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异常地层孔隙压力定量确定技术异常地层孔隙压力定量确定技术樊洪海樊洪海20062006年年1111月月1717日日一、地下压力的概念一、地下压力的概念二、异常高压的形成机制与分类二、异常高压的形成机制与分类三三、、地层孔隙压力研究的意义与现状地层孔隙压力研究的意义与现状四、测井资料检测地层孔隙压力新方法研究与应用四、测井资料检测地层孔隙压力新方法研究与应用五、层速度预测地层孔隙压力模型研究与应用五、层速度预测地层孔隙压力模型研究与应用六、应用软件的开发与推广应用六、应用软件的开发与推广应用七、结七、结论论汇报提纲汇报提纲11、静液压力、静液压力(HydrostaticPressure)(HydrostaticPressure)由液柱重力产生的压力。它的大小与液体密度及液头的垂直高由液柱重力产生的压力。它的大小与液体密度及液头的垂直高度成正比：度成正比：通常把单位深度增加的压力值称为压力梯度通常把单位深度增加的压力值称为压力梯度(Pressure(PressureGradientGradient）：）：一、地下压力的概念一、地下压力的概念gHPfhρ=fhhgHPGρ==一、地下压力的概念一、地下压力的概念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，通常用当量泥浆密度来表示压在油气钻井工程领域，通常用当量泥浆密度来表示压力梯度，因此压力梯度的单位通常为密度的单位：力梯度，因此压力梯度的单位通常为密度的单位：gHPhe=ρ一、地下压力的概念一、地下压力的概念22、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的压力：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：经常使用的是表示为当量钻井液密度的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一般采用上覆岩层压力梯度的理论值为22.7kPa/m(22.7kPa/m(假设岩石骨假设岩石骨架密度为架密度为2.5g/cc2.5g/cc，，孔隙度为孔隙度为1010％，流体密度为％，流体密度为1.0g/cc)1.0g/cc)。。实际上实际上,,由于压实作用及岩性随深度变化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上覆岩层压力梯度并不是常数,,而而是深度的函数；而且不同地区是深度的函数；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。相同。实际应用时，应根据本地区地层的具体情况来确定。⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−+==∫HfmawwodhggHHHPG0])1[(10φρρφρ一、地下压力的概念一、地下压力的概念33、、地层孔隙压力地层孔隙压力(FormationPressure)(FormationPressure)指地层孔隙中流体指地层孔隙中流体((油、气、水油、气、水))所具有的压力，亦简称孔隙所具有的压力，亦简称孔隙压力压力(Porepressure)(Porepressure)。。分为：分为：◆◆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(Abnormalformationpressure):(Abnormalformationpressure):▼▼异常高压异常高压((高于静液压力高于静液压力))▼▼异常低压异常低压((低于静液压力低于静液压力))在地质学上常用在地质学上常用剩余压力剩余压力表示异常高压的大小，剩余压力表示异常高压的大小，剩余压力等于地层孔隙压力与静液压力的差值。等于地层孔隙压力与静液压力的差值。一、地下压力的概念一、地下压力的概念地层孔隙压力梯度地层孔隙压力梯度(FormationPressuregradient)(FormationPressuregradient)，，即单位深度增加的地层孔隙压力压力值即单位深度增加的地层孔隙压力压力值((通常表示为地层孔通常表示为地层孔隙压力的当量泥浆密度）：隙压力的当量泥浆密度）：地质家通常将地层孔隙压力表示为地层孔隙压力系数地质家通常将地层孔隙压力表示为地层孔隙压力系数，即地下某点的地层孔隙压力与该点的静水压力的比值，即地下某点的地层孔隙压力与该点的静水压力的比值::gHPGpp=gHPCfppρ=地层孔隙压力状态分类表(据杜栩,1995)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、地下压力的概念一、地下压力的概念44、有效应力、有效应力(EffectiveStress)(EffectiveStress)TerzaghiTerzaghi经过多年对饱和多孔介质力学特性的研究，提出了如下经过多年对饱和多孔介质力学特性的研究，提出了如下有效应力定理：有效应力定理：““应力变化产生的所有可测量的影响应力变化产生的所有可测量的影响((如压缩变形、扭曲变形、剪如压缩变形、扭曲变形、剪切强度的变化等切强度的变化等))唯一的原因是有效应力的变化唯一的原因是有效应力的变化””。有效应力是物理。有效应力是物理学上不可直接测量的量，只有其产生的影响学上不可直接测量的量，只有其产生的影响((如变形如变形))是可测量的。是可测量的。