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地层压力分析方法与应用地层压力分析方法与应用中国石油大学中国石油大学(北京北京)樊洪海（教授）樊洪海（教授）第1页一、地下压力概念介绍一、地下压力概念介绍一、地下压力概念介绍一、地下压力概念介绍二、异常地层压力形成机制与判别方法二、异常地层压力形成机制与判别方法二、异常地层压力形成机制与判别方法二、异常地层压力形成机制与判别方法三、上覆岩层压力确实定方法介绍三、上覆岩层压力确实定方法介绍三、上覆岩层压力确实定方法介绍三、上覆岩层压力确实定方法介绍四、地层孔隙压力确实定方法介绍四、地层孔隙压力确实定方法介绍四、地层孔隙压力确实定方法介绍四、地层孔隙压力确实定方法介绍4.0 4.0 4.0 4.0 地层孔隙压力确定方法概述地层孔隙压力确定方法概述地层孔隙压力确定方法概述地层孔隙压力确定方法概述4.1 4.1 4.1 4.1 测井资料计算地层孔隙压力方法测井资料计算地层孔隙压力方法测井资料计算地层孔隙压力方法测井资料计算地层孔隙压力方法4.2 4.2 4.2 4.2 钻井工程钻井工程钻井工程钻井工程(录井录井录井录井)资料计算地层孔隙压力方法资料计算地层孔隙压力方法资料计算地层孔隙压力方法资料计算地层孔隙压力方法4.3 4.3 4.3 4.3 地震层速度资料预测地层孔隙压力方法地震层速度资料预测地层孔隙压力方法地震层速度资料预测地层孔隙压力方法地震层速度资料预测地层孔隙压力方法五、地层破裂压力确实定方法介绍五、地层破裂压力确实定方法介绍五、地层破裂压力确实定方法介绍五、地层破裂压力确实定方法介绍六、两维和三维压力计算方法及应用六、两维和三维压力计算方法及应用六、两维和三维压力计算方法及应用六、两维和三维压力计算方法及应用七、地层坍塌压力确实定方法介绍七、地层坍塌压力确实定方法介绍七、地层坍塌压力确实定方法介绍七、地层坍塌压力确实定方法介绍八、八、八、八、地层压力分析软件地层压力分析软件地层压力分析软件地层压力分析软件 V3.0V3.0版介绍版介绍版介绍版介绍内内容容提提要要第2页参考书参考书第3页 0 0、地下岩层应力状态、地下岩层应力状态、地下岩层应力状态、地下岩层应力状态当物体受到外力作用时，在其内部同时产生了一个与另外力相反抗以保持平衡内力。单位面积上内力称为应力。岩石内部产生并作用在地层单位面积上力称为地应力（geostress）。一、地下压力概念一、地下压力概念与水静压强不一样，地下任一点处地应力在各方向上大小不一样，用三个主方向主应力来描述地应力：垂直方向垂向地应力（verticalgeostress），水平方向最大水平地应力（maximumhorizontalgeostress）和最小水平地应力（minimumhorizontalgeostress）u通常，三个主方向上地应力是不相等，地层中地应力状态存在三种类型：即垂向应力分别为最大主应力、中间主应力或最小主应力。u在三个主地应力中，地层岩体重量、地质结构运动、地层流体压力及地层温度改变是水平地应力产生原因；地应力垂向分量主要受地层重力控制，基本等于上覆岩层重量。第4页一、地下压力概念一、地下压力概念 依据一个依据一个依据一个依据一个地域有没有受到结构运动影响以及结构运动形态，可将地域有没有受到结构运动影响以及结构运动形态，可将地域有没有受到结构运动影响以及结构运动形态，可将地域有没有受到结构运动影响以及结构运动形态，可将水平地应力分为三种情况水平地应力分为三种情况水平地应力分为三种情况水平地应力分为三种情况：（1 1 1 1）未受到地质结构运动扰动过沉积较新连续沉积盆地，属于）未受到地质结构运动扰动过沉积较新连续沉积盆地，属于）未受到地质结构运动扰动过沉积较新连续沉积盆地，属于）未受到地质结构运动扰动过沉积较新连续沉积盆地，属于水平水平水平水平均匀地应力状态均匀地应力状态均匀地应力状态均匀地应力状态。其水平地应力只起源于上覆岩层重力作用。其水平地应力只起源于上覆岩层重力作用。其水平地应力只起源于上覆岩层重力作用。其水平地应力只起源于上覆岩层重力作用；（2 2 2 2）受到地质结构运动影响，但结构力在水平各个方向上均相同。）受到地质结构运动影响，但结构力在水平各个方向上均相同。）受到地质结构运动影响，但结构力在水平各个方向上均相同。）受到地质结构运动影响，但结构力在水平各个方向上均相同。