隨鉆地層壓力檢測

“正常”的地層流體壓力大致等于流體液柱中的靜水壓力。地層流體

壓力有時比靜水壓力高，有時比靜水壓力低。兩種“不正常”的壓力條件

都能引起鉆井事故，而工業生產中最為關懷的是專門高壓，有時稱之為地

質壓力。

一、差不多概念

1、靜水壓力(HydrostaticPressure)

靜水壓力是指單位液體重量與靜液柱垂直高度的乘積。與液柱的直徑

和形狀無關。

靜水壓力的運算公式如下：

p.Hxd

h10

式中Ph—靜水壓力，kg/cm2

d一鉆井液重量，g/cm3

H一垂直深度，m

2、帕斯卡定律(Pascal'sLaw)

帕斯卡定律闡述了靜止流體中任何一點上各個方向的靜水壓力大小相

等。通過流體能夠傳遞任何施加的壓力，而不隨距離的變化而降低。

按照帕斯卡定律，靜水壓力在液柱中給定的深度上，作用于任何方向

上。

3、靜水壓力梯度(HydrostaticPressureGradient)

靜水壓力梯度是指每單位深度上靜水壓力的變化量。那個值描述了液

體中壓力的變化，表示為單位深度上所受到的壓力。其計量單位是kgF/cm

2/m。

錄井人員常用體積密度(g/cm3)來描述靜水壓力梯度，以便于同鉆井

液密度相對比。靜水壓力梯度的運算公式如下：

一旦

GH10

式中HPG-靜水壓力梯度，kg/cm2/m

Ph—靜水壓力，kgf/cm2

Pv一單位體積質量，g/cm3

H一實際垂直深度，m。

應用體積密度(g/cm3)時，靜水壓力梯度HG的運算公式如下：

式中HG—靜水壓力梯度，g/cm3

4、地層孔隙壓力(PorePressure)

地層孔隙壓力是指作用在巖石孔隙中流體上的壓力。關于現場運算，

孔隙壓力與流體液柱的密度及垂直深度有關。

關于正常壓力系統的地層，給定深度的真實孔隙壓力等于液柱壓力與

流體流淌的壓力缺失及溫度效應的總和。

運算孔隙壓力的公式為：

dxH

PF=」f—

F10

式中PF一孔隙壓力，kg/cm2

df一流體密度，g/cm3

H—真實垂直深度，m

5、地層孔隙壓力梯度(PorePressureGradient)

地層孔隙壓力梯度是指單位深度上地層孔隙壓力的變化量。

運算公式如下：

耳「生

H

式中PFG一孔隙壓力梯度，kgF/cm2

孔隙壓力梯度等于或接近于靜水壓力梯度時稱為正常孔隙壓力梯度；

低于靜水壓力梯度時稱為低壓專門孔隙壓力梯度，簡稱低壓專門；高于靜

水壓力梯度時稱為超壓孔隙壓力梯度，簡稱超壓。后兩種孔隙壓力梯度都

稱為專門孔隙壓力梯度。同一地區，在不同的深度，可能會有幾種不同的

孔隙壓力梯度。孔隙壓力的上限通常等于上覆巖層的壓力。

6、上覆巖層應力(OverburdenStress)

上覆巖層應力是指覆蓋在該地層以上的地層基質(巖石骨架)和孔隙

中流體的總重量所造成的壓力。在石油領域中，上覆地層應力的數值可用

與鉆井液密度等效的壓力或壓力梯度表示。

上覆巖層應力的運算公式為：

S="也

10

式中S—上覆巖層應力，kg/cm2；

Pb—區間平均體積密度，g/cm3；

H—深度，m。

巖石的體積密度與巖石骨架的密度、巖石孔隙流體的密度以及巖石孔

隙度有關。

下面是有代表性的各種巖石、礦物和流體的體積密度：

表3-2常見巖石及液體平均密度

平均密度

物質

g/cm!

