1、 9第二章 井身结构设计井身结构设计是钻井工程的基础设计。它的主要任务是确定套管的下入层次、下入深度、水泥浆返深、水泥环厚度、生产套管尺寸及钻头尺寸。基础设计的质量是关系到油气井能否安全、优质、高速和经济钻达目的层及保护储层防止损害的重要措施。由于地区及钻探目的层的不同，钻井工艺技术水平的高低，国内外各油田井身结构设计变化较大。选择井身结构的客观依据是地层岩性特征、地层压力、地层破裂压力。主观条件是钻头、钻井工艺技术水平等。井身结构设计应满足以下主要原则：1能有效地保护储集层；2避免产生井漏、井塌、卡钻等井下复杂情况和事故。为安全、优质、高速和经济钻井创造条件；3当实际地层压力超过预测值发生溢
2、流时，在一定范围内，具有处理溢流的能力。本章着重阐明地下各种压力概念及评价方法，井身结构设计原理、方法、步骤及应用。第一节 地层压力理论及预测方法地层压力理论和评价技术对天然气及石油勘探开发有着重要意义。钻井工程设计、施工中，地层压力、破裂压力、井眼坍塌压力是合理钻井密度设计；井身结构设计；平衡压力钻井；欠平衡压力钻井及油气井压力控制的基础。一、几个基本概念1静液柱压力静液柱压力是由液柱自身重量产生的压力，其大小等于液体的密度乘以重力加速度与液柱垂直深度的乘积，即（2-1）0.981hPHr=式中：P h静液柱压力，MPa；液柱密度，g/cm 3；H液柱垂直高度，m。静液柱压力的大小取决于液柱
3、垂直高度 H 和液体密度 ，钻井工程中，井愈深，静液柱压力越大。2压力梯度指用单位高度（或深度）的液柱压力来表示液柱压力随高度（或深度）的变化。（2-2）0981.PGh式中：G h液柱压力梯度， MPa/m；Ph液柱压力，MPa ；H液柱垂直高度，m。石油工程中压力梯度也常采用当量密度来表示，即10（2-3）HPh0981.式中：当量密度梯度，g/cm 3；3有效密度钻井流体在流动或被激励过程中有效地作用在井内的总压力为有效液柱压力，其等效（或当量）密度定义为有效密度。4压实理论指在正常沉积条件下，随着上覆地层压力 P0 的增加，泥页岩的孔隙度 减小， 的减小量与 P0 的增量 dP0 及孔
4、隙尺寸有关，即：dCpgdH0CP令 CP0g=C，且积分上式（2-4 ）CHe0式中： 0地表孔隙度；井深 H 时的孔隙度；P0上覆地层压力；CP压实校正系数， CP1。即正常压实地层、泥页岩孔隙度是井深 H 的函数。也就是说正常地层压力段，随着井深 H 增加，岩石孔隙度减小。若当随着井深增加，岩石孔隙度增大，则说明该段地层压力异常。压实理论是支持 dc 指数，声波时差等地层压力预测技术的理论基础之一。5均衡理论指泥页岩在压实与排泄过程平衡时，相邻沙泥岩层间的地层压力近似相等。均衡理论是支持地层压力预测技术不可缺少的理论基础。6上覆地层压力 P0地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质
5、和孔隙中流体的总重量（重力）所产生的压力，即面 积 重 力流 体 重 量重 力岩 石 骨 架 重 量 )()(0 （2-5 ）)1(980pH式中：P 0上覆岩层压力，MPa；H地层垂直深度，m；岩石孔隙度，%；0岩石骨架密度，g/cm 3；p孔隙中流体密度，g/cm 3。11由于沉积压实作用；上覆岩层压力随深度增加而增大。一般沉积岩的平均密度大约为2.3g/cm3，沉积岩的上覆岩层压力梯度一般为 0.226MPa/m。在实际钻井过程中，以钻台面作为上覆岩层压力的基准面。因此在海上钻井时，从钻台面到海面，海水深度和海底未固结沉积物对上覆岩层压力梯度都有影响，实际上覆岩层压力梯度值远小于 0.2
