樊洪海老师-地层孔隙压力检测预测技术研究进展(改进版)

地层压力分析方法与应用中国石油大学(北京)樊洪海（教授）一、地下压力概念介绍二、异常地层压力的形成机制与判别方法三、上覆岩层压力的确定方法介绍四、地层孔隙压力的确定方法介绍4.0地层孔隙压力确定方法概述4.1测井资料计算地层孔隙压力的方法4.2钻井工程(录井)资料计算地层孔隙压力的方法4.3地震层速度资料预测地层孔隙压力的方法五、地层破裂压力的确定方法介绍六、两维和三维压力计算方法及应用七、地层坍塌压力的确定方法介绍八、地层压力分析软件V3.0版介绍内容提要参考书0、地下岩层的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此外力相对抗以保持平衡的内力。单位面积上的内力称为应力。岩石内部产生的并作用在地层单位面积上的力称为地应力（geostress）。一、地下压力的概念与水静压强不同，地下任一点处地应力在各方向上大小不同，用三个主方向的主应力来描述地应力：垂直方向的垂向地应力（verticalgeostress），水平方向的最大水平地应力（maximumhorizontalgeostress）和最小水平地应力（minimumhorizontalgeostress）通常，三个主方向上的地应力是不相等的，地层中的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。在三个主地应力中，地层岩体重量、地质构造运动、地层流体压力及地层温度变化是水平地应力的产生原因；地应力的垂向分量主要受地层重力的控制，基本等于上覆岩层的重量。一、地下压力的概念根据一个地区有无受到构造运动的影响以及构造运动的形态，可将水平地应力分为三种情况：（1）未受到地质构造运动扰动过的沉积较新的连续沉积盆地，属于水平均匀地应力状态。其水平地应力只来源于上覆岩层的重力作用；（2）受到地质构造运动的影响，但构造力在水平各个方向上均相同。因此仍属于水平均匀地应力状态；（3）最普遍的情况是，构造应力在两个水平主方向上是不相等的。有两种情况，一种是：eHehev这意味着水压裂缝是水平的。而对我国的大多数油田，地应力的实测表明是另一种情况：eHeveh也就是说，最大和最小地应力都是作用在水平方向上。而垂直的有效上覆岩层压力为中间值，对于这种应力状态，地层的水压裂缝的形态为垂直的。1、静液(水)压力(HydrostaticPressure)静液压力(hydrostaticpressure)是由静止液柱的重量所引起的压力，简称静压，如钻井液液柱对应的静液压力，某一深度处的海水对应的静水压力等。如果这里的流体特指地层水，则为静水压力：通常把单位深度增加的静水压力称为静水压力梯度(pressuregradient):式中，—某一深度处的地层水密度，通常取1.01～1.04g/cm3，g—重力加速度，9.81m/s2；h—计算点所对应地层埋深；一、地下压力的概念hwpghhwGgwhG常温下孔隙水矿化度、密度和静液压力梯度孔隙流体矿化度(ppm)密度(3/cmg)静液压力梯度(kPa/m)淡水0~60001.0~1.0039.81~9.84微咸水7000~500001.004~1.0289.85~10.085盐水60000~3300001.033~1.19310.13~11.703在油气钻井工程领域，通常用当量钻井液密度来表示压力梯度，即计算点所在深度处的地下压力与同深度下平衡这个压力值的钻井液柱所需要的密度，常用单位为g/cm3式中，pi-某一地下压力，实际应用时以该压力英文名称的小写首字母表示。一、地下压力的概念iipgh2、上覆岩层压力(OverburdenPressure)某一深度以上地层岩石骨架和孔隙流体总重力产生的压力：式中，—上覆岩层压力；—海水密度（陆上为0）;h—计算点垂深；—地层孔隙度；—海水密度；—岩石骨架密度；—地层孔隙流体密度.经常使用的是表示为当量钻井液密度的上覆岩层压力梯度。