所以所以所以所以仍属于水平仍属于水平仍属于水平仍属于水平均匀均匀均匀均匀地应力状态地应力状态地应力状态地应力状态；（3 3 3 3）最普遍情况是，结构应力在两个水平主方向上是）最普遍情况是，结构应力在两个水平主方向上是）最普遍情况是，结构应力在两个水平主方向上是）最普遍情况是，结构应力在两个水平主方向上是不相等不相等不相等不相等。有两。有两。有两。有两种情况，一个是种情况，一个是种情况，一个是种情况，一个是：这意味着水压裂缝是水平。而对我国大多数油田，地应力实测表明是另一个情况这意味着水压裂缝是水平。而对我国大多数油田，地应力实测表明是另一个情况这意味着水压裂缝是水平。而对我国大多数油田，地应力实测表明是另一个情况这意味着水压裂缝是水平。而对我国大多数油田，地应力实测表明是另一个情况：也就是说，最大和最小地应力都是作用在水平方向上。而垂直有效上覆岩层压力为也就是说，最大和最小地应力都是作用在水平方向上。而垂直有效上覆岩层压力为也就是说，最大和最小地应力都是作用在水平方向上。而垂直有效上覆岩层压力为也就是说，最大和最小地应力都是作用在水平方向上。而垂直有效上覆岩层压力为中间值，对于这种应力状态，地层水压裂缝形态为垂直。中间值，对于这种应力状态，地层水压裂缝形态为垂直。中间值，对于这种应力状态，地层水压裂缝形态为垂直。中间值，对于这种应力状态，地层水压裂缝形态为垂直。第5页 1 1、静液、静液、静液、静液(水水水水)压力压力压力压力(HydrostaticPressure)(HydrostaticPressure)静静静静液液液液压压压压力力力力(hydrostatic(hydrostaticpressure)pressure)是是是是由由由由静静静静止止止止液液液液柱柱柱柱重重重重量量量量所所所所引引引引发发发发压压压压力力力力，简简简简称称称称静静静静压压压压，如如如如钻钻钻钻井井井井液液液液液液液液柱柱柱柱对对对对应应应应静静静静液液液液压压压压力力力力，某某某某一一一一深深深深度度度度处处处处海海海海水水水水对对对对应应应应静静静静水压力等。假如这里流体特指地层水，则为静水压力水压力等。假如这里流体特指地层水，则为静水压力水压力等。假如这里流体特指地层水，则为静水压力水压力等。假如这里流体特指地层水，则为静水压力：通通通通常常常常把把把把单单单单位位位位深深深深度度度度增增增增加加加加静静静静水水水水压压压压力力力力称称称称为为为为静静静静水水水水压压压压力力力力梯梯梯梯度度度度(pressure(pressuregradient)gradient):式中，式中，某一深度处地层水密度，通常取某一深度处地层水密度，通常取1.011.04g/cm3，g 重力加速度，重力加速度，9.81m/s2；h 计算点所对应地层埋深；计算点所对应地层埋深；一、地下压力概念一、地下压力概念第6页在油气钻井工程领域，通惯用在油气钻井工程领域，通惯用在油气钻井工程领域，通惯用在油气钻井工程领域，通惯用当量钻井液密度当量钻井液密度当量钻井液密度当量钻井液密度来表示压力梯度，来表示压力梯度，来表示压力梯度，来表示压力梯度，即计算点所在深度处地下压力与同深度下平衡这个压力值钻井液柱即计算点所在深度处地下压力与同深度下平衡这个压力值钻井液柱即计算点所在深度处地下压力与同深度下平衡这个压力值钻井液柱即计算点所在深度处地下压力与同深度下平衡这个压力值钻井液柱所需要密度所需要密度所需要密度所需要密度，惯用单位为惯用单位为惯用单位为惯用单位为g/cmg/cm3 3式中，式中，式中，式中，pi-某一地下压力，实际应用时某一地下压力，实际应用时以该压力英文名称小写首字母表示。以该压力英文名称小写首字母表示。一、地下压力概念一、地下压力概念第7页22、上覆岩层压力、上覆岩层压力、上覆岩层压力、上覆岩层压力(OverburdenPressure)(OverburdenPressure)某一深度以上地层岩石骨架和孔隙流体总重力产生压力：某一深度以上地层岩石骨架和孔隙流体总重力产生压力：某一深度以上地层岩石骨架和孔隙流体总重力产生压力：某一深度以上地层岩石骨架和孔隙流体总重力产生压力：式中，式中，上覆岩层压力；上覆岩层压力；海水密度（陆上为海水密度（陆上为0）;h计算点垂深；计算点垂深；地层孔隙度；地层孔隙度；海水密度海水密度；岩石骨架密度；岩石骨架密度；地层孔隙流体密度地层孔隙流体密度.经常使用是表示为当量钻井液密度经常使用是表示为当量钻井液密度经常使用是表示为当量钻井液密度经常使用是表示为当量钻井液密度上覆岩层压力梯度上覆岩层压力梯度上覆岩层压力梯度上覆岩层压力梯度。