6、26MPa/m。例如，海上井的 1524m 深处，上覆岩层压力梯度一般小于 0.167MPa/m。上覆岩层压力还可用下式计算：（2-6）HPb0981.式中：P 0上覆岩层压力，MPa；沉积层平均体积密度，g/cm 3；bH沉积层 m。上覆岩层压力梯度一般分层段计算，密度和岩性接近的层段作为一个沉积层。即（2-7）iibiHPG)0981.(010 式中：G 0上覆岩层压力梯度， MPa/m；Poi第 i 层段的上覆岩层压力，MPa/m；Hi第 i 层段的厚度，m；第 i 层段的平均体积密度， g/cm3。bi上式计算的是上覆岩层压力梯度的平均值。测得的体积密度越准确，计算出来的上覆岩层压力梯
7、度也就越准确。如果有密度测井曲线，就能很容易地计算出每一段岩层的平均体积密度。如果没有密度测井曲线，可借助于声波测井曲线计算体积密度，不过，这是迫不得已才使用的方法。还可以使用由岩屑测出的体积密度，但这种方法不太准确，因为岩屑在环空中可能吸水膨胀，使岩石体积密度降低。在厚岩盐层和高孔隙压力带的一个小范围内，上覆岩层压力梯度可能发生反向变化。高孔隙度的泥岩通常是异常高压层，其体积密度非常小。如果异常高压层足够厚，就可能使总的平均体积密度降低。实际上这些低密度带很薄，所以上覆岩层压力梯度的反向变化一般很小，而且发生在很小的范围内。因而异常高压层的上覆岩层压力仍然增加，但增加的速率减慢。7地层压力（
8、地层孔隙压力）P P地层压力是指岩石孔隙中流体的压力，亦称地层孔隙压力，用 PP 表示。在各种沉积物中，正常地层压力等于从地表到地下某处连续地层水的静液压力。其值的大小与沉积环境有关，取决于孔隙内流体的密度。若地层水为淡水，则正常地层压力梯度（G p）为0.0981MPa/m，若地层水为盐水，则正常地层压力梯度随含盐量的不同而变化，一般为0.0105MPa/m。石油钻井中遇到的地层水多数为盐水。表 2-1 为不同地层水的正常地层压力梯度值。12表 2-1 不同矿化度地层水的静水压力地层流体 氯离子浓度毫克/升 Ppm(NaCl)正常地层压力梯度MPa/m当量泥浆密度g/cm3淡水 0 0 0.
9、00981 1.0微咸水609812287249211006220273411200.009890.00990.010041.0031.0101.024海水 33000 54450 0.01012 1.033盐水37912512966498762554846381072280.010190.010330.010491.0401.0541.070典型海水含盐量梯度6528779065935071083731236041393201554401719051888951077091304571542861788152039462298782564762834733116760.010500.0106
10、20.010780.010950.011070.011240.011400.011540.011711.0721.0841.1001.1171.1301.1471.1631.1781.195饱和盐水 191600 316640 0.01173 1.197在钻井实践中，常常会遇到实际的地层压力梯度大于或小于正常地层压力梯度的现象，即压力异常现象。超过正常地层静液压力的地层压力（P PPh）称为异常高压。8骨架应力 骨架应力是由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力（亦称有效上覆岩层压力或颗粒压力） ，这部分压力是不被孔隙水所承担的。骨架应力可用下式计算：（2-8）p0式中：骨架应力，MP
11、a；P0上覆岩层压力，MPa；Pp地层压力，MPa 。上覆岩层的重力是由岩石基质（骨架）和岩石孔隙中的流体共同承担的。当骨架应力降低时，孔隙压力就增大。孔隙压力等于上覆岩层压力时，骨架应力等于零，而骨架应力等于零时可能会产生重力滑移。骨架应力是造成地层沉积压实的动力，因此只要异常高压带中的基岩应力存在，压实过程就会进行，即使速率很慢。上覆岩层压力、地层压力和骨架应力之间的关系如图 2-1 所示。低于正常地层静液压力的地层压力（PpPh）称为异常低压。二、异常压力1异常低压13异常低压的压力梯度小于 0.00981MPa/m，有的为 0.00810.0088MPa/m，有的甚至只有静液压力梯度的