一般采用上覆岩层压力梯度的理论值为22.7kPa/m(假设岩石骨架密度为2.5g/cc，孔隙度为10％，流体密度为1.0g/cc)。实际上,由于压实作用及岩性随深度变化,上覆岩层压力梯度并不是常数,而是深度的函数；而且不同地区,压实程度、地表剥蚀程度及岩性剖面也有较大差别，故上覆岩层压力梯度随深度的变化关系也不一定相同。实际应用时，应根据本地区地层的具体情况来确定。一、地下压力的概念oswswmaf0(1)dhpghghswmafopswhooswswmaf01[(1)]dhpGghghhh3、地层孔隙压力(FormationPressure)指地层孔隙或裂缝中流体(油、气、水)所具有的压力，亦简称孔隙压力(Porepressure)。分为：◆正常地层孔隙压力(Normalformationpressure)。◆异常地层孔隙压力(Abnormalformationpressure):▼异常高压或超压(高于静液压力)▼异常低压或欠压(低于静液压力)在地质学上常用剩余压力（Excesspressure）表示异常高压的程度，剩余压力等于地层孔隙压力与静水压力的差值。一、地下压力的概念地层孔隙压力梯度(FormationPressureGradient)，即单位深度增加的地层孔隙压力压力值(钻井领域通常表示为地层孔隙压力的当量钻井液密度)：地质家通常将地层孔隙压力表示为地层孔隙压力系数(地层压力系数），即地下某点的地层孔隙压力与该点的静水压力的比值:数值上约等于单位为g/cm3时钻井液密度大小。gHPGppgHPCfpp一、地下压力的概念常用的地层孔隙压力状态分类表压力系数0.750.75~0.90.9~1.11.1~1.51.5分类超低压低压常压高压超高压一、地下压力的概念原苏联分类方案埃克森石油公司分类方案杜栩分类方案郝芳分类方案压力系数压力分类压力系数压力分类压力系数压力分类压力系数压力分类＜0.8异常低压＜0.8强负压0.8-1.0低压＜1.0低压＜0.96低压异常0.8-0.96负压1.0-1.05常压1.0-1.27常压0.96-1.06常压0.96-1.06常压1.05-1.3弱高压1.27-1.5过渡带1.06-1.38高压异常1.06-1.27弱超压1.3-2.0高压1.5-1.73超压＞1.38异常高压1.27-1.73超压＞2.0超高压1.73-1.96强超压＞1.73强超压地层孔隙压力状态的不同分类标准4、有效应力(EffectiveStress)Terzaghi经过多年对水饱和土体的研究，于1923年提出了如下有效应力定理：式中，—主应力；—有效应力（固体颗粒之间传递的应力）—孔隙压力。若为垂直方向，则—垂直有效应力()；—上覆岩层压力()。一、地下压力的概念eppeevevppppeTerzaghi指出：对于多孔介质，应力变化产生的所有可测量的影响(如压缩变形等)唯一的原因是有效应力的变化。有效应力是物理学上不可直接测量的量，只有其产生的影响(如变形)是可测量的。1941年，Biot在研究饱和多孔介质的三轴压缩力学问题时，发现低渗透性多孔介质不适合应用Terzaghi原理，提出了修正后的有效应力定理：式中：—等效孔隙压力系数或有效应力系数，介于0和1之间一、地下压力的概念epp沉积岩属于饱和多孔介质，具有类似于饱和土体的二元体系结构，由岩石骨架颗粒和孔隙流体组成。鉴于此，Hubbert和Rubey（1959）将有效应力的概念引入到了地质学领域，将岩石骨架颗粒间接触的应力称为地层岩石的有效应力，有时也将有效应力称为骨架应力(graintograinpressure)或基岩应力(matrixstress)在地层孔隙压力计算中，一般忽略地层渗透性对地层孔隙压力的影响，取等效孔隙压力系数为。