普普普普通通通通采采采采取取取取上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩层层层层压压压压力力力力梯梯梯梯度度度度理理理理论论论论值值值值为为为为22.7kPa/m22.7kPa/m(假假假假设设设设岩岩岩岩石石石石骨骨骨骨架架架架密密密密度度度度为为为为2.5g/cc2.5g/cc，孔孔孔孔隙隙隙隙度度度度为为为为1010，流流流流体体体体密密密密度度度度为为为为1.0g/cc)1.0g/cc)。实实实实际际际际上上上上,因因因因为为为为压压压压实实实实作作作作用用用用及及及及岩岩岩岩性性性性随随随随深深深深度度度度改改改改变变变变,上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩层层层层压压压压力力力力梯梯梯梯度度度度并并并并不不不不是是是是常常常常数数数数,而而而而是是是是深深深深度度度度函函函函数数数数；而而而而且且且且不不不不一一一一样样样样地地地地域域域域,压压压压实实实实程程程程度度度度、地地地地表表表表剥剥剥剥蚀蚀蚀蚀程程程程度度度度及及及及岩岩岩岩性性性性剖剖剖剖面面面面也也也也有有有有较较较较大大大大差差差差异异异异，故故故故上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩层层层层压压压压力力力力梯梯梯梯度度度度随随随随深深深深度度度度改改改改变变变变关关关关系系系系也也也也不不不不一一一一定相同。实际应用时，应依据当地域地层详细情况来确定。定相同。实际应用时，应依据当地域地层详细情况来确定。定相同。实际应用时，应依据当地域地层详细情况来确定。定相同。实际应用时，应依据当地域地层详细情况来确定。一、地下压力概念一、地下压力概念第8页3 3、地层孔隙压力地层孔隙压力地层孔隙压力地层孔隙压力(FormationPressure)(FormationPressure)指指指指地地地地层层层层孔孔孔孔隙隙隙隙或或或或裂裂裂裂缝缝缝缝中中中中流流流流体体体体(油油油油、气气气气、水水水水)所所所所含含含含有有有有压压压压力力力力，亦亦亦亦简简简简称孔隙压力称孔隙压力称孔隙压力称孔隙压力(Porepressure)(Porepressure)。分为：。分为：。分为：。分为：正常地层孔隙压力正常地层孔隙压力正常地层孔隙压力正常地层孔隙压力(Normalformationpressure)(Normalformationpressure)。异常地层孔隙压力异常地层孔隙压力异常地层孔隙压力异常地层孔隙压力(Abnormalformationpressure):(Abnormalformationpressure):异常高压或异常高压或异常高压或异常高压或超压超压超压超压(高于静液压力高于静液压力高于静液压力高于静液压力)异常低压或异常低压或异常低压或异常低压或欠压欠压欠压欠压(低于静液压力低于静液压力低于静液压力低于静液压力)在在在在地地地地质质质质学学学学上上上上惯惯惯惯用用用用剩剩剩剩下下下下压压压压力力力力（ExcessExcesspressurepressure）表表表表示示示示异异异异常常常常高压程度，剩下压力等于地层孔隙压力与静水压力差值。高压程度，剩下压力等于地层孔隙压力与静水压力差值。高压程度，剩下压力等于地层孔隙压力与静水压力差值。高压程度，剩下压力等于地层孔隙压力与静水压力差值。一、地下压力概念一、地下压力概念第9页 地地地地层层层层孔孔孔孔隙隙隙隙压压压压力力力力梯梯梯梯度度度度(Formation(FormationPressurePressureGradient)Gradient)，即即即即单单单单位位位位深深深深度度度度增增增增加加加加地地地地层层层层孔孔孔孔隙隙隙隙压压压压力力力力压压压压力力力力值值值值(钻钻钻钻井井井井领领领领域域域域通通通通常常常常表表表表示示示示为为为为地地地地层层层层孔孔孔孔隙压力当量钻井液密度隙压力当量钻井液密度隙压力当量钻井液密度隙压力当量钻井液密度)：地地地地质质质质家家家家通通通通常常常常将将将将地地地地层层层层孔孔孔孔隙隙隙隙压压压压力力力力表表表表示示示示为为为为地地地地层层层层孔孔孔孔隙隙隙隙压压压压力力力力系系系系数数数数(地地地地层层层层压压压压力力力力系系系系数数数数），即即即即地地地地下下下下某某某某点点点点地地地地层层层层孔孔孔孔隙隙隙隙压压压压力力力力与与与与该该该该点点点点静静静静水水水水压压压压力力力力比比比比值值值值:数值上约等于单位为数值上约等于单位为数值上约等于单位为数值上约等于单位为g/cmg/cm3 3时钻井液密度大小时钻井液密度大小时钻井液密度大小时钻井液密度大小。