，in.；

a-巖性常數(shù)，無(wú)量綱；

d-壓實(shí)指數(shù)，無(wú)量綱。

約翰(Jordan)和希爾利(Shirley)(1966)省略了巖性常數(shù)R,并用其

它經(jīng)驗(yàn)常數(shù)來(lái)解決賓漢的d指數(shù)問(wèn)題。

為了求解d指數(shù)，約翰和希爾利方程成為：

.R

,nw

嗚。

110r5

式中鉆速，ft/h;

轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，r/min;

鉆壓，kN;

鉆頭直徑，cm.

1971年由雷姆(Rehm)和邁克林頓(McClendon)第一次提出了校正的d

指數(shù)(①)。鉆井液密度校正公式為：

式中指數(shù)，無(wú)量綱；

4-校正d指數(shù)，無(wú)量綱；

正常靜水壓力梯度(等效鉆井液密度單位)，ppg;

d廠當(dāng)量鉆井液密度(ECD),ppg

Geoservices使用另一種校正版本的d指數(shù)，叫做d*dcs與dc的不同在

于引入了一個(gè)鉆頭磨損系數(shù)。而大多數(shù)的泥漿錄井公司使用心指數(shù)(校正鉆井

液密度或ECD)進(jìn)行壓力計(jì)算。在API單位制下心方程是：

式中鉆時(shí)，min/ft;

鉆壓，lbs;

轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速,r/min;

鉆頭直徑，in..

/■仞-鉆頭磨損系數(shù),無(wú)量綱;

正常靜水壓力梯度（等效鉆井液密度單位），ppg;

d廠當(dāng)量鉆井液密度或ECD,ppg.

O-鉆頭類型指數(shù)，無(wú)量綱；

下表顯示N指數(shù)值和與之對(duì)應(yīng)的IADC值：

IADCN指數(shù)

10.6

20.5

30.4

40.3

50.2

60.1

70

國(guó)內(nèi)常用de計(jì)算公式如下:

,3.282

1g

[RPMxROP」G“

,r0.0684xW/OfilECD

lg..........-

式中de校正"指數(shù)值，無(wú)量綱；

RPM轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，r/min;

R0P鉆時(shí)，m/min;

WB鉆壓，kN;

D?鉆頭直徑，mm;

3

GK正常液壓梯度，g/cm;

ECD當(dāng)量鉆井液密度，g/cm\

2、4及其解釋

在正常壓實(shí)頁(yè)巖中，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上繪制出心「井深圖，描述了壓實(shí)作用

增加的一種線性趨勢(shì)（服）。該圖與頁(yè)巖密度圖相似。雖然在地質(zhì)情況清楚的地

區(qū)可以使用標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)線，但是地質(zhì)專家還是繪制出了對(duì)于每個(gè)地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)趨

勢(shì)線（圖3-34）。

為了確定趨勢(shì)線，聯(lián)機(jī)工程師必須選擇具有代表性的純頁(yè)巖的小值。通常，

有代表性的巖性層段必須大于150m。選擇井段的起始井深的平均值和終止井深

的平均值將作為計(jì)算服的基本值。然后聯(lián)機(jī)工程師就可以計(jì)算出曲線的斜度系

數(shù)和趨勢(shì)線的偏移量。

趨勢(shì)線的斜度a：

H「H\

偏移量系數(shù)b-.

