随钻地层压力检测基本概念.doc

第五节 随钻地层压力检测

“正常”的地层流体压力大致等于流体液柱中的静水压力。地层流体压力有时比静水压力高，有时比静水压力低。两种“不正常”的压力条件都能引起钻井事故，而工业生产中最为关心的是异常高压，有时称之为地质压力。

一、 基本概念

1、静水压力(Hydrostatic Pressure)

静水压力是指单位液体重量与静液柱垂直高度的乘积。与液柱的直径和形状无关。
静水压力的计算公式如下：

式中 Ph－静水压力，kg/cm2
d－钻井液重量，g/cm3
H－垂直深度，m

2、帕斯卡定律(Pascal’s Law)

帕斯卡定律阐述了静止流体中任何一点上各个方向的静水压力大小相等。通过流体可以传递任何施加的压力，而不随距离的变化而降低。
根据帕斯卡定律，静水压力在液柱中给定的深度上，作用于任何方向上。

3、静水压力梯度（Hydrostatic Pressure Gradient）

静水压力梯度是指每单位深度上静水压力的变化量。这个值描述了液体中压力的变化，表示为单位深度上所受到的压力。其计量单位是kgF/cm2/m。
录井人员常用体积密度（g/cm3）来描述静水压力梯度，以便于同钻井液密度相对比。静水压力梯度的计算公式如下：

式中 HPG－静水压力梯度，kg/cm2/m
Ph－静水压力，kgf/cm2
Pv－单位体积质量，g/cm3
H－实际垂直深度，m。
应用体积密度（g/cm3）时，静水压力梯度HG的计算公式如下：

式中 HG－静水压力梯度，g/cm3

4、地层孔隙压力（Pore Pressure）

地层孔隙压力是指作用在岩石孔隙中流体上的压力。对于现场计算，孔隙压力与流体液柱的密度及垂直深度有关。
对于正常压力系统的地层，给定深度的真实孔隙压力等于液柱压力与流体流动的压力损失及温度效应的总和。
计算孔隙压力的公式为：

式中 PF－孔隙压力，kg/cm2
df－流体密度，g/cm3
H－真实垂直深度，m

5、地层孔隙压力梯度（Pore Pressure Gradient）

地层孔隙压力梯度是指单位深度上地层孔隙压力的变化量。
计算公式如下：

式中 PFG－孔隙压力梯度，kgＦ/cm2

孔隙压力梯度等于或接近于静水压力梯度时称为正常孔隙压力梯度；低于静水压力梯度时称为低压异常孔隙压力梯度，简称低压异常；高于静水压力梯度时称为超压孔隙压力梯度，简称超压。后两种孔隙压力梯度都称为异常孔隙压力梯度。同一地区，在不同的深度，可能会有几种不同的孔隙压力梯度。孔隙压力的上限通常等于上覆岩层的压力。

6、上覆岩层应力(Overburden Stress)

上覆岩层应力是指覆盖在该地层以上的地层基质（岩石骨架）和孔隙中流体的总重量所造成的压力。在石油领域中，上覆地层应力的数值可用与钻井液密度等效的压力或压力梯度表示。
上覆岩层应力的计算公式为：

式中 S－上覆岩层应力，kg/cm2；
ρb－区间平均体积密度，g/cm3；
H－深度，m。
岩石的体积密度与岩石骨架的密度、岩石孔隙流体的密度以及岩石孔隙度有关。
下面是有代表性的各种岩石、矿物和流体的体积密度：
表3－2 常见岩石及液体平均密度
物质
平均密度
g/cm3
砂岩
2.65
灰岩
2.71
白云岩
2.87
硬石膏
2.98
岩盐
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)
对于给定岩层的体积密度用以下公式加以定义：

式中 ρb－体积密度，g/cm3；
φ－孔隙度，％；
ρm－岩石骨架密度，g/cm3；
df－孔隙流体密度，g/cm3；

7、上覆岩层压力梯度(Overburden Pressure Gradient)

上覆岩层压力梯度是指单位高度上的上覆岩层应力。其计算公式为:

式中 ＰＯＢＧ－上覆岩层压力梯度，kgf/cm2/m；
S－上覆岩层压力，kgf/cm2；
L－某段地层的厚度，m。

8、基岩应力

当一个固态的物体受到压力时，在其中某一点上测得的压力可能在不同的方向上并不相同。基岩应力这个术语就是用来描述固体物质的压力分布的。基岩应力的集中可以形成地层压力异常，并在很大程度上影响了岩石破裂压力。岩层的破裂压力又决定了油井的套管程序和允许使用的最大钻井液密度。因此，基岩应力是在分析地层压力异常成因及参数分析计算时不可忽视的因素。

9、正常地层压力(Normal Formation Pressure)