一、地下压力概念一、地下压力概念第10页一、地下压力概念一、地下压力概念原苏联分类方案原苏联分类方案埃克森石油企业分类方案杜栩分类方案杜栩分类方案郝芳分类方案郝芳分类方案压力系数压力系数压力分类压力分类压力系数压力系数压力分类压力分类压力系数压力系数压力分类压力分类压力系数压力系数压力分类压力分类0.8异常低压异常低压0.8强负压强负压0.8-1.0低低压压1.0低低压压0.96低压异常低压异常0.8-0.96负负压压1.0-1.05常常压压1.0-1.27常常压压0.96-1.06常常压压0.96-1.06常常压压1.05-1.3弱高压弱高压1.27-1.5过渡带过渡带1.06-1.38高压异常高压异常1.06-1.27弱超压弱超压1.3-2.0高高压压1.5-1.73超超压压1.38异常高压异常高压1.27-1.73超超压压2.0超高压超高压1.73-1.96强超压强超压1.73强超压强超压地层孔隙压力状态不一样分类标准地层孔隙压力状态不一样分类标准第11页4 4、有效应力、有效应力、有效应力、有效应力(EffectiveStress)(EffectiveStress)TerzaghiTerzaghi经经经经过过过过多多多多年年年年对对对对水水水水饱饱饱饱和和和和土土土土体体体体研研研研究究究究，于于于于19231923年年年年提提提提出出出出了了了了以以以以下下下下有有有有效应力定理：效应力定理：效应力定理：效应力定理：式中式中式中式中，主应力；主应力；主应力；主应力；有效应力（固体颗粒之间传递应力）有效应力（固体颗粒之间传递应力）有效应力（固体颗粒之间传递应力）有效应力（固体颗粒之间传递应力）孔隙压力。孔隙压力。孔隙压力。孔隙压力。若为垂直方向，则若为垂直方向，则若为垂直方向，则若为垂直方向，则 垂直有效应力垂直有效应力垂直有效应力垂直有效应力()；上覆岩层压力上覆岩层压力上覆岩层压力上覆岩层压力 ()()()()。一、地下压力概念一、地下压力概念第12页 TerzaghiTerzaghiTerzaghiTerzaghi指指指指出出出出：对对对对于于于于多多多多孔孔孔孔介介介介质质质质，应应应应力力力力改改改改变变变变产产产产生生生生全全全全部部部部可可可可测测测测量量量量影影影影响响响响(如压缩变形等如压缩变形等如压缩变形等如压缩变形等)唯一原因是有效应力改变。唯一原因是有效应力改变。唯一原因是有效应力改变。唯一原因是有效应力改变。有有有有效效效效应应应应力力力力是是是是物物物物理理理理学学学学上上上上不不不不可可可可直直直直接接接接测测测测量量量量量量量量，只只只只有有有有其其其其产产产产生生生生影影影影响响响响(如如如如变变变变形形形形)是可测量。是可测量。是可测量。是可测量。1941194119411941年年年年，BiotBiotBiotBiot在在在在研研研研究究究究饱饱饱饱和和和和多多多多孔孔孔孔介介介介质质质质三三三三轴轴轴轴压压压压缩缩缩缩力力力力学学学学问问问问题题题题时时时时，发发发发觉觉觉觉低低低低渗渗渗渗透透透透性性性性多多多多孔孔孔孔介介介介质质质质不不不不适适适适合合合合应应应应用用用用TerzaghiTerzaghiTerzaghiTerzaghi原原原原理理理理，提提提提出出出出了了了了修修修修正正正正后后后后有有有有效效效效应应应应力定理力定理力定理力定理：式中：式中：式中：式中：等效孔隙压力系数或有效应力系数，介于等效孔隙压力系数或有效应力系数，介于等效孔隙压力系数或有效应力系数，介于等效孔隙压力系数或有效应力系数，介于0 0 0 0和和和和1 1 1 1之间之间之间之间一、地下压力概念一、地下压力概念第13页 沉沉沉沉积积积积岩岩岩岩属属属属于于于于饱饱饱饱和和和和多多多多孔孔孔孔介介介介质质质质，含含含含有有有有类类类类似似似似于于于于饱饱饱饱和和和和土土土土体体体体二二二二元元元元体体体体系系系系结结结结构构构构，由岩石骨架颗粒和孔隙流体组成。由岩石骨架颗粒和孔隙流体组成。由岩石骨架颗粒和孔隙流体组成。由岩石骨架颗粒和孔隙流体组成。