b=logio%-

式中用-上部服值的深度；

4-下部心值的深度；

上部值；

「下部值。

圖3-34乙趨勢(shì)線的確定概要圖

如果選擇井段具有不間斷的壓實(shí)史，趨勢(shì)線將延伸到具有基值的井段以上

或以下?？梢杂米饔?jì)算機(jī)計(jì)算和地層壓力評(píng)價(jià)，趨勢(shì)線上的任何一點(diǎn)上的位置

都可以通過(guò)下式計(jì)算：

式中目標(biāo)層深度，m。

一般地說(shuō)，整口井的斜率有一固定值，而偏移量隙著鉆井過(guò)程的進(jìn)行而不

斷變化。在純頁(yè)巖層中，4值變到心趨勢(shì)線左邊表示有欠壓實(shí)或負(fù)壓差過(guò)渡

帶的存在。而心的值向右偏移，說(shuō)明是中性的或正壓差，或“超壓實(shí)”，比如

蓋層帶。

通常，砂巖的孔隙度比頁(yè)巖的平均孔隙度要高。因此，鉆穿砂巖層時(shí)，由

于與壓實(shí)作用有關(guān)的原因，可能導(dǎo)致幾趨勢(shì)線向左偏移（參見(jiàn)圖3-35）。通

過(guò)或?qū)ι皫r地層壓力計(jì)算可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的超壓值。為了消除這個(gè)問(wèn)題，引入了

一個(gè)“砂巖線”截?cái)喾ā?/p>

圖3-354隨鉆頭、底部鉆具組合特征變化示意圖

注意了解心和服之間的關(guān)系。當(dāng)在斜井計(jì)算小時(shí)，特別注意要根據(jù)實(shí)際

垂直井深（7。）而不是測(cè)量井深來(lái)計(jì)算出“，值和壓實(shí)趨勢(shì)線。另外，有幾個(gè)

與鉆頭和地層有關(guān)的因素可能使4/服的值發(fā)生偏移。

圖3-35顯示4,是如何隨鉆頭、底部鉆具組合特征而發(fā)生變化的，這即使

采用了鉆頭磨損系數(shù)校正因子時(shí)也是如此。當(dāng)井眼直徑、鉆頭類型、鉆具組合

和水動(dòng)力發(fā)生變化時(shí)，的值也會(huì)隨著發(fā)生偏移。

圖3-36顯示心是如何隨地層條件發(fā)生變化的。在頁(yè)巖段，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕?/p>

釋，計(jì)算往往是理想的。例如，在淺井鉆探中，未固結(jié)的巖層可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的

4值。在這樣的地層，鉆頭主要的作用是介于對(duì)鉆井液的噴射和牙輪的沖擊之

間。

鉆穿不整合面時(shí)，由于壓實(shí)趨勢(shì)的間斷，引起4值向右偏移。而趨勢(shì)線斜

率（在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上）應(yīng)該維持不變。

砂質(zhì)泥巖層的值可能不可靠。巖層中的孔隙度的變化可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的dc?

的值。

非頁(yè)巖層提供的結(jié)果也是不可靠的。砂巖帶的鉆進(jìn)速度比頁(yè)巖帶快，因此，

心的值主要是向左偏移。而碳酸鹽巖提供分散的、錯(cuò)誤的值。

有時(shí)聯(lián)機(jī)工程師必須手工移動(dòng)4和小曲線，以使它們維持適當(dāng)?shù)年P(guān)系。

如果原來(lái)的偏移明顯地是由于鉆頭變換和地層的不整合造成的，那么只需移動(dòng)

乙或乙其中之一。不要用相關(guān)的偏移量對(duì)其它任何地層的F指數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)于某種類型的地層，/計(jì)算是非常有用的（比如在壓實(shí)頁(yè)巖層），但是

公認(rèn)僅僅憑它卻不能斷定異常壓力層。應(yīng)該結(jié)合其它與壓力相關(guān)的參數(shù)，并仔

細(xì)檢查計(jì)算機(jī)處理的心值，以便得出更加準(zhǔn)確判斷。

DCS/DCN巖性條件

二二主要以噴射鉆井而不是靠拈頭的

DCN二二

DCS沿壓力趨勢(shì)線的正常變化

5^?^-高曬0P(可能需要端

線'3來(lái)計(jì)算正確的磔研值

粉砂或砂質(zhì)頁(yè)巖中的正常的DCS

5ms導(dǎo)致而預(yù)測(cè)