正常地层压力是由所在地层以上的所有流体所施加给该地层的压力。上覆岩层压力全部由岩石骨架所承担，地层流体仅承载上覆孔隙液体的压力。
因为水是岩石中普遍存在的流体，一个给定深度的正常地层压力是地层水密度的函数。地层水密度主要与地层水矿化度有关。

10、异常地层压力（Abnormal Formation Pressure）和压力异常(Pressure Anomalies）

异常地层压力(Abnormal Formation Pressure)是指地层流体压力大于或小于计算所得的静水压力。
压力异常(Pressure Anormalies)是指任何地层流体液柱高度或密度与井眼中的流体液柱的差异所作用的结果。从技术上讲：压力异常是“正常”地层流体压力，它与异常地层压力对井眼的效应是相同的。
对于任何异常地层流体高压，部分上覆地层载荷已经从岩石骨架转移到了地层流体中。如果钻井液的压力低于地层流体压力，就会发生流体溢出，直到压力平衡为止。这种流体溢出就是通常所说的井涌（KICK）。

11、当量钻井液循环密度（ECD-Equivalent Circulation Density）

当量钻井液循环密度（ECD）是相当于井底循环压力(BHCP)的钻井液密度。井底循环压力等于钻井液的静水压力加上以实际钻井液流速在环空中损失的压力（ΔPann）。

12、压差（Differential Pressure）

压差(ΔP)是井底计算压力和地层压力之间的差值。
即

式中 ΔP－压差，kgf/cm2；
PBHC－计算井底压力，kgf/cm2；

PF－地层压力，kgf/cm2。
ΔP是在现场钻井活动中与其它许多活动有关的重要参数之一。
如果ΔP是负值（PF ＞PBHC），可能会产生如下结果：
①来自地层的油气侵入井眼。
②钻速(ROP)加快。
③非渗透岩层坍塌。
④渗透性岩层发生井涌。
⑤软岩层出现井眼跨塌。
如果ΔP的值接近于零（PF ＝PBHC），可能会产生如下结果：
①岩屑中有较好的气体显示。
②由于循环暂停和钻杆的运动，钻井液柱压力下降，出现起下钻气体显示。
如果ΔP是正值（PF ＜PBHC），可能会产生如下结果：
①钻速(ROP)降低。
②由于钻井液对地层的冲洗，渗透层的气体显示较差。
③由于钻井液对地层的冲洗，电测响应差。
④使钻井中的固体物质注入地层孔隙中，储层被破坏。
⑤可能从地层已有的裂缝中发生井漏。

在大多数钻井条件下，ΔP必须大于零。这样做虽然会导致钻速小于最优钻速，但可以使钻进过程中井涌发生的可能性变得最小。更为重要的是，有一个较小的正压力差，可以补偿起下钻时的抽汲压力降。

13、地层破裂压力（Formation Fracture Resistance）

地层破裂压力或地层抗破裂压力，是将地层压裂所需要的液柱压力。地层破裂压力是石油工业上研究最多的课题之一。油井开采中常常故意压裂储层岩石以增加低渗层的产量。但是，钻井过程中发生的地层岩石被压裂破碎却可能引起严重的问题，甚至可以使油井报废。
当钻穿异常高压带时，钻井人员必须提高钻井液的密度以平衡地层流体压力。可是，钻井液的循环压力却不能大于井眼中最弱的岩层的破裂压力。
对应于不同的深度，把一口设计井的所有的破裂压力值绘成一幅曲线图，用来描述破裂压力梯度。破裂压力梯度可以：帮助我们确定下技术套管的深度，确定控制井涌时的最大环空压力，实施增产措施时，控制人工破碎储层的压力。
大多数情况下，在一个给定的裸眼井中，最软的岩层往往是位于最后一层套管鞋下面的第一个渗透层。如果钻井液压力大于破裂压力，该岩层就会发生井漏。井漏的发生又可能导致在漏失层的下部负压差的出现，可能引发井涌或井喷。因此，就限定了有一个极限的深度，即在没有下入另一层套管的情况下，在异常压力带可以钻达的最大深度。