鉴鉴鉴鉴于于于于此此此此，HubbertHubbert和和和和RubeyRubey（19591959）将将将将有有有有效效效效应应应应力力力力概概概概念念念念引引引引入入入入到到到到了了了了地地地地质质质质学学学学领领领领域域域域，将将将将岩岩岩岩石石石石骨骨骨骨架架架架颗颗颗颗粒粒粒粒间间间间接接接接触触触触应应应应力力力力称称称称为为为为地地地地层层层层岩岩岩岩石石石石有有有有效效效效应应应应力力力力，有有有有时时时时也也也也将将将将有有有有效效效效应应应应力力力力称称称称为为为为骨骨骨骨架架架架应应应应力力力力(grain(graintotograingrainpressure)pressure)或或或或基基基基岩岩岩岩应应应应力力力力(matrixstress)(matrixstress)在在在在地地地地层层层层孔孔孔孔隙隙隙隙压压压压力力力力计计计计算算算算中中中中，普普普普通通通通忽忽忽忽略略略略地地地地层层层层渗渗渗渗透透透透性性性性对对对对地地地地层层层层孔孔孔孔隙隙隙隙压压压压力力力力影响，取等效孔隙压力系数为影响，取等效孔隙压力系数为影响，取等效孔隙压力系数为影响，取等效孔隙压力系数为 。一、地下压力概念一、地下压力概念第14页与地下岩石三轴应力状态下三个主应力相对应，有效应力也分与地下岩石三轴应力状态下三个主应力相对应，有效应力也分与地下岩石三轴应力状态下三个主应力相对应，有效应力也分与地下岩石三轴应力状态下三个主应力相对应，有效应力也分解为三个方向：解为三个方向：解为三个方向：解为三个方向：pp垂直有效应力垂直有效应力垂直有效应力垂直有效应力(Verticaleffectivestress)(Verticaleffectivestress)pp最大水平有效应力最大水平有效应力最大水平有效应力最大水平有效应力(Maximum(MaximumHorizontalHorizontalEffectiveStress)EffectiveStress)pp最小水平有效应力最小水平有效应力最小水平有效应力最小水平有效应力(Minimum(MinimumHorizontalHorizontalEffectiveStress)EffectiveStress)垂直有效应力和最小水平有效应力在地质学和油垂直有效应力和最小水平有效应力在地质学和油垂直有效应力和最小水平有效应力在地质学和油垂直有效应力和最小水平有效应力在地质学和油气钻井工程领域含有更主要意义：气钻井工程领域含有更主要意义：气钻井工程领域含有更主要意义：气钻井工程领域含有更主要意义：因因因因为为为为压压压压实实实实主主主主要要要要发发发发生生生生在在在在垂垂垂垂直直直直方方方方向向向向，控控控控制制制制压压压压实实实实过过过过程程程程力力力力实实实实际际际际上上上上是是是是垂垂垂垂直直直直有有有有效效效效应应应应力力力力，孔孔孔孔隙隙隙隙度度度度改改改改变变变变、孔孔孔孔隙隙隙隙流流流流体体体体高高高高压压压压形形形形成等过程都与垂直有效应力改变相关。成等过程都与垂直有效应力改变相关。成等过程都与垂直有效应力改变相关。成等过程都与垂直有效应力改变相关。一、地下压力概念一、地下压力概念第15页正正正正常常常常压压压压力力力力环环环环境境境境中中中中，因因因因沉沉沉沉积积积积颗颗颗颗粒粒粒粒之之之之间间间间相相相相互互互互接接接接触触触触，岩岩岩岩石石石石基基基基体体体体支支支支撑撑撑撑着着着着上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩层层层层载载载载荷荷荷荷，地地地地层层层层孔孔孔孔隙隙隙隙压压压压力力力力等等等等于于于于静静静静液液液液压压压压力力力力；而而而而沉沉沉沉积积积积颗颗颗颗粒粒粒粒间间间间垂垂垂垂直直直直有有有有效效效效应应应应力力力力任任任任何何何何降降降降低低低低，将将将将使使使使孔孔孔孔隙隙隙隙内内内内流流流流体体体体支支支支持持持持部部部部分分分分上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩层层层层载载载载荷荷荷荷，形形形形成成成成异异异异常常常常高压。高压。高压。高压。所以，异常高压形成能够经过有效应力定理得到解释。所以，异常高压形成能够经过有效应力定理得到解释。所以，异常高压形成能够经过有效应力定理得到解释。所以，异常高压形成能够经过有效应力定理得到解释。若若若若设设设设法法法法求求求求出出出出上上上上覆覆覆覆岩岩岩岩层层层层压压压压力力力力和和和和垂垂垂垂直直直直有有有有效效效效应应应应力力力力，能能能能够够够够利利利利用用用用该该该该定定定定理理理理确确确确定定定定地层孔隙压力。地层孔隙压力。地层孔隙压力。地层孔隙压力。