砂巖2.65

灰巖2.71

白云巖2.87

硬石膏2.98

巖鹽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）

關于給定巖層的體積密度用以下公式加以定義：

Pb=@xdf+Q_*Pm

式中pb—體積密度，g/cm3；

“一孔隙度，%;

pm一巖石骨架密度，g/cm3；

df一孔隙流體密度，g/cm3；

7、上覆巖層壓力梯度(OverburdenPressureGradient)

上覆巖層壓力梯度是指單位高度上的上覆巖層應力。其運算公式為:

OBG~gL

式中P0BG—上覆巖層壓力梯度，kgf/cm2/m；

S—上覆巖層壓力，kgf/cm2；

L—某段地層的厚度，mo

8、基巖應力

當一個固態的物體受到壓力時，在其中某一點上測得的壓力可能在不

同的方向上并不相同。基巖應力那個術語確實是用來描述固體物質的壓力

分布的。基巖應力的集中能夠形成地層壓力專門，并在專門大程度上阻礙

了巖石破裂壓力。巖層的破裂壓力又決定了油井的套管程序和承諾使用的

最大鉆井液密度。因此，基巖應力是在分析地層壓力專門成因及參數分析

運算時不可忽視的因素。

9、正常地層壓力(NormalFormationPressure)

正常地層壓力是由所在地層以上的所有流體所施加給該地層的壓力。

上覆巖層壓力全部由巖石骨架所承擔，地層流體僅承載上覆孔隙液體的壓

力。

因為水是巖石中普遍存在的流體，一個給定深度的正常地層壓力是地

層水密度的函數。地層水密度要緊與地層水礦化度有關。

10、專門地層壓力(AbnormalFormationPressure)和壓力專門(Pressu

reAnomalies)

專門地層壓力(AbnormalFormationPressure)是指地層流體壓力大于或

小于運算所得的靜水壓力。

壓力專門(PressureAnormalies)是指任何地層流體液柱高度或密度與井

眼中的流體液柱的差異所作用的結果。從技術上講：壓力專門是“正常”

地層流體壓力，它與專門地層壓力對井眼的效應是相同的。

關于任何專門地層流體高壓，部分上覆地層載荷差不多從巖石骨架轉

移到了地層流體中。如果鉆井液的壓力低于地層流體壓力，就會發生流體

溢出，直到壓力平穩為止。這種流體溢出確實是通常所講的井涌(KICK)。

11、當量鉆井液循環密度(ECD-EquivalentCirculationDensity)

當量鉆井液循環密度(ECD)是相當于井底循環壓力(BHCP)的鉆井液

密度。井底循環壓力等于鉆井液的靜水壓力加上以實際鉆井液流速在環空

中缺失的壓力(APann)。

12、壓差(DifferentialPressure)

壓差(AP)是井底運算壓力和地層壓力之間的差值。

即

△P~PBHC-PF

式中AP—壓差，kgf/cm2；

PBHC一運算井底壓力，kgf/cm2；

PF一地層壓力，kgf/cm2o

△P是在現場鉆井活動中與其它許多活動有關的重要參數之一。

如果AP是負值(PF>PBHC),可能會產生如下結果：

①來自地層的油氣侵入井眼。

②鉆速(ROP)加快。

③非滲透巖層坍塌。

④滲透性巖層發生井涌。

⑤軟巖層顯現井眼跨塌。

如果AP的值接近于零(PF=PBHC),可能會產生如下結果：

①巖屑中有較好的氣體顯示。

②由于循環暫停和鉆桿的運動，鉆井液柱壓力下降，顯現起下鉆氣體

顯不。

如果AP是正值(PF<PBHC),可能會產生如下結果：

①鉆速(ROP)降低。

②由于鉆井液對地層的沖洗，滲透層的氣體顯示較差。

③由于鉆井液對地層的沖洗，電測響應差。

④使鉆井中的固體物質注入地層孔隙中，儲層被破壞。

⑤可能從地層已有的裂縫中發生井漏。

在大多數鉆井條件下，AP必須大于零。如此做盡管會導致鉆速小于最

優鉆速，但能夠使鉆進過程中井涌發生的可能性變得最小。更為重要的是,

有一個較小的正壓力差，能夠補償起下鉆時的抽汲壓力降。

13、地層破裂壓力(FormationFractureResistance)