正常曲CS

可能的蓋層

從正壓差到負(fù)壓差之間的過(guò)渡帶

負(fù)壓差

圖3-36由于地層條件而引起的dcs的變化

3、上覆壓力計(jì)算

根據(jù)壓裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)、聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)等計(jì)算上覆巖層壓力梯度、

基巖應(yīng)力系數(shù)和波松比。并回歸出上覆巖層壓力梯度與井深、基巖應(yīng)力系數(shù)與井

深的曲線方程。

(1)基巖應(yīng)力系數(shù)K

G,-G

K=/-

G。-Gp

式中G「地層孔隙壓力梯度,g/cm';

心-上覆巖層壓力梯度，g/cn?;

G「地層破裂壓力梯度，g/cm)

4-9.81x105x（%-乩）

Gf=P+

m9.81xH

式中，"-井內(nèi)泥漿密度,g/cm';

夕/-地層漏失時(shí)立壓，kPa;

H-井深，m;

4-海床深度,m;

4-海水深度,m。

(2)上覆巖層壓力梯度Go

十AW

G

o=LPi,X,

n

式中，廠地層密度，g/cm’;

△H-井深間隔,m;

H一井深,m。

A=p??-2100x

式中PT*—基巖密度,g/cm*

△ti—地層聲波時(shí)差，Ms;

△tr?；一基巖聲波時(shí)差，Ms;

△泥漿聲波時(shí)差，MS.

(3)上覆巖層壓力

上覆巖層壓力和波松比的計(jì)算是根據(jù)初始給定數(shù)據(jù)和公式。

1)上覆巖層壓力

5=Ax(lnH)2+Bxln//+C

式中底垂深，01；

A,B,j系數(shù)。

法國(guó)GEOSERVICES公司推薦值為：

硬地層：4=0.0334;^=-0.3439;1=2.9986

軟地層：A=0.0301;^=-0.3278;1=2.9015

(4)波松比〃

根據(jù)輸入的波松系數(shù)首先求基巖應(yīng)力系數(shù)K

K=6(儲(chǔ)如"+小)

式中心"系數(shù)，推薦值為：

硬地層：-=0.354;—=-3.1846

軟地層：￡=0.266;KB=-1.351

波松比：

4、地層壓力計(jì)算

(1)正常壓力層

當(dāng)de指數(shù)曲線位于左邊界右側(cè)時(shí)，則認(rèn)為該地層為正常壓力層，地層壓力

等于正常的地層液壓梯度，根據(jù)地區(qū)不同一般在0.97-L06g/cm3。即

號(hào)=G“

式中Pr地層壓力系數(shù)。

(2)滲透性地層

當(dāng)de指數(shù)曲線位于砂巖線左側(cè)時(shí)，則認(rèn)為該地層為滲透性地層，該段地層

壓力繼承上覆欠壓實(shí)地層的地層壓力。即

Pf=PFR

式中PFR上覆地層壓力系數(shù)。

(3)欠壓實(shí)地層

當(dāng)de指數(shù)曲線位于左邊界與砂巖線之間時(shí)，則認(rèn)為該地層為欠壓實(shí)地層，

根據(jù)de指數(shù)計(jì)算地層壓力：

5、地層破裂壓力計(jì)算

?"二號(hào)+七號(hào))

式中Frac地層破裂壓力。

6、地層孔隙度計(jì)算

介指數(shù)在砂巖線左時(shí)

S-0.93P,-0.02G,,(d丫°

</>=-----------------0.093-士

s-G"\dcnJ

"c指數(shù)在砂巖線右時(shí)

Pmx

式中。-地層孔隙度，％。

P,泥頁(yè)巖體積密度，g/cm3;