RubberRubber和和Rubey(1959)Rubey(1959)将这一概念引入到地质学领域，有时也将有将这一概念引入到地质学领域，有时也将有效应力称为效应力称为骨架应力骨架应力(Graintograinpressure)(Graintograinpressure)或或基岩应力基岩应力(matrix(matrixstress)stress)根据地下岩石的应力状态，一般将有效应力分解为三个方向：根据地下岩石的应力状态，一般将有效应力分解为三个方向：◆◆垂直有效应力垂直有效应力(Verticaleffectivestress)(Verticaleffectivestress)◆◆最大水平有效应力最大水平有效应力(MaximumEffectiveHorizontalStress)(MaximumEffectiveHorizontalStress)◆◆最小水平有效应力最小水平有效应力(MinimumEffectiveHorizontalStress)(MinimumEffectiveHorizontalStress)pieiPPP−=一、地下压力的概念一、地下压力的概念◆◆因为压实主要发生在垂直方向，控制压实过程的力实际上垂因为压实主要发生在垂直方向，控制压实过程的力实际上垂直有效应力，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，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。直有效应力的变化有关。◆◆正常压力环境中，因沉积颗粒之间相互接触，岩石基体支撑正常压力环境中，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，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。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。确定地层孔隙压力。◆◆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传播压力的基础。也是确定地层破裂压力或裂缝传播压力的基础。一、地下压力的概念一、地下压力的概念55、地层破裂压力与裂缝传播压力、地层破裂压力与裂缝传播压力当井眼内流体柱的压力达到一定值时会将地层压裂。用地层破裂当井眼内流体柱的压力达到一定值时会将地层压裂。用地层破裂压力压力(FormationFracturePressure)(FormationFracturePressure)或地层裂缝传播压力或地层裂缝传播压力(Fracturepropagationpressure)(Fracturepropagationpressure)来描述地层的这种承压能力。来描述地层的这种承压能力。钻井领域一般将地层破裂压力定义为在井下一定深度处，使地层破钻井领域一般将地层破裂压力定义为在井下一定深度处，使地层破裂并产生裂缝时井眼内流体柱的压力。裂并产生裂缝时井眼内流体柱的压力。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张开并扩展的压力称为裂缝传多微裂缝，使这些已经存在的微裂缝张开并扩展的压力称为裂缝传播压力。裂缝传播压力略小于地层的破裂压力。因此，有些学者将播压力。裂缝传播压力略小于地层的破裂压力。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。度上限值的依据。一、地下压力的概念一、地下压力的概念经常使用的是地层破裂压力梯度经常使用的是地层破裂压力梯度(Formationfracture(Formationfracturegradient)gradient)的概念：的概念：同上述其它地下压力梯度一样，油气钻井领域通常将地层同上述其它地下压力梯度一样，油气钻井领域通常将地层破裂压力的当量泥浆密度作为地层破裂压力梯度来使用。破裂压力的当量泥浆密度作为地层破裂压力梯度来使用。gHPGff=一、地下压力的概念一、地下压力的概念深度地下压力PehminPoPevPfPhPpPexPPhh--静液压力；静液压力；PPpp--地层孔隙压力；地层孔隙压力；PPff--裂缝传播压力；裂缝传播压力；PPoo--上覆岩层压力上覆岩层压力PPexex--剩余压力；剩余压力；PPevev--垂直有效应力；垂直有效应力；PPehminehmin--最小水平有效应力最小水平有效应力地下压力概念图示地下压力概念图示2.12.1异常高压形成机制异常高压形成机制异常压力的成因条件多种多样，一种异常压力现象可能是由多异常压力的成因条件多种多样，一种异常压力现象可能是由多种互相叠置的因素所致，其中包括地质的、物理的、地球化学和动种互相叠置的因素所致，其中包括地质的、物理的、地球化学和动力学的因素。但就一个特定异常压力体而言，其成因可能以某一种力学的因素。但就一个特定异常压力体而言，其成因可能以某一种因素为主，其它因素为辅。因素为主，其它因素为辅。(1)(1)不平衡压实作用不平衡压实作用(2)(2)构造挤压构造挤压(3)(3)水热增压水热增压(4)(4)生烃作用生烃作用(5)(5)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(7)(7)石膏石膏//硬石膏转化硬石膏转化(8)(8)流体密度差异流体密度差异(9)(9)水势面的不规则性水势面的不规则性(10)(10)深部气体充填封存箱的分隔和抬升深部气体充填封存箱的分隔和抬升二、异常高压的形成机制与分类二、异常高压的形成机