14、泄漏试验（Leak-Off Test）

地层泄漏试验是在现场确定裸眼井段允许使用的最大钻井液密度的一种试验方法。在新下入套管位置以下钻入几米，由钻井施工人员进行测试。如果在这之下没有更高渗透率的岩层存在，这部位就是最软的部位。测试的结果，转换成相应的钻井液密度，从而确定该层位在不发生井漏的情况下允许使用的最大的钻井液密度。
作业公司通常仅在一个新区的最先打的几口井才作泄漏试验。这项测试应当在下入套管的坚硬地层以下的第一个孔隙地层里进行。测试包括在地面关井，然后加压，至到钻井液开始注入地层
典型的漏失测试包括如下步骤：
(1)下套管固井后，下钻循环，试压，再钻穿套管鞋，钻入套管鞋下面新的地层最少３米。
(2)起钻到套管鞋。
(3)使钻头位于套管鞋深度，停泵，使钻井液静止，关闭方钻杆旋塞及防喷器（环空及钻杆防喷器心子）。
(4)使用固井设备从节流管线缓慢地向井眼环空注入钻井液。注钻井液过程中注意压力的变化以及注入钻井液的体积。
(5)在钻井液开始挤入地层之前，压力的增加基本上是呈线性的。开始脱离线性变化那一点的压力就是漏失压力。
(6)继续注入钻井液后压力曲线变得平缓，至到压力不再增加。在压力不变的那点上，就开始向地层孔隙和裂缝中注入钻井液。出现这种现象的那点的压力就是注入压力。
(7)到达注入压力点，立即停泵，关闭节流管线，注视压力的变化。正常情况下，关闭压力将下降，到达一个略高于漏失压力的平衡点。该平衡点上的压力叫做放压压力。
应监控测试过程中注入的钻井液的量以及放压以后回收的钻井液量；损失部分或全部钻井液意味着地层的漏失或固井失效。
(8)维持放压压力几分钟以确保没有岩层破裂发生。
(9)如果放压压力保持不变，打开节流阀排出剩余压力，钻井可继续进行。测试结果可能很难解释。偶尔，软地层可能完全漏失，操作者必须进行处理才能继续钻进。记住，井漏发生处是整个垂直井深中最弱的点（常常位于套管鞋下），不一定是井底。
漏失压力确定了漏失点的井底压力，据此可以确定所允许使用的最大钻井液密度（ECD）。

图3－24 地层泄漏试验压力演变图

漏失井底压力：

式中 PBH－井底压力，kgf/cm2；
d－钻井液密度，g/cm3；
H－垂直深度，m；
PLOT－漏失压力，kgf/cm2。

最大允许使用的钻井液密度（dmax）：

泄漏试验有可能会引起地层完全破裂，因此，有时使用一种新的测试方法，即所谓的地层完整性测试（Formation Integrity Test）或者叫地层注入测试（FIT－Formation Intake Test）来代替地层泄漏试验。在FIT测试中，钻井人员对套管鞋以下地层施加一个稍微比估计破裂压力小的压力。如果在该压力下没有井漏发生，测试就算成功。FIT测试有一个缺点就是不能测出真实的漏失压力。如果在钻井过程中钻井液密度必须提高到FIT限定的密度值以上时，有可能引起井漏。
综合录井应用软件中一般均配备有泄漏试验程序，它可以实时地监控和记录测试压力。测试数据可以根据时间、体积、以及体积和时间进行回放。测试结果可以被打印出来，作为生产报告的一部分。

二、异常地层压力的成因

异常地层压力可能比静水压力高或者低，但是在石油和天然气勘探开发中人们最关心的是异常高压。
有很多地质过程影响压力的形成，大多数的异常压力可能是由下列诸多因素的相互作用引起的：压力“封闭层”、压实作用、大地构造效应、成岩作用、温度效应、流体密度效应、流体运移效应等。对一个特定地区的异常压力条件可能是由以上几个因素的结合引起的。

1．压力“封闭层”（Pressure “Seal”）

压力“封闭层”的作用是限制地层流体从高压区向低压区的运移或压力的散失。压力“封闭层”是形成地层压力异常的必要条件。
压力“封闭层”类型包括：
(1)低孔隙度岩石的沉积，如致密的碳酸盐岩、岩盐、石膏或硬石膏、粘土岩或页岩。
(2)盐类或页岩的刺穿构造的形成。
(3)断层在渗透性岩层中置入非渗透性岩层，限制了流体的流动。
(4)盖层的厚度控制着由于漏失而使压力达到平衡的总体时间。

(5)任何其它的阻止地层流体流动的物理或化学条件。

2.压实作用（Compaction Effects）

在沉积作用过程中，大多数的沉积物含有一些水（自由水或结合水）。尤其是海相的粘土物质在掩埋时有高达80%的含水量。作用在沉积物孔隙水上的上覆沉积物的重量（上覆压力）随着埋藏深度的增加而增加。
如果有一个向上排替水的运移通道，压力就会维持正常静水压力。有时，由于某种因素限制了地层的渗透性或者埋藏的速度超过了水被排挤出的速度。这种情况下，压实作用减慢，把部分其后沉积的固体物质的重量施加到孔隙流体中。孔隙流体就会呈现异常高压，见图3－25。阻挡流体流动、减慢压实作用的因素就是压力“封闭层”。封闭层（岩盖）可能就在异常压力岩层的内部，也可能位于流体流动方向的上部。