一、地下压力概念一、地下压力概念最最最最小小小小水水水水平平平平有有有有效效效效应应应应力力力力控控控控制制制制着着着着地地地地下下下下岩岩岩岩石石石石中中中中裂裂裂裂缝缝缝缝方方方方向向向向，地地地地下下下下天天天天然然然然裂裂裂裂缝缝缝缝或或或或人人人人工工工工裂裂裂裂缝缝缝缝其其其其延延延延伸伸伸伸方方方方向向向向普普普普通通通通与与与与最最最最小小小小水水水水平平平平有有有有效效效效应应应应力力力力垂垂垂垂直直直直。其其其其也也也也是是是是确确确确定定定定地层破裂压力或裂缝扩展压力基础。地层破裂压力或裂缝扩展压力基础。地层破裂压力或裂缝扩展压力基础。地层破裂压力或裂缝扩展压力基础。第16页5 5、地层破裂压力、裂缝重张压力与裂缝扩展压力、地层破裂压力、裂缝重张压力与裂缝扩展压力、地层破裂压力、裂缝重张压力与裂缝扩展压力、地层破裂压力、裂缝重张压力与裂缝扩展压力 井井井井眼眼眼眼中中中中一一一一定定定定深深深深度度度度裸裸裸裸露露露露地地地地层层层层承承承承受受受受来来来来自自自自井井井井内内内内流流流流体体体体压压压压力力力力能能能能力力力力是是是是有有有有限限限限，当当当当井井井井内内内内流流流流体体体体压压压压力力力力到到到到达达达达一一一一定定定定值值值值时时时时候候候候，井井井井壁壁壁壁围围围围岩岩岩岩会会会会因因因因受受受受张张张张应应应应力力力力而而而而破破破破裂裂裂裂。在在在在钻钻钻钻井井井井工工工工程程程程领领领领域域域域，普普普普通通通通用用用用地地地地层层层层破破破破裂裂裂裂压压压压力力力力（formationformation fracturefracturepressurepressure）来来来来描描描描述述述述地地地地层层层层这这这这种种种种承承承承压压压压能能能能力力力力，即即即即井井井井下下下下一一一一定定定定深深深深度度度度处处处处使使使使井井井井壁壁壁壁围围围围岩产生张性破裂并产生裂缝所需要最小井内流体压力，用岩产生张性破裂并产生裂缝所需要最小井内流体压力，用岩产生张性破裂并产生裂缝所需要最小井内流体压力，用岩产生张性破裂并产生裂缝所需要最小井内流体压力，用p pf f表示表示表示表示。影影影影响响响响地地地地层层层层破破破破裂裂裂裂原原原原因因因因主主主主要要要要包包包包含含含含地地地地应应应应力力力力，地地地地层层层层本本本本身身身身强强强强度度度度、弹弹弹弹性性性性常常常常数、断裂韧性、天然裂缝发育情况，孔隙压力大小等数、断裂韧性、天然裂缝发育情况，孔隙压力大小等数、断裂韧性、天然裂缝发育情况，孔隙压力大小等数、断裂韧性、天然裂缝发育情况，孔隙压力大小等。一、地下压力概念一、地下压力概念第17页5 5、地层破裂压力、裂缝重张压力与裂缝扩展压力、地层破裂压力、裂缝重张压力与裂缝扩展压力、地层破裂压力、裂缝重张压力与裂缝扩展压力、地层破裂压力、裂缝重张压力与裂缝扩展压力 因因因因为为为为结结结结构构构构运运运运动动动动或或或或钻钻钻钻头头头头破破破破碎碎碎碎作作作作用用用用，井井井井眼眼眼眼周周周周围围围围岩岩岩岩石石石石中中中中往往往往往往往往存存存存在在在在许许许许多多多多微微微微裂裂裂裂缝缝缝缝，使使使使这这这这些些些些已已已已经经经经存存存存在在在在微微微微裂裂裂裂缝缝缝缝重重重重新新新新张张张张开开开开压压压压力力力力称称称称为为为为裂裂裂裂缝缝缝缝重重重重张张张张压压压压力力力力（fracturefracturereopeningreopeningpressurepressure）。裂裂裂裂缝缝缝缝重重重重张张张张压压压压力力力力略略略略小小小小于于于于地地地地层层层层破破破破裂裂裂裂压压压压力力力力。所所所所以以以以，有有有有些些些些学学学学者者者者将将将将其其其其作作作作为为为为地地地地层层层层破破破破裂裂裂裂压压压压力力力力下下下下限限限限，并并并并作作作作为为为为设设设设计计计计套套套套管管管管下深与确定钻井液密度上限值依据下深与确定钻井液密度上限值依据下深与确定钻井液密度上限值依据下深与确定钻井液密度上限值依据。伴伴伴伴随随随随地地地地层层层层孔孔孔孔隙隙隙隙间间间间流流流流体体体体压压压压力力力力增增增增大大大大，使使使使地地地地下下下下岩岩岩岩石石石石沿沿沿沿已已已已经经经经有有有有裂裂裂裂缝缝缝缝深深深深入入入入破破破破裂裂裂裂造造造造成成成成裂裂裂裂缝缝缝缝长长长长度度度度增增增增加加加加并并并并向向向向深深深深部部部部地地地地层层层层扩扩扩扩展展展展压压压压力力力力称称称称为为为为裂裂裂裂缝缝缝缝扩扩扩扩展展展展压压压压力力力力（fracturefracturepropagationpropagationpressurepressure），又又又又称称称称裂裂裂裂缝缝缝缝传传传传输输输输压压压压力力力力。