P叭基巖密度，g/cm3。

五、Sigma錄井

1、Sigma錄井的來(lái)源

Sigma錄井是另一種地層壓力評(píng)價(jià)方法，是在二十世紀(jì)七十年代中期，由

意大利石油公司AGIP在坡(Po)山谷鉆探時(shí)提出來(lái)的。在不連續(xù)的砂泥巖層或石

灰?guī)r層中，從d指數(shù)計(jì)算出的壓力數(shù)據(jù)不可靠，并且很難建立一條連續(xù)的壓

實(shí)趨勢(shì)線。另外，0指數(shù)的計(jì)算也不能直接補(bǔ)償壓差的變化，而壓差對(duì)井眼

的沖洗和鉆速的影響都是非常大。Sigma錄井對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選，并成功

地運(yùn)用在全世界的粘土質(zhì)地層錄井中。

另外，用戶可以對(duì)用作壓力計(jì)算的不真實(shí)的高值或低值進(jìn)行處理。該頂功

能對(duì)應(yīng)于用來(lái)計(jì)算Y指數(shù)的，砂巖線工

指數(shù)的趨勢(shì)線變換是對(duì)連續(xù)地層鉆井參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，而Sigma指數(shù)變

換是對(duì)混合型的粘土質(zhì)地層的鉆井參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，趨勢(shì)線一般的斜率為0.088,

它被證實(shí)在歐洲和北海地區(qū)都是正確的。其它的地區(qū)可能需要不同的斜率值，

用戶可以對(duì)斜率值進(jìn)行修改。

2、原始Sigma（cr）

基本的Sigma計(jì)算包括兩個(gè)部分。第一部分關(guān)于巖石的可鉆性的確定；第

二部分關(guān)于壓差的影響。

首先，需確定原始Sigma（c）值，它是無(wú)量綱的：

0.5n0.25

U_XRPM

nD025

DhxROP

式中照廠鉆壓，t;

A掰-轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速,r/min;

2-鉆頭直徑，in;

兒廠鉆速，m/h.）

不同參數(shù)之間的關(guān)系是經(jīng)驗(yàn)性的。在理論上講，在同樣的深度鉆穿相同的

巖層，除不同的鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭直徑和鉆速外，，c：的值對(duì)于兩個(gè)同類鉆

頭應(yīng)該相同。在實(shí)際運(yùn)用中，由于鉆井參數(shù)的不斷變化，可能引起值的

一些變化。

3、對(duì)淺層井眼條件下校正后的原始Sigma值（

當(dāng)把的值對(duì)應(yīng)于井深繪圖時(shí)，有大量的的點(diǎn)比平均值大或小。

這在淺井中尤為明顯。正因?yàn)槿绱?，?jì)算中使用了一個(gè)校正系數(shù)計(jì)算調(diào)整后的

原始Sigma值（c”）:

向=后+0.028（7--—）

式中L-井深，m。

一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)值（SN1）時(shí)代表砂巖，當(dāng)值（>1）時(shí)代表頁(yè)巖。

4、“井眼清洗系數(shù)”（〃）

變量是地層孔隙度和滲透率的函數(shù)。當(dāng)井底壓差為正值時(shí)，巖石的孔

隙度和滲透率確定巖層內(nèi)部流體壓力何時(shí)才能與鉆井液壓力相等，反過(guò)來(lái)將影

響到巖屑能被鉆井液帶到地面的速度（“巖屑沉降效應(yīng)”）。因此，描述鉆井

液把巖屑從鉆頭上沖洗掉的效率。

的計(jì)算有兩種方法，這與的值有關(guān)：

如果廊S1,則

3.2

640x^7

如果向'>1，則

10.75、

n=——(4

664400后

由此可見(jiàn)頁(yè)巖的值比砂巖大，頁(yè)巖層井眼清洗效率比砂巖的要低。

5、壓差的影響（F*）

變量"描述了壓差對(duì)地層可鉆性的影響。這里要有一個(gè)已知的對(duì)于每個(gè)目

標(biāo)層的壓差值。

實(shí)際的壓力差為：

kp="-p忘

式中/尸-壓力差，kgf/cm;

P~鉆井液密度，kg/1;

乙-正常地層流體壓力梯度，kg/1;