图3－25 地层压实作用原理图
(1)、压实趋势
在许多地区海相粘土物质的孔隙度随着深度的增加按可以预测的趋势减小。许多地区，粘土孔隙度的减小呈一条指数曲线。
一种纯粘土胶结的沉积物孔隙度曲线，绘制在半对数坐标中，大致呈一条直线。这条曲线形成一种压实趋势，可以用它来预测在任何深度上同种沉积物的孔隙度（或密度）。根据趋势线的偏差，可以很容易地看出“正常”孔隙度曲线上的变化量。不同地区有各自的压实趋势，它是应力、温度和化学作用的综合影响的结果，见图3－26。

图3－26 页岩压实趋势图

2)、压力过渡带（Transition Zone）

在岩石层序中若包含有厚层的海相页岩，来自渗透层异常高压带的流体可以渗透到上覆页岩中去。从静水压力到异常压力随着深度的变化形成了一个过渡带，见图3－27。
如果粘土胶结的沉积物中包含有一个异常高压带，那么该带的孔隙度比同样深度的正常压实地层的要高。因此，把与孔隙度相关的参数，绘制在半对数坐标纸上，可能表现为背离沉积趋势线上的一个过渡带。趋势线的变化可能是突变的，也可能是渐变的，这与压力“封闭层”的类型和压实作用有关。

图3-27 过渡带原理

钻井过程中及时发现和识别压力过渡带是实现地层压力预测的前堤。压力过渡带是对下部地层压力异常的预警。
异常压力地层并不总是有过渡带。在许多地区，由于粘土或页岩层太薄或者同其它沉积物混杂或者由于压力盖层可能是一个断层或者是非渗透性的岩层等原因，过渡带很薄或者并不存在。

3.构造因素

在构造作用活动区域，构造因素无疑是异常压力形成的主要原因。由于现场资料的缺乏，构造作用效应很难定量化。
(1)、正常压实地层的抬升
地壳上升力和地表侵蚀力的共同作用，可以把埋藏在深部的岩层抬升到近地表。如果在抬升和侵蚀过程中有某种因素限制了流体的运移，该地层就会由于深度因素而形成异常高压。
压力梯度的大小与埋藏深度和抬升量有关。抬升量相同时，埋藏深度越浅压力梯度越高。图3-28显示了不同抬升深度的效果。

图3-28 地层抬升过程形成异常压力的原理

(2)、应力场的变化
构造活动导致了区域应力场力的大小和方向发生变化。构造应力和上覆应力影响着沉积物沉积的速度和岩石固化的速度。
在特定的沉积物中，构造应力的聚集比流体的排替速度快，就出现流体超压。在披覆构造中，上覆非渗透性沉积物的快速堆积可能引起极度的超压层的出现。

图3-29 压力“桥”的概念

构造力有利于维持超压。流体压力比上覆压力高时，可能引起流体压裂地层和上覆岩层的抬升。但是如果上覆岩层是致密的（如白云岩），构造应力就可以帮助建立一个压力“桥”使上覆岩层固定在一个适当的位置上（图3-29）。局部来讲，压力的“桥”是一个盖层。在少数地区，地层流体压力可以比上覆岩层压力高出40%。
(3)、断层和断裂
对于地层流体压力，断层可能有几个不同的效应，这与断层的位置和类型有关（图3-30）:
1)正断层往往是开放的、形成有效的流体通道。当储层断开与非渗透层接触时可形成有效的摭挡。
2)逆断层往往是关闭的、形成有效的遮挡物，尤其是在周围地层发生变化的情况下。
3)节理是一种位移很小或没有位移的断裂，往往是有效的流体通道。但在塑性地层（盐岩、粘土、硬石膏等）中的断裂能产生一定的封闭作用。

图3-30 封闭断层对异常压力分布的影响

(4)、刺穿作用
盐丘对上覆岩层的侵入（刺穿）可以导致盐丘的顶面和侧面形成异常地层压力（图3-31）。刺穿作用给盐丘周围的围岩施加应力，非渗透性的天然盐限制了流体的运移。