裂裂裂裂缝缝缝缝扩扩扩扩展展展展压力通常比裂缝重张压力压力通常比裂缝重张压力压力通常比裂缝重张压力压力通常比裂缝重张压力稍大一些稍大一些稍大一些稍大一些。一、地下压力概念一、地下压力概念第18页 经经经经 常常常常 使使使使 用用用用 是是是是 地地地地 层层层层 破破破破 裂裂裂裂 压压压压 力力力力 梯梯梯梯 度度度度(Formation(Formation fracturefracturegradient)gradient)概念概念概念概念(破裂压力当量泥浆密度）：破裂压力当量泥浆密度）：破裂压力当量泥浆密度）：破裂压力当量泥浆密度）：一、地下压力概念一、地下压力概念第19页6 6、地层坍塌压力、地层坍塌压力、地层坍塌压力、地层坍塌压力(FormationCollapsePressure)FormationCollapsePressure)深部地层在原始地应力作用下处于平衡状态，当地层钻开之后，原先平衡被打破，在井壁围岩产生应力集中。从从从从力力力力学学学学角角角角度度度度来来来来说说说说，造造造造成成成成井井井井壁壁壁壁坍坍坍坍塌塌塌塌原原原原因因因因主主主主要要要要因因因因为为为为井井井井内内内内液液液液柱柱柱柱压压压压力力力力较较较较低低低低，使使使使得得得得井井井井壁壁壁壁周周周周围围围围岩岩岩岩石石石石所所所所受受受受应应应应力力力力超超超超出出出出岩岩岩岩石石石石本本本本身身身身强强强强度度度度而而而而产产产产生生生生剪剪剪剪切切切切破破破破坏坏坏坏所所所所造造造造成成成成。假如泥浆密度过低假如泥浆密度过低假如泥浆密度过低假如泥浆密度过低:n n 对对对对于于于于脆脆脆脆性性性性岩岩岩岩石石石石，井井井井壁壁壁壁应应应应力力力力将将将将超超超超出出出出岩岩岩岩石石石石抗抗抗抗剪剪剪剪切切切切强强强强度度度度而而而而发发发发生生生生剪剪剪剪切切切切破破破破坏坏坏坏，表现为井眼坍塌扩径，此时临界井眼压力定义为表现为井眼坍塌扩径，此时临界井眼压力定义为表现为井眼坍塌扩径，此时临界井眼压力定义为表现为井眼坍塌扩径，此时临界井眼压力定义为坍塌压力坍塌压力坍塌压力坍塌压力；n n而对塑性地层，则向井眼内产生塑性变形，造而对塑性地层，则向井眼内产生塑性变形，造而对塑性地层，则向井眼内产生塑性变形，造而对塑性地层，则向井眼内产生塑性变形，造成缩径。成缩径。成缩径。成缩径。一、地下压力概念一、地下压力概念第20页6 6、地层坍塌压力、地层坍塌压力、地层坍塌压力、地层坍塌压力(FormationCollapsePressure)FormationCollapsePressure)uu 因因因因为为为为钻钻钻钻井井井井过过过过程程程程中中中中入入入入井井井井循循循循环环环环介介介介质质质质与与与与地地地地层层层层之之之之间间间间会会会会发发发发生生生生不不不不一一一一样样样样程程程程度度度度物物物物理理理理、化化化化学学学学等等等等反反反反应应应应，引引引引发发发发地地地地层层层层应应应应力力力力和和和和强强强强度度度度特特特特征征征征随随随随时时时时间间间间和和和和空空空空间间间间而而而而改改改改变变变变，所所所所以以以以坍坍坍坍塌塌塌塌压压压压力力力力是是是是随随随随时时时时间间间间改改改改变变变变，取取取取决决决决于于于于循循循循环环环环介介介介质质质质性性性性能能能能、地地地地层层层层特特特特征征征征、地地地地层原始应力状态、井眼轨迹及钻进参数等。层原始应力状态、井眼轨迹及钻进参数等。层原始应力状态、井眼轨迹及钻进参数等。层原始应力状态、井眼轨迹及钻进参数等。uu同同同同一一一一井井井井眼眼眼眼同同同同一一一一地地地地层层层层钻钻钻钻井井井井方方方方式式式式不不不不一一一一样样样样，坍坍坍坍塌塌塌塌压压压压力力力力也也也也伴伴伴伴随随随随改改改改变变变变。如如如如气气气气体体体体循循循循环环环环介介介介质质质质条条条条件件件件下下下下，井井井井壁壁壁壁稳稳稳稳定定定定；而而而而改改改改为为为为普普普普通通通通钻钻钻钻井井井井液液液液钻钻钻钻井井井井，井井井井壁壁壁壁可可可可能会坍塌能会坍塌能会坍塌能会坍塌。