12、一半。世界各地钻井情况表明，异常低压地层比异常高压地层要少。但是，不少地区在钻井过程中还是遇上不少异常低压地层。如美国的得克萨斯州和俄克拉何马州的潘汉德尔（Panhandle）地区、科罗拉多州高地的部分地区、犹他州的尤英塔（Uinta）盆地、加拿大艾伯塔省中部下白垩统维金（Viking ）地层、苏联的 Chokrak 和 Karagan 地区的第三纪中新世地层和伊朗的 Arid 地区都遇到异常低压地层。图 2-1 P0、Pp 和 之间的关系 图 2-2 压力桥一般认为异常低压是由于从渗透性储集层中开采石油、天然气和地层水而人为造成的。大量从地层中开采出流体之后，如果没有足够的水补充到地层中去，
13、孔隙中的流体压力下降，而且还经常导致地层被逐渐压实的现象。美国墨西哥湾沿海地带的地下水层被数千口井钻开之后，广大地区的水源头下降。面积最大的是得克萨斯州的休斯敦地区，水源头下降的面积大约有 12950 平方公里。从 1954 年至 1959 年，在卡蒂-休斯敦- 帕萨迪纳-贝敦地区泵出水的 20%左右是由于产水层的被压实而供给的。在干旱或半干旱地区遇到了类似的异常低压地层，这些地层的地下水位很低。例如在中东地区，勘探中遇到的地下水位在地表以下几百米的地方。在这样的地区，正常的流体静液压力梯度要从地下潜水面开始。2异常高压异常高压地层在世界各地区广泛存在，从新生代更新统至古生代寒武系、震旦系都曾
14、见到过。正常的流体压力体系可以看成一个水力学的“敞开”系统，就是说流体能够与上覆地层的流体沟通，允许建立或重新建立静液条件。与此相反，异常高的地层压力系统基本上是“封闭”的，即异常高压力层和正常压力层之间有一个封闭层，阻止或至少是大大地限制着流体的沟通。封闭层可以是地壳中的一种或几种物质所组成的。压力封闭的起因可以是物理的、化学的、或者是物理和化学的综合作用。据目前所知，地层压力圈闭有表 2-2 所示的几种类型。14表 2-2 地层压力圈闭的类型封 闭 类 型 圈 闭 的 种 类 实 例垂 直横 向垂直与横向综合1块状页岩或粉砂岩2块状岩盐3硬石膏4石膏5石灰岩、泥灰岩、白垩6白云岩断 层美国
15、墨西哥湾地区德国北部的泽克斯坦北海、中东美国、苏联世界各地世界各地通常认为异常高压力的上限等于上覆岩层的总重量，即与 0.0226MPa/m 的压力梯度等效。在一个区域的地层中，异常高压力将接近上覆岩层压力。根据稳定性理论，它们是不能超过上覆岩层压力的。但是，在一些地区，如巴基斯坦、伊朗、巴比亚和苏联的钻井实际中，都曾遇到过比上覆岩层压力高的高压地层。有的孔隙压力梯度可以超过上覆岩层压力梯度的 40%。这种超高压地层可以看作存在一种 “压力桥 ”（图 2-2）的局部化条件。覆盖在超高压地层上面的岩石的内部强度帮助上覆岩层部分地平衡超高压地层中向上的巨大作用力。形成异常高压力常常是多种因素综合作
16、用的结果。这些因素与地质作用、物理、地球化学和机械过程等有关。异常高压的成因很多，一般有以下几种：（1）沉积物的快速沉积，压实不均匀（2）渗透作用（3）构造作用（4）储集层的结构三、地层压力预测方法地层压力预测方法都是基于压实理论、均衡理论及有效应力理论。预测方法有钻速法、地球物理方法（地震波） 、测井（声波时差等） 。目前应用某一种方法是很难准确评价一个地区或区块的地层压力，往往需要采用多种方法进行综合分析和解释。地层压力评价方法可分为两类，一类是利用地震资料或已钻井资料进行预测，建立单井或区块地层压力剖面，用于钻井工程设计、施工；另一类是钻井过程中的地层压力监测，掌握地层压力的实际变化、确