图3-31盐丘刺穿造成的异常压力效应

4.成岩作用

成岩作用是使岩石矿物在地质过程中发生化学变化的过程。粘土胶结的沉积物和一些蒸发岩沉积物，经过成岩作用形成正常压实地层。
石油和天然气的生成也是一个成岩作用过程。从固体有机质转变成液体或气体的碳氢化合物使其密度减小、体积增大，在封闭或半封闭环境中可以形成超高压。
(1)、粘土的成岩作用
粘土矿物微观上呈片状，极易结合水（吸咐水）。水在粘土物质中存在的形式有自由（孔隙）水和层间结合）水。
沉积过程中，蒙托石（微晶高岭土）可能含有50-80%的自由水和层间水。可以有多达十个夹层的层间水。
根据贝斯特（Burst）脱水模型（1969），随着埋藏深度的增加，蒙托石经过三个阶段的脱水，最终形成伊利石。如果这些脱出的水的运移受到限制，随着释放出来的水的体积的增加，有可能产生异常压力。
(2)、从石膏转变成硬石膏和水的成岩作用
石膏（CaSO4·2H2O）在被埋藏以后，很快脱水转变成硬石膏（CaSO4）。转变的深度（大约为600m）随上覆压力、地温梯度、原始含水饱和度而有所变化。
转变过程使固体物质的体积减小了38%，但是总的体积却增加了，这是由于压实过程中释放出来了结合水。在硬石膏层与束缚水的循环形成的结合带可能形成异常高压。
(3)、碳氢化合物的成岩过程
碳氢化合物的形成也是一个成岩过程，并可能引起超压的形成，尤其是在该过程产生自由气体时更是如此。在浅层（小于250m），细菌作用使沉积物中的有机质腐败，产生生物沼气。由于缺乏非渗透性的盖层，气体会向地表扩散。但是在有些地区，可形成浅层气，钻遇这种浅层气是浅层钻井的主要灾害。
随着埋藏深度增加，有机物质的化学“裂解”形成碳氢化合物，同时使重烃裂解形成轻烃。烃分子数量的增多意味着它将会占据更多的空间。很明显，在半封闭的环境中的含烃带地层压力将会升高。
烃类油藏容易产生压力异常，尤其是在有大量气体存在时更是如此。

5、温度效应

沉积物的重力载荷往往会使沉积物内部的温度升高。另外，在埋藏时形成的地温梯度，随着沉积物总体密度的不同而有所变化。在温度升高时，水的体积略有增大。这就意味着地层水的温度对异常压力也有影响。
由于温度对成岩作用的影响，那么温度就是影响异常压力的一个间接因素。
沉积物埋藏过程中，压实效应和温度效应都有助于在被盖层隔离的含水沉积物中产生的异常流体压力。

6、流体运移效应

流体运移效应包括钻开的岩层与超压层的联通以及地层流体等势面的差异造成的压力异常，如图3-32所示。

图3-32 不同压力系统联通的实例

在低于含水层等势面的地面上钻井，当钻入含水层时，使用“标准”密度的钻井液也会导致井涌或井喷，（图3-33）。

图3-33 从等势面产生的压力异常实例

三、随钻地层压力的检测工作程序

联机工程师有以下四点主要义务：
1、通过对钻井中获得的测量参数进行分析对比，确定或调整估计的地层流体压力值。
2、通过利用钻井阶段的实测资料，确定或调整地层破裂压力值。
3、帮助现场钻井人员优选使用钻井液密度及其它常规井控所需要的参数；定期或经常同用户交流压力信息。
4、一旦发现地层压力异常的信息，及时处理，减小二次井控的风险和投资。
在进行随钻地层压力评价时，在不同的钻井阶段应做的工作如下：
1、开钻前收集与压力有关的资料数据
邻井的电测井资料（声波和补偿地层密度测井）；
邻井的随钻录井图；
邻井的地层压力或综合录井图；
地震压力预测图；
邻井完井报告。
2、录井前准备
(1)、使用压力图以预计该地区‘正常’地层压力梯度以及异常压力带的顶部位置。
(2)、检查综合录井图和完井报告，寻找异常压力信息、可能的漏失带、可能引起压力评价困难的地质条件（碳酸盐岩/蒸发岩带、不整合、断层等）。
(3)、如果有该区域压力梯度数据，应计算出设计井中到第一个套管鞋位置的压力梯度。如果是在海上还要包括水深和空气间隔的计算。
(4)、如果有当地的泊松比系数，应估计设计井到第一个套管鞋深度的破裂压力梯度。
(5)、如果没有当地的用于计算上覆压力和破裂压力梯度的有关系数，分析岩性录井图以确定开始钻井应该使用的合适的软地层或硬地层系数。
(6)、参考施工井的钻井设计，明确钻井计划以及出现异常压力的可能深度。
(7)、在海上，如果实际的水深和空气间隔与设计值不符时，重新计算上覆压力梯度。
(8)、同地质监督和用户商讨，确定对压力报告的要求：系统单位、录井图比例、每天汇报时间以及当压力参数变化时应该向谁汇报等。
(9)、选择压缩深度比例（1/5000或更小）绘制所有与压力相关的录井图，以便于确定趋势线和允许进行校正处理。
3、钻井过程中应做的工作
(1)、根据设计井区的地质特征，确定使用合适的地层压力检测方法，使用‘d’指数及Sigma指数的一种或两种方法同时使用；使用最适合当地条件的工作方法；尽可能进行实时解释。
(2)、对所有井段的纯页岩按采样间隔测定页岩密度。
(3)、通过背景气的出现或消失、单根气和起下钻气监控压差变化。
(4)、如果是定向井，在进行解释和提交给现场人员之前，重新按照定向井的真实垂直深度计算压力参数。
(5)、每天最少绘制出两份综合录井图和压力检测图供地质监督和用户查阅；保证任何时候录井图都是及时绘制的。
(6)、如果出现井涌，使用关井钻具压力（SIDPP）来计算地层流体压力。
(7)、要保证对所有录井图的及时备份，录井房内悬挂综合录井图，以便于快速查阅。
(8)、作好钻井日志，记录与压力相关的事件，对专门的压力评价过程和方法要保持单独的文件目录，以便让其它录井人员参考。
4、在每次下套管时应做的工作
(1)、收集声波测井资料，以便重新计算各井段的上覆压力梯度。
(2)、如果有重复地层测试器（RFT）的压力值，使用它们来计算正常地层流体压力梯度。
(3)、当钻穿新的套管鞋时，如果有地层泄漏试验数据的话，使用这些数据来重新计算破裂压力梯度和当地泊松比系数。
5、完井时应做的工作
(1)、使用电测井资料（声波、RFT等）重新计算上覆压力系数、地层流体压力梯度和泊松比系数。
(2)、应用中途测试（DST）的初始关井压力（ISIP）值来对地层流体压力梯度进行重新计算。
(3)、使用校正后的参数，作出最终的综合录井图和压力录井图。
(4)、评价在该井中使用的压力评价方法的经验及教训，并在完井报告中反映出来。
(5)、把遇到的任何特殊情况，使用新的压力检测方法或其它事项告诉当地油田基地，以便能够帮助他们今后改进在该地区的钻井服务。