一、地下压力概念一、地下压力概念第21页地下压力概念图示地下压力概念图示一、地下压力概念一、地下压力概念第22页2.12.1异常高压成因分类异常高压成因分类异常高压成因分类异常高压成因分类异常高压形成需具备异常高压形成需具备异常高压形成需具备异常高压形成需具备两个前提两个前提两个前提两个前提：(1)1)一定体积孔缝空间和孔隙流体；一定体积孔缝空间和孔隙流体；一定体积孔缝空间和孔隙流体；一定体积孔缝空间和孔隙流体；(2)(2)封存异常高压流体良好封闭环境。封存异常高压流体良好封闭环境。封存异常高压流体良好封闭环境。封存异常高压流体良好封闭环境。可表示为可表示为可表示为可表示为：一定体积地层岩石中孔缝空间体积；一定体积地层岩石中孔缝空间体积；一定体积地层岩石中孔缝空间体积；一定体积地层岩石中孔缝空间体积；一定体积地层岩石中孔隙流体体积。一定体积地层岩石中孔隙流体体积。一定体积地层岩石中孔隙流体体积。一定体积地层岩石中孔隙流体体积。异常高压异常高压异常高压异常高压最根本原因最根本原因最根本原因最根本原因：流体体积大于裂缝孔缝空间体积流体体积大于裂缝孔缝空间体积流体体积大于裂缝孔缝空间体积流体体积大于裂缝孔缝空间体积，有，有，有，有三种情况：三种情况：三种情况：三种情况：(1)(1)孔缝空间体积减小；孔缝空间体积减小；孔缝空间体积减小；孔缝空间体积减小；(2)(2)在原有孔隙流体基础上产生了新流体；在原有孔隙流体基础上产生了新流体；在原有孔隙流体基础上产生了新流体；在原有孔隙流体基础上产生了新流体；(3)(3)原有孔隙流体体积膨胀。原有孔隙流体体积膨胀。原有孔隙流体体积膨胀。原有孔隙流体体积膨胀。二、异常高压形成机制、分类与判别方法二、异常高压形成机制、分类与判别方法第23页异常压力成因条件各种多样，一个异常压力现象可能是由各种异常压力成因条件各种多样，一个异常压力现象可能是由各种异常压力成因条件各种多样，一个异常压力现象可能是由各种异常压力成因条件各种多样，一个异常压力现象可能是由各种相互叠置原因所致，其中包含地质、物理、地球化学和动力学原因。相互叠置原因所致，其中包含地质、物理、地球化学和动力学原因。相互叠置原因所致，其中包含地质、物理、地球化学和动力学原因。相互叠置原因所致，其中包含地质、物理、地球化学和动力学原因。但就一个特定异常压力体而言，其成因可能以某一个原因为主，其但就一个特定异常压力体而言，其成因可能以某一个原因为主，其但就一个特定异常压力体而言，其成因可能以某一个原因为主，其但就一个特定异常压力体而言，其成因可能以某一个原因为主，其它原因为辅。它原因为辅。它原因为辅。它原因为辅。(1)(1)不平衡压实作用不平衡压实作用不平衡压实作用不平衡压实作用(2)(2)结构挤压结构挤压结构挤压结构挤压(3)(3)水热增压水热增压水热增压水热增压(4)(4)生烃作用生烃作用生烃作用生烃作用(5)(5)蒙脱土脱水作用蒙脱土脱水作用蒙脱土脱水作用蒙脱土脱水作用(6)(6)浓差与逆浓差作用浓差与逆浓差作用浓差与逆浓差作用浓差与逆浓差作用(7)(7)石膏石膏石膏石膏/硬石膏转化硬石膏转化硬石膏转化硬石膏转化(8)(8)流体密度差异流体密度差异流体密度差异流体密度差异(9)(9)水势面不规则性水势面不规则性水势面不规则性水势面不规则性(10)(10)深部气体充填封存箱分隔和抬升深部气体充填封存箱分隔和抬升深部气体充填封存箱分隔和抬升深部气体充填封存箱分隔和抬升二、异常高压形成机制、分类与判别方法二、异常高压形成机制、分类与判别方法第24页2.12.1异常高压形成机制分类异常高压形成机制分类异常高压形成机制分类异常高压形成机制分类1 1、基于体积改变异常高压形成机制分类、基于体积改变异常高压形成机制分类、基于体积改变异常高压形成机制分类、基于体积改变异常高压形成机制分类ChilingarChilingar等（等（等（等（）依据细粒碎屑物上覆岩层压力、垂直有效应力）依据细粒碎屑物上覆岩层压力、垂直有效应力）依据细粒碎屑物上覆岩层压力、垂直有效应力）依据细粒碎屑物上覆岩层压力、垂直有效应力和孔隙压力间关系，将异常高压可能形成机制分为和孔隙压力间关系，将异常高压可能形成机制分为和孔隙压力间关系，将异常高压可能形成机制分为和孔隙压力间关系，将异常高压可能形成机制分为地层孔隙体积改地层孔隙体积改地层孔隙体积改地层孔隙体积改变变变变（减小）（减小）（减小）（减小）、孔隙流体体积增加、孔隙流体体积增加、孔隙流体体积增加、孔隙流体体积增加、流体压力改变及流体流体压力改变及流体流体压力改变及流体流体压力改变及流体运动三大类运动三大类运动三大类运动三大类：二、异常高压
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