地層破裂壓力或地層抗破裂壓力，是將地層壓裂所需要的液柱壓力。

地層破裂壓力是石油工業上研究最多的課題之一。油井開采中常常有意壓

裂儲層巖石以增加低滲層的產量。然而，鉆井過程中發生的地層巖石被壓

裂破裂卻可能引起嚴峻的咨詢題，甚至能夠使油井報廢。

當鉆穿專門高壓帶時，鉆井人員必須提升鉆井液的密度以平穩地層流

體壓力。但是，鉆井液的循環壓力卻不能大于井眼中最弱的巖層的破裂壓

力。

對應于不同的深度，把一口設計井的所有的破裂壓力值繪成一幅曲線

圖，用來描述破裂壓力梯度。破裂壓力梯度能夠：關心我們確定下技術套

管的深度，確定操縱井涌時的最大環空壓力，實施增產措施時，操縱人工

破裂儲層的壓力。

大多數情形下，在一個給定的裸眼井中，最軟的巖層往往是位于最后

一層套管鞋下面的第一個滲透層。如果鉆井液壓力大于破裂壓力，該巖層

就會發生井漏。井漏的發生又可能導致在漏失層的下部負壓差的顯現，可

能引發井涌或井噴。因此，就限定了有一個極限的深度，即在沒有下入另

一層套管的情形下，在專門壓力帶能夠鉆達的最大深度。

14、泄漏試驗(Leak-OffTest)

地層泄漏試驗是在現場確定裸眼井段承諾使用的最大鉆井液密度的一

種試驗方法。在新下入套管位置以下鉆入幾米，由鉆井施工人員進行測試。

如果在這之下沒有更高滲透率的巖層存在，這部位確實是最軟的部位。測

試的結果，轉換成相應的鉆井液密度，從而確定該層位在不發生井漏的情

形下承諾使用的最大的鉆井液密度。

作業公司通常僅在一個新區的最先打的幾口井才作泄漏試驗。這項測

試應當在下入套管的堅硬地層以下的第一個孔隙地層里進行。測試包括在

地面關井，然后加壓，至到鉆井液開始注入地層。

典型的漏失測試包括如下步驟：

(1)下套管固井后，下鉆循環，試壓，再鉆穿套管鞋，鉆入套管鞋下面

新的地層最少3米。

(2)起鉆到套管鞋。

(3)使鉆頭位于套管鞋深度，停泵，使鉆井液靜止，關閉方鉆桿旋塞及

防噴器(環空及鉆桿防噴器心子)。

(4)使用固井設備從節流管線緩慢地向井眼環空注入鉆井液。注鉆井液

過程中注意壓力的變化以及注入鉆井液的體積。

(5)在鉆井液開始擠入地層之前，壓力的增加差不多上是呈線性的。開

始脫離線性變化那一點的壓力確實是漏失壓力。

(6)連續注入鉆井液后壓力曲線變得平緩，至到壓力不再增加。在壓力

不變的那點上，就開始向地層孔隙和裂縫中注入鉆井液。顯現這種現象的

那點的壓力確實是注入壓力。

(7)到達注入壓力點，趕忙停泵，關閉節流管線，凝視壓力的變化。正

常情形下，關閉壓力將下降，到達一個略高于漏失壓力的平穩點。該平穩

點上的壓力叫做放壓壓力。

以及放壓以后回收的鉆井液量；

aAH*

或固井失效。

?層破裂發生。

;閥排出剩余壓力，鉆井可連續進

一

行

。地層可能完全漏失，操作者必須

進250

布200

150也是整個垂直井深中最弱的點(常

常6100

50

據此能夠確定所承諾使用的最大

鉆

井

10

圖3—24地層泄漏試驗壓力演變圖

漏失井底壓力：

PBH="xH+p

式中PBH一井底壓力，kgf/cm2；

d一鉆井液密度，g/cm3；

H一垂直深度，m；

PLOT一漏失壓力，kgf/cm2o

最大承諾使用的鉆井液密度(dmax)：

d—Pfi"X1°

“max_

t-L

泄漏試驗有可能會引起地層完全破裂，因此，有時使用一種新的測試

方法，即所謂的地層完整性測試(FormationIntegrityTest)或者叫地層注

入測試(FIT—FormationIntakeTest)來代替地層泄漏試驗。在FIT測試中，

鉆井人員對套管鞋以下地層施加一個略微比估量破裂壓力小的壓力。如果

在該壓力下沒有井漏發生，測試就算成功。FIT測試有一個缺點確實是不能

測出真實的漏失壓力。如果在鉆井過程中鉆井液密度必須提升到FIT限定

的密度值以上時，有可能引起井漏。

綜合錄井應用軟件中一樣均配備有泄漏試驗程序，它能夠實時地監控

和記錄測試壓力。測試數據能夠按照時刻、體積、以及體積和時刻進行回

放。測試結果能夠被打印出來，作為生產報告的一部分。

二、專門地層壓力的成因

專門地層壓力可能比靜水壓力高或者低，然而在石油和天然氣勘探開

發中人們最關懷的是專門高壓。

有專門多地質過程阻礙壓力的形成，大多數的專門壓力可能是由下列

諸多因素的相互作用引起的：壓力“封閉層”、壓實作用、大地構造效應、

成巖作用、溫度效應、流體密度效應、流體運移效應等。對一個特定地區

的專門壓力條件可能是由以上幾個因素的結合引起的。

1.壓力“封閉層”(Pressure“Seal”)