四、“d”指数地层压力检测法

1、d指数来源和基本计算方法

钻速（ROP）受岩石体积密度和压差的影响。欠压实地层的体积密度比该深度下的预计密度要小。因此，钻速是异常压力的重要标识。
但是钻速方法是压力检测中的不可靠的方法。所有类型的地面和井下参数都对钻速的变化产生影响，比如，很难区分出是压实效应，还是由于钻压的变化引起的钻速变化。
在钻头和地层表面的一个复杂的交互面上受地层可钻性的影响。为计算方便，地层可钻性由宾汉（Bingham）(1964)给出的一个钻进速度方程来定义：

式中 R－钻速，ft/min；
N－转盘转速，r/min；
W－钻压，p；
D－钻头直径，in.；
a－岩性常数，无量纲；
d－压实指数，无量纲。
约翰（Jordan）和希尔利（Shirley）(1966)省略了岩性常数‘a’，并用其它经验常数来解决宾汉的‘d’指数问题。
为了求解‘d’指数，约翰和希尔利方程成为：

式中 R－钻速，ft/h；
N－转盘转速，r/min；
W－钻压，kN；
D－钻头直径，cm。
1971年由雷姆（Rehm）和迈克林顿（McClendon）第一次提出了校正的‘d’指数（dc）。钻井液密度校正公式为：

式中 d－‘d’指数，无量纲；
dc－校正‘d’指数，无量纲；
d1－正常静水压力梯度（等效钻井液密度单位），ppg；
d2－当量钻井液密度（ECD），ppg

Geoservices使用另一种校正版本的‘d’指数，叫做dcs。dcs 与dc 的不同在于引入了一个钻头磨损系数。而大多数的泥浆录井公司使用dc指数（校正钻井液密度或ECD）进行压力计算。在API单位制下dcs方程是：

式中 R－钻时，min/ft；
W－钻压，lbs；
N－转盘转速，r/min；
D－钻头直径，in.。
f(Z)－钻头磨损系数，无量纲；
d1－正常静水压力梯度（等效钻井液密度单位），ppg；
d2－当量钻井液密度或ECD，ppg。
p－钻头类型指数，无量纲；
下表显示‘p’指数值和与之对应的IADC值：

IADC
‘p’指数
1
0.6
2
0.5
3
0.4
4
0.3
5
0.2
6
0.1
7
0

国内常用dc计算公式如下：

式中 dC―校正d指数值，无量纲；
RPM―转盘转速，r/min；

ROP―钻时，m/min；
WOB―钻压，kN；
Db ―钻头直径，mm；
Gn ―正常液压梯度，g/cm3；
ECD―当量钻井液密度，g/cm3。

2、dcs及其解释

在正常压实页岩中，在半对数坐标上绘制出dcs－井深图，描述了压实作用增加的一种线性趋势（dcn）。该图与页岩密度图相似。虽然在地质情况清楚的地区可以使用标准的趋势线，但是地质专家还是绘制出了对于每个地区的经验趋势线（图3－34）。
为了确定趋势线，联机工程师必须选择具有代表性的纯页岩的dcs值。通常，有代表性的岩性层段必须大于150m。选择井段的起始井深的平均值和终止井深的平均值将作为计算dcn的基本值然后联机工程师就可以计算出曲线的斜度系数和趋势线的偏移量。
趋势线的斜度a:

偏移量系数b：

式中 H1－上部dcn值的深度；
H2－下部dcn值的深度；
dcn1－上部dcn值；
dcn2－下部dcn值。

图3－34 dcn 趋势线的确定概要图
如果选择井段具有不间断的压实史，趋势线将延伸到具有基值的井段以上或以下。可以用作计算机计算和地层压力评价，趋势线上的任何一点上的位置都可以通过下式计算：

式中 H－目标层深度，m。
一般地说，整口井的斜率有一固定值，而偏移量随着钻井过程的进行而不断变化。在纯页岩层中，dcs 值变到dcn 趋势线左边表示有欠压实或负压差过渡带的存在。而dcn 的值向右偏移，说明是中性的或正压差，或“超压实”，比如盖层带。
通常，砂岩的孔隙度比页岩的平均孔隙度要高。因此，钻穿砂岩层时，由于与压实作用有关的原因，可能导致dcs 趋势线向左偏移（参见图3－35）。通过dcs对砂岩地层压力计算可能出现错误的超压值。为了消除这个问题，引入了一个“砂岩线”截断法。

图3－35 dcs随钻头、底部钻具组合特征变化示意图

注意了解dcs 和dcn之间的关系。当在斜井计算dcs时，特别注意要根据实际垂直井深（TVD）而不是测量井深来计算出dcs值和压实趋势线。另外，有几个与钻头和地层有关的因素可能使dcs/ dcn的值发生偏移。
图3－35显示dcs是如何随钻头、底部钻具组合特征而发生变化的，这即使采用了钻头磨损系数校正因子时也是如此。当井眼直径、钻头类型、钻具组合和水动力发生变化时，dcs的值也会随着发生偏移。
图3－36显示dcs是如何随地层条件发生变化的。在页岩段，通过适当的解释，计算往往是理想的。例如，在浅井钻探中，未固结的岩层可能产生错误的dcs值。在这样的地层，钻头主要的作用是介于对钻井液的喷射和牙轮的冲击之间。
钻穿不整合面时，由于压实趋势的间断，引起dcs值向右偏移。而趋势线斜率（在对数坐标上）应该维持不变。
砂质泥岩层的值可能不可靠。岩层中的孔隙度的变化可能导致错误的dcn的值。
非页岩层提供的结果也是不可靠的。砂岩带的钻进速度比页岩带快，因此，dcs的值主要是向左偏移。而碳酸盐岩提供分散的、错误的值。
有时联机工程师必须手工移动dcs和dcn曲线，以使它们维持适当的关系。如果原来的偏移明显地是由于钻头变换和地层的不整合造成的，那么只需移动dcs或dcn其中之一。不要用相关的偏移量对其它任何地层的‘d’指数进行调整。
对于某种类型的地层，dcs计算是非常有用的（比如在压实页岩层），但是公认仅仅凭它却不能断定异常压力层。应该结合其它与压力相关的参数，并仔细检查计算机处理的dcs值，以便得出更加准确判断。

图3－36 由于地层条件而引起的dcs 的变化

3、上覆压力计算

根据压裂试验数据、声波测井数据、密度测井数据等计算上覆岩层压力梯度、基岩应力系数和波松比。并回归出上覆岩层压力梯度与井深、基岩应力系数与井深的曲线方程。
（1）基岩应力系数 K

式中 Gp－地层孔隙压力梯度,g/cm3；
Go－上覆岩层压力梯度,g/cm3；
Gf－地层破裂压力梯度,g/cm3。

式中 ρm－井内泥浆密度,g/cm3；
Pl－地层漏失时立压,kPa；
H－井深,m；
Hb－海床深度,m；
Hw－海水深度,m。
（2）上覆岩层压力梯度 Go

式中 ρb－地层密度,g/cm3；
ΔH－井深间隔,m；
H─井深,m。

式中 ρrm─基岩密度,g/cm3；
Δti─地层声波时差，μs；
Δtrm─基岩声波时差，μs；
Δtf─泥浆声波时差，μs。

（3）上覆岩层压力
上覆岩层压力和波松比的计算是根据初始给定数据和公式。
1）上覆岩层压力

式中 H─垂深，m；
A，B，C─系数。
法国GEOSERVICES公司推荐值为：
硬地层：A＝0.0334；B＝-0.3439；C＝2.9986
软地层：A＝0.0301；B＝-0.3278；C＝2.9015
（4）波松比 μ
根据输入的波松系数首先求基岩应力系数 K