一、地下压力的概念=1与地下岩石三轴应力状态下的三个主应力相对应，有效应力也分解为三个方向：垂直有效应力(Verticaleffectivestress)最大水平有效应力(MaximumHorizontalEffectiveStress)最小水平有效应力(MinimumHorizontalEffectiveStress)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具有更重要的意义：◆因为压实主要发生在垂直方向，控制压实过程的力实际上是垂直有效应力，孔隙度的变化、孔隙流体高压的形成等过程都与垂直有效应力的变化有关。一、地下压力的概念vppev◆正常压力环境中，因沉积颗粒之间相互接触，岩石基体支撑着上覆岩层载荷，地层孔隙压力等于静液压力；而沉积颗粒间垂直有效应力的任何减少，将使孔隙内流体支持部分上覆岩层载荷，形成异常高压。因此，异常高压形成可以通过有效应力定理得到解释。◆若设法求出上覆岩层压力和垂直有效应力，可以利用该定理确定地层孔隙压力。一、地下压力的概念◆最小水平有效应力控制着地下岩石中裂缝的方向，地下的天然裂缝或人工裂缝其延伸方向一般与最小水平有效应力垂直。其也是确定地层破裂压力或裂缝扩展压力的基础。hppeh5、地层破裂压力、裂缝的重张压力与裂缝扩展压力井眼中一定深度裸露的地层承受来自井内流体压力的能力是有限的，当井内流体压力达到一定值的时候，井壁围岩会因受张应力而破裂。在钻井工程领域，一般用地层破裂压力（formationfracturepressure）来描述地层的这种承压能力，即井下一定深度处使井壁围岩产生张性破裂并产生裂缝所需要的最小井内流体压力，用pf表示。影响地层破裂的因素主要包括地应力，地层本身的强度、弹性常数、断裂韧性、天然裂缝的发育情况，孔隙压力的大小等。一、地下压力的概念5、地层破裂压力、裂缝的重张压力与裂缝扩展压力由于构造运动或钻头的破碎作用，井眼周围的岩石中往往存在许多微裂缝，使这些已经存在的微裂缝重新张开的压力称为裂缝重张压力（fracturereopeningpressure）。裂缝重张压力略小于地层破裂压力。因此，有些学者将其作为地层破裂压力的下限，并作为设计套管下深与确定钻井液密度上限值的依据。随着地层孔隙间的流体压力增大，使地下岩石沿已有裂缝进一步破裂导致裂缝长度增加并向深部地层扩展的压力称为裂缝扩展压力（fracturepropagationpressure），又称裂缝传播压力。裂缝扩展压力通常比裂缝重张压力稍大一些。一、地下压力的概念经常使用的是地层破裂压力梯度(Formationfracturegradient)的概念(破裂压力当量泥浆密度）：一、地下压力的概念ffpgh6、地层坍塌压力(FormationCollapsePressure)深部地层在原始地应力的作用下处于平衡状态，当地层钻开之后，原先的平衡被打破，在井壁围岩产生应力集中。从力学的角度来说，造成井壁坍塌的原因主要由于井内液柱压力较低，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏所造成的。如果泥浆密度过低:对于脆性岩石，井壁应力将超过岩石的抗剪切强度而发生剪切破坏，表现为井眼坍塌扩径，此时的临界井眼压力定义为坍塌压力；而对塑性地层，则向井眼内产生塑性变形，造成缩径。一、地下压力的概念6、地层坍塌压力(FormationCollapsePressure)由于钻井过程中入井的循环介质与地层之间会发生不同程度的物理、化学等反应，引起地层的应力和强度特性随时间和空间而变化，因此坍塌压力是随时间变化的，取决于循环介质的性能、地层特性、地层原始应力状态、井眼轨迹及钻进参数等。同一井眼同一地层钻井方式不同，坍塌压力也随着改变。如气体循环介质条件下，井壁稳定；而改为普通钻井液钻井，井壁可能会坍塌。一、地下压力的概念地下压力概念图示一、地下压力的概念2.1异常高压成因分类异常高压形成需具备两个前提：(1)一定体积的孔缝空间和孔隙流体；(2)封存异常高压流体的良好封闭环境。可表示为：—一定体积的地层岩石中的孔缝空间体积；—一定体积的地层岩石中的孔隙流体体积。异常高压最