17、定现行钻井措施及溢流监控。下面主要讲述 dc 指数法、声波时差法、地震层速度法。1dc 指数法dc 指数法是利用泥页岩压实规律和压差理论对机械钻速的影响规律来检测地层压力的一种方法。也是钻井过程中地层压力检测的一种重要方法。 d（dc）指数检测原理机械钻速是钻压、转速、钻头类型及尺寸、水力参数、钻井液性能、地层岩性等因素的函数。当其它因素一定时，只考虑压差对钻速的影响，则机械钻速随压差减小而增加。在正常地层压力情况下，如岩性和钻井条件不变，机械钻速随井深的增加而下降。当15钻入压力过渡带之后，由于压差减小，岩石孔隙度增大，机械钻速转而加快。d 指数则正是利用这种差异预报异常高压。d 指数是基于
18、宾汉方程建立的。宾汉在不考虑水力因素的影响下建立了钻速方程：（2-9）dbeDPKNV式中：V机械钻速；K岩石可钻性系数；N转速；e转速指数；P钻压；Db钻头尺寸；d钻压指数。根据室内及油田钻井试验，发现软岩石 e 接近 1。假设钻井条件（水力因素和钻头类型）和岩性不变（同层位均质泥页岩） ，则 K 为常数。取 K=1，方程两边取对数，且采用统一单位，式（2-9）变为：（2-10）bDPNVd0684.log57式中 Vm/h； NRPM； PKN；D bmm； d无因次。根据油田目前选用参数范围，式（2-10）中， 1、 1，因此（2-NV057.DP0684.10）式中分子、分母均为负数。
19、分析可知： 的绝对值与机械钻速 V 成反比，4.log因此 d 指数与机械钻速 V 也成反比。进而 d 指数与压差大小有关，即正常压力情况下，机械钻速随井深增加而减小，d 指数随井深增加而增加。当进入压力过渡带和异常高压带地层，实际 d 指数较正常值偏小，如图 2-3。d 指数正是基于这一原则来检测地层压力。由于当钻入压力过渡带时，一般情况要提高钻井液密度，因而引起钻井液密度变化，进而影响 d 指数的正常变化规律，为了消除钻井液密度变化影响，Rehm 和 Meclendon 在1971 年提出了修正的 d 指数法，即 dc 指数法。（2-11）mRNc式中：dc修正的 d 指数；mN正常地层压
20、力当量密度，g/cm 3；mR实际钻井液密度，g/cm 3。16图 2-3 d-H 曲线 图 2-4 dc-H 曲线 dc 指数检测地层压力步骤1）按一定深度取点，一般 1.53m 取一点，如果钻速高可 510m，重点井段 1m 取一点。同时记录每对应点的钻速、钻压、转速、地层水和钻井液密度。2）计算 d 和 dc 指数3）在半对数坐标上作出 dc 指数和相应井深所确定的点（纵坐标为井深 H、对数坐标为dc 指数）4）作正常压力趋势线，如图 2-4。5）计算地层压力 PP作出 dc-H 图和正常趋势线后，可直接观察到异常高压出现的层位和该层段由 dc 指数的偏离值。dc 指数偏离正常势线越远，
21、说明地层压力越高。目前根据 dc 指数偏离值计算地层压力的方法有.M 诺玛纳公式、等效深度法、伊顿法、康布法等。下面介绍 A.M 诺玛法和等效深度法。.M 诺玛法（2-12）ncaCNPd式中： P所求井深地层压力当量密度，g/cm 3；n所求井深正常地层压力当量密度，g/cm 3；17dCN所求井深的正常 dc 指数；dca所求井深实际 dc 指数。等效深度法：由于 dc 指数反映了泥页岩的压实程度，若地层具有相等的 dc 指数，则可视其骨架应力相等。由于上覆地层压力总是等于骨架应力 和地层压力 PP 之和，所以利用 dc 指数相等，骨架应力相等原理，通过找出异常地层压力下井深 H 的 dc
22、 指数值与正常地层压力下 dc 指数值相等的井深 HE，求出异常高压地层的地层压力。)(00NEGPp式中：P P所求深度的地层压力，MPa；H所求地层压力点的深度， m；G0上覆地层压力梯度， MPa/,；Gn等效深度处的正常地层压力梯度， MPa/m；HE等效深度，m。2声波时差法声波时差法是利用声波测井曲线检测地层压力的方法，也是对已钻井地区进行单井或区域进行地层压力预测，建立单井或区域地层压力剖面的一种常用而有效的方法。 声波时差法预测原理声波在地层中传播速度与岩石的密度、结构、孔隙度及埋藏深度有关。不同的地层，不同的岩性，有不同的声波速度。当岩性一定时，声波的速度随岩石孔隙度的增大而