式中 KA，KB―系数，推荐值为：
硬地层：KA＝0.354；KB＝-3.1846
软地层：KA＝0.266；KB＝-2.351
波松比：

4、地层压力计算

（1）正常压力层
当dc指数曲线位于左边界右侧时，则认为该地层为正常压力层，地层压力等于正常的地层液压梯度，根据地区不同一般在0.97-1.06g/cm3。即

式中 Pf―地层压力系数。
（2）渗透性地层
当dc指数曲线位于砂岩线左侧时，则认为该地层为渗透性地层，该段地层压力继承上覆欠压实地层的地层压力。即

式中 PＦＲ―上覆地层压力系数。
（3）欠压实地层
当dc指数曲线位于左边界与砂岩线之间时，则认为该地层为欠压实地层，根据dc指数计算地层压力：

5、地层破裂压力计算

式中 Frac―地层破裂压力。

6、地层孔隙度计算
dc指数在砂岩线左时

dc指数在砂岩线右时

式中 －地层孔隙度，％。
ρv―泥页岩体积密度，g/cm3；
ρmx―基岩密度，g/cm3。

五、 Sigma录井

1、Sigma录井的来源
Sigma录井是另一种地层压力评价方法，是在二十世纪七十年代中期，由意大利石油公司AGIP在坡(Po)山谷钻探时提出来的。在不连续的砂泥岩层或石灰岩层中，从‘d’指数计算出的压力数据不可靠，并且很难建立一条连续的压实趋势线。另外，‘d’指数的计算也不能直接补偿压差的变化，而压差对井眼的冲洗和钻速的影响都是非常大。Sigma录井对这些参数进行了优选，并成功地运用在全世界的粘土质地层录井中。
另外，用户可以对用作压力计算的不真实的高值或低值进行处理。该顶功能对应于用来计算‘d’指数的‘砂岩线’。
‘d’指数的趋势线变换是对连续地层钻井参数进行补偿，而Sigma指数变换是对混合型的粘土质地层的钻井参数进行补偿，趋势线一般的斜率为0.088，它被证实在欧洲和北海地区都是正确的。其它的地区可能需要不同的斜率值，用户可以对斜率值进行修改。
2、原始Sigma(σt)
基本的Sigma计算包括两个部分。第一部分关于岩石的可钻性的确定；第二部分关于压差的影响。
首先，需确定原始Sigma(σt)值，它是无量纲的：

式中 WOB－钻压，t；
RPM－转盘转速，r/min；
Dh－钻头直径，in；
ROP－钻速，m/h。）
不同参数之间的关系是经验性的。在理论上讲，在同样的深度钻穿相同的岩层，除不同的钻压、转速、钻头直径和钻速外，‘σt’的值对于两个同类钻头应该相同。在实际运用中，由于钻井参数的不断变化，可能引起‘σt’值的一些变化。
3、对浅层井眼条件下校正后的原始Sigma值（σt1）
当把‘σt’的值对应于井深绘图时，有大量的‘σt’的点比平均值大或小。这在浅井中尤为明显。正因为如此，计算中使用了一个校正系数计算调整后的原始Sigma值（σt1）：

式中 L－井深，m。
一般说来，当值（σt1≤1）时代表砂岩，当值（σt1 >1）时代表页岩。
4、“井眼清洗系数”（n）
变量‘n’是地层孔隙度和渗透率的函数。当井底压差为正值时，岩石的孔隙度和渗透率确定岩层内部流体压力何时才能与钻井液压力相等，反过来将影响到岩屑能被钻井液带到地面的速度（“岩屑沉降效应”）。因此，‘n’描述钻井液把岩屑从钻头上冲洗掉的效率。
‘n’的计算有两种方法，这与‘σt1’的值有关：
如果，则

如果则

由此可见页岩的‘n’值比砂岩大，页岩层井眼清洗效率比砂岩的要低。
5、压差的影响（F*）
变量F*描述了压差对地层可钻性的影响。这里要有一个已知的对于每个目标层的压差值。
实际的压力差为：

式中 ΔP－压力差，kgf/cm；
ρ－钻井液密度，kg/l；
PH－正常地层流体压力梯度，kg/l；
L－深度，m。
PH的值是由局部地层流体的平均密度确定的。通常，由于缺乏对局部地层信息的了解，操作员必须估计出PH 。一般地说，‘ΔP’值的增加引起钻速的减慢，而‘ΔP’的减小引起钻速的加快。当ΔP的值为零或接近于零时，钻速最大。钻速相对于‘ΔP’的变化是非线性的。
为了计算Sigma值，压差的影响被描述为一个系数：‘F*’。对于