1、基于岩石力学理论的三压力预测技术研究及应用摘 要：做好地层三压力预测工作，对保护油气层，提高钻井成功率，降低钻井成本具有重要意义。苏仁诺尔油田断层、裂缝十分发育，储层非均质性强，钻井施工中喷、漏、卡等复杂事故时有发生。本文针对这样的地质特点采用声波时差法计算地层孔隙压力；从岩石力学基本原理出发，根据库伦-摩尔准则和拉伸破坏准则建立坍塌压力和破裂压力的计算模型。并开发了适应于苏仁诺尔油田的地层三压力剖面预测软件。该软件能够对井身结构进行优化设计，为钻井液密度设计提供可靠依据；完钻后利用实测压力资料和测井资料对计算结果进行了验证， 应用表明，该法预测精度较高，可满足现场施工要求。 关键词：岩石力学
2、 孔隙压力 坍塌压力 破裂压力 预测模型 在钻井中，准确的预测地层孔隙压力、破裂压力和坍塌压力，能够确保钻井液密度设计和井身结构设计的合理性1，对油气层保护，提高钻井成功率，降低钻井成本也起到至关重要的作用。苏仁诺尔油田地质情况比较复杂，断层、裂缝十分发育，岩性复杂，储层非均质性强。该地区以往，地层三压力预测主要通过经验和钻后验证，精确性和准确性都较差。钻井施工中喷、漏、塌、卡等复杂事故时有发生，加大了钻井风险，增加了钻井成本，延长了钻井周期，同时也给油气层带来更大的伤害。 结合苏仁诺尔油田实际，在预测地层孔隙压力方面，采用声波时差法计算。本文从岩石力学角度出发，建立了地层破裂压力和地层坍塌压
3、力预测模型；进而利用苏仁诺尔油田的常规测井资料连续地计算了该区的地层坍塌压力和破裂压力，从而有效地指导了钻井施工，收到了良好的效果。 一、三压力预测模型的建立 1.地层孔隙压力预测模型的建立 根据苏仁诺尔油田的地质特点，分析表明采用声波时差测井资料分析法预测地层孔隙压力效果较好。 对于正常压力泥页岩地层，随着埋深的增加，地层的孔隙度逐渐降低，声波时差逐渐减小。出现异常压力后，声波时差不再随埋深增加而减小，出现声波时差异常增大现象。据此可以预测地层的异常压力，预测过程如下： 从岩石力学角度看，井壁稳定与否取决于井眼围岩的应力大小与地层强度。若井眼围岩的应力小于地层强度，井眼是稳定的；若井眼围岩的
4、应力大于地层强度，井壁将产生破坏，导致井下复杂4。根据库仑-摩尔准则和拉伸破坏准则推导地层坍塌压力和破裂压力的表达式。 2.1 地层坍塌压力表达式 研究中选择了库仑-摩尔准则作为剪切破坏的强度判据。这个准则认为岩石沿某一平面发生剪切破坏，不仅与该面上剪应力大小有关，而且与该面上的正应力有关。岩石并不沿着最大剪应力作用面产生破坏，而是沿着其剪应力与正应力达到最不利组合的某一面产生破裂。其表达式如下： 井眼围岩的应力大小与井眼内的钻井液密度有关，随着钻井液密度的降低，井眼围岩的剪应力不断提高，当超过岩石的抗剪强度时，岩石将发生剪切破坏。发生剪切破坏的临界井眼液柱压力称为坍塌压力，一般情况下简称为坍
5、塌压力2。 当井眼液柱压力较低（即钻井液密度较低）时，在井壁上会出现较大的剪切应力而使井眼发生坍塌8。可得坍塌压力的表达式： 表达式中包含两个变量：井眼液柱压力 和圆周角 。在 0180之间选择圆周角 ，求解井眼液柱压力最大值 ，即为保持井眼稳定的井眼液柱压力下限坍塌压力 。 2.2 地层破裂压力表达式 当钻井液液柱压力过高时，在井壁处会出现拉应力，当拉应力超过地层的抗拉强度时，就会出现拉伸破坏（拉伸破坏准则） 。 2.3 计算模型相关参数的确定 利用地层坍塌压力和地层破裂压力计算模型求取地层的坍塌压力和破裂压力，必须已知地层的原地应力、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、孔隙压力、有效应力系
6、数等参数3。由测井数据间接获取地层的力学参数，可以计算出任意深度地层三压力，进而可获取地层三压力剖面。 2.3.1 地层弹性参数 通过岩石力学性能实验可以把标准公式中的力学参数转换成某一施工地区的力学参数，对苏仁诺尔油田 20 块岩心试样进行了测试，共获得430 个数据，通过回归处理得到了该地区的弹性模量、和泊松比计算公式。二、压力预测软件 基于上述研究，利用所建立的模型编制了地层三压力预测软件，通过输入声波、密度等测井数据以及井眼轨迹参数和地应力参数计算得出地层三压力剖面。进而应用该软件预测地层三压力，为合理设计井身结构、钻井液密度提供可靠依据6。 三、现场应用 为了验证地层三压力剖面的预测
7、精度，在苏仁诺尔油田选取苏 3-1井、苏 301-1 井和苏 20-2 井 3 口新钻井进行了钻前预测，完钻后利用实测压力资料对预测精度进行了验证。新钻井现场实验的基本过程是：首先利用邻井测井资料通过外推法预测待钻井的地层三压力剖面9（如图1） ，然后根据地层压力剖面进行钻井液密度设计和井身结构设计；完井后根据现场测压数据和实测的测井资料检验压力剖面的精度5。实测值均在预测值范围内（见表 1 和表 2） ，吻合程度较好，该方法的预测精度较高。 四、结论与认识 1.本文基于地层三压力计算一般理论，从岩石力学和破环准则等角度出发，建立了适合苏仁诺尔油田地质情况的地层三压力预测模型，提高了地区适应性
8、，实现了利用常规完井测井资料预测地层三压力的目的。2.利用所编制的三压力预测软件，处理工区测井资料，明显提高了地层压力预测的精度，为合理设计井身结构、钻井液密度提供了可靠依据，对于安全高效钻井具有重要的意义。 参考文献 1 刘向君.罗平亚编著，石油测井与井壁稳定M.石油工业出版社，1999：53-64。 2 楼一珊.地层坍塌压力预测技术在钟市地区的应用J.石油钻探技术，1999，3：27-29。 3 Eaton， B. A.，Fracture Gradient Prediction for The New Generation J. World Oi1，1997，2（ 18）：10。 4 陈平
9、，钻井与完井工程M.石油工业出版社， 2005：46-48。 5 郭永峰，金晓剑，地层孔隙压力的精确预测及其应用J.中国海上油气，2004，16（1）：36-40。 6 黄长艺，严普强等.工程测试技术基础M.机械工业出版社，2002（2 版）：18-20。 7 胡永全.谢朝阳等，海拉尔盆地人工隔层控缝高压裂技术研究J.西南石油大学学报，2009，31（1）：70-71。 8 H.K. Versteeg， W. Malalasekera， an Introduction to Computational Fluid Dynamics： The Finite Volume MethodM. Wiley， New York， 2003：35-41。 9 贺顺义，师永民，谢楠等.根据常规测井资料求取岩石力学参数的方法J.新疆石油地质，2008，10：662-663 作者简介：杨宝侠（1972-） ，女（汉族） ，本科，黑龙江富裕人，工程师，主要从事钻井地质设计及科研工作。