深度，m。

產(chǎn)〃的值是由局部地層流體的平均密度確定的。通常，由于缺乏對(duì)局部地層

信息的了解，操作員必須估計(jì)出玲。一般地說(shuō)，’/產(chǎn)值的增加引起鉆速的減

慢，而AP的減小引起鉆速的加快。當(dāng)4夕的值為零或接近于零時(shí)，鉆速最

大。鉆速相對(duì)于^AP的變化是非線性的。

為了計(jì)算Sigma值，壓差的影響被描述為一個(gè)系數(shù)：'F*'.對(duì)于每個(gè)預(yù)計(jì)

深度*滿足方程：

l-71+n2xAP2

---------------

nxAP

式中〃-井眼清洗系數(shù)；

一-一壓差,kgf/cmo

6、真實(shí)Sigma（crj

真實(shí)Sigma（c）值，也稱為“巖石強(qiáng)度參數(shù)”。計(jì)算公式如下：

向二F*x向

式中巖石強(qiáng)度參數(shù)

7、Sigma趨勢(shì)值（/）

巖石強(qiáng)度參數(shù)（人）可被繪制成一系列互相連接的點(diǎn)（圖3-37）。與，d

指數(shù)不同的是，其橫坐標(biāo)是線性的。Sigma值的范圍從。到1。

Sigma錄井孔隙壓力

深度0.20.50.8(估算值)

(m)?-?——~L

2000

4000

5000

圖3-37Sigma錄井圖（巖石強(qiáng)度參數(shù)）

，八’的值在可鉆性增大時(shí)具有向左偏移的趨勢(shì)，而當(dāng)可鉆性減小時(shí)，具

有向右偏移的趨勢(shì)。發(fā)生偏移是由于巖石機(jī)械特性的變化（巖性或孔隙度），鉆

井參數(shù)的變化（主要是井眼直徑），或以上兩種因素影響造成的。

對(duì)于一個(gè)巖性相同的地層剖面，，人’的值隨著深度的增加而增大，為正

常壓實(shí)趨勢(shì)（巖性的改變，如從頁(yè)巖到砂頁(yè)巖，或者鉆井參數(shù)的重大變

化，會(huì)引起‘c；值的突然偏移，接著從巖性或鉆井參數(shù)開(kāi)始變化的下一點(diǎn)，

出現(xiàn)一個(gè)新的平均值。因此，當(dāng)出現(xiàn)巖性變化，井眼直徑或鉆頭類型變化時(shí)，

要對(duì)‘c；的值進(jìn)行偏移處理，以使它同‘打，維持適當(dāng)?shù)年P(guān)系。

以下方程描述了趨勢(shì)線在每個(gè)點(diǎn)的位置：

L

向=0.088+B

1000

式中井深，m;

井深為零時(shí)的6值，即坐標(biāo)截距，無(wú)量綱。

當(dāng)平均值變化時(shí)，，趨勢(shì)線也會(huì)變化。注意：不要隙意改變‘。

;趨勢(shì)線。

下列方程描述了趨勢(shì)線每一段的起始點(diǎn)：

8、，標(biāo)準(zhǔn)化，的Sigma

對(duì)孤立的4t7；線段進(jìn)行重組，形成一條連續(xù)的趨勢(shì)線，而在趨勢(shì)線上的

每一點(diǎn)維持著，同,的聯(lián)系。圖3-38示范了這個(gè)原理。

圖3-38Sigma錄井圖的標(biāo)準(zhǔn)化處理

A-Sigma偏移錄井圖，B-沒(méi)有壓差補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化錄井圖

C-具有壓差補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化錄井圖

9、正常趨勢(shì)線上57及g值（T,.

式中A,6-正常趨勢(shì)線的斜率與截距，可由初始化給定的兩點(diǎn)確定。

一般：A=0.088

10、Sigma地層壓力Pt

=20（1/

/-4-S“.y.（2—y）.%

丫=生

若

Pf<Pn

則