23、减小。对于沉积压实作用形成的泥岩、页岩、声波时差与孔隙度之间的关系满足怀利（Wyllie）时间平均方程，即：（2-14）mft式中：岩石孔隙度，%；t地层声 波时差， s/m；tm骨架声波时差， s/m；tf地层孔隙流体声波时差， s/m。基岩和地层流体的声波时差可在实验室测取。当岩性和地层流体性质一定时，t m 和tf 为常量。在正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度随深度的变化满足方程：（2-15）CHe0式中： 0泥页岩在地面孔隙度；C压实系数；H井深。由（2-14）式，地面孔隙度 0 为（2-16）mft0t0 为起始声波时差，即深度为零时的声波时差。在一定区域、t 0 可近似看着常数。18由
24、（2-14） 、 （2-15） 、 （2-16 ）式，当泥页岩的岩性一定时，t m 也为常数。若 tm=0，则（2-17 ）CHet0在半对数坐标系中（H 为纵坐标， t 为对数坐标） ，即声波时差的对数与井深呈线性关系。在正常地层压力井段，随着井深增加，岩石孔隙度减小，声波速度增大，声波时差减小。当进入压力过渡带和异常高压带地层后，岩石孔隙度增大，声波速度减小，声波时差增大，偏离正常压力趋势线。因此可利用这一特点检测地层压力。 声波时差检测地层压力步骤1）在标准声波时差测井资料上选择泥质含量大于 80%的泥页岩层段，以 5m 为间隔点读出井深相应的声波时差值，并在半对数坐标上描点。2）建立正
25、常压实趋势线及正常压实趋势线方程。3）将测井曲线上的声波时差值代入趋势线方程，求出等效深度 HE。4）代入（2-13）式计算地层压力 PP。3地震波法地震反射波法是地球物理中最为广泛应用的一种方法。地震波法预测地层压力是根据在不同岩性，不同压实程度情况下，地震波速度传播的差异来预测地层压力的方法。即正常压实条件下，随着深度的增加，地震波速逐渐增大；在异常压力层则随着深度增加，地震波速反而减小的原理来预测压力异常。地震波法预测地层压力计算方法主要有等效深度法，Fillipone 法、R 比值法。其中 Fillipone 法不需要建立正常压力趋势线而可直接计算地层压力。当然无论采用哪种方法，预测值
26、的精度主要取决于层速度采集的精度。关于地震法预测地层压力的方法，读者可参考其它专著或教材。第二节 地层破裂压力预测方法在井下一定深度出露的地层，承受液体压力的能力是有限的。当液体压力达到某一数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压力。利用水力压裂地层，从 40 年代起就开始用作油井的增产措施。但对钻井工程而言，并不希望地层破裂，因为这样容易引起井漏，造成一系列的井下复杂事故，所以了解地层的破裂压力对合理的油井设计和钻井施工十分重要。为准确地掌握地层破裂压力，国内外学者提出了不同检测计算地层破裂压力的方法和模型，如马修斯和凯利（Mathews 和 Kelly 法） 、休伯特和威利斯（ Hu
27、bbert 和 Willis）法、伊顿（Eaton ）法、Anderson 模型、Stephen 模型及黄荣樽教授提出的预测模型，这些方法和模型都有其局限性。有待进一步完善。下面介绍黄荣樽教授提出的预测模型和液压试验法，其它方法，读者请查文献 2。一、地应力地应力是指地下环境中某一岩层深度所处的应力状态。地应力可用三个主应力表示，即垂直主应力 z、最大水平地应力 H、最小水平地应力 h，因此地应力一般是不均匀的。垂直主地应力 z 由上覆地层压力 P0 确定，水平地应力 H、 h 由两部分组成：一部分由上覆地层压力引起，它是岩石泊松比的函数；另一部分由地质构造应力确定，它与岩石的泊松比无关，并在两个方向一般是不相等的。由 Hafner 理论，原地水平应力由上覆地层压力 P0 和构造应力引起，且为：