壓力“封閉層”的作用是限制地層流體從高壓區向低壓區的運移或壓

力的散失。壓力“封閉層”是形成地層壓力專門的必要條件。

壓力“封閉層”類型包括：

(1)低孔隙度巖石的沉積，如致密的碳酸鹽巖、巖鹽、石膏或硬石膏、

粘土巖或頁巖。

(2)鹽類或頁巖的刺穿構造的形成。

(3)斷層在滲透性巖層中置入非滲透性巖層，限制了流體的流淌。

(4)蓋層的厚度操縱著由于漏失而使壓力達到平穩的總體時刻。

(5)任何其它的阻止地層流體流淌的物理或化學條件。

巖

上

i盤9水(自由水或結合水)。

量

的

與

固

體

過

接

體

的

固K量。作用在沉積物孔隙

傳

遞

觸

E度的增加而增加。

正常流體壓力(正常壓實)在堅持正常靜水壓力。有

時，勺速度超過了水被排擠出

的避彳沉積的固體物質的重量

施加,見圖3—25。阻擋流體流

淌、封閉層(巖蓋)可能就在

專匚勺上部。

13異常流體高壓(灰壓實)

圖3—25地層壓實作用原理圖

(1)、壓實趨勢

在許多地區海相粘土物質的孔隙度隨著深度的增加按能夠推測的趨勢

減小。許多地區，粘土孔隙度的減小呈一條指數曲線。

錄井頁巖孔覆度

:坐標中，大致呈

一條I在任何深度上同

種沂門容易地看出“正

常”，，它是應力、溫

度而

圖3—26頁巖壓實趨勢圖

(2)、壓力過渡帶(TransitionZone)

在巖石層序中若包含有厚層的海相頁巖，來自滲透層專門高壓帶的流

:的變化形成

W帶的孔隙度

J參數，繪制

￡帶。趨勢線

的類型和壓

圖3-27過渡帶原理

鉆井過程中及時發覺和識別壓力過渡帶是實現地層壓力推測的前堤。

壓力過渡帶是對下部地層壓力專門的預警。

專門壓力地層并不總是有過渡帶。在許多地區，由于粘土或頁巖層太

薄或者同其它沉積物混雜或者由于壓力蓋層可能是一個斷層或者是非滲透

性的巖層等緣故，過渡帶專門薄或者并不存在。

3.構造因素

在構造作用活動區域，構造因素無疑是專門壓力形成的要緊緣故。由

于現場資料的缺乏，構造作用效應專門難定量化。

(1)、正常壓實地層的抬升

地殼上升力和地表腐蝕力的共同作用，能夠把埋藏在深部的巖層抬升

到近地表。如果在抬升和腐蝕過程中有某種因素限制了流體的運移，該地

層就會由于深度因素而形成專門高壓。

壓力梯度的大小與埋藏深度和抬升量有關。抬升量相同時，埋藏深度

越淺壓力梯度越高。圖3-28顯示了不同抬升深度的成效。

壓力松網psi/ft

圖3-28地層抬升過程形成專門壓力的原理

(2)、應力場的變化

:變化。構造應力和上

覆應

三替速度快，就顯現流

體起:堆積可能引起極度的

超壓

圖3-29壓力“橋”的概念

構造力有利于堅持超壓。流體壓力比上覆壓力高時，可能引起流體壓

裂地層和上覆巖層的抬升。然而如果上覆巖層是致密的（如白云巖），構造

應力就能夠關心建立一個壓力“橋”使上覆巖層固定在一個適當的位置上

（圖3-29）。局部來講，壓力的“橋”是一個蓋層。在少數地區，地層流體

壓力能夠比上覆巖層壓力高出40%。

（3）、斷層和斷裂

關于地層流體壓力，斷層可能有幾個不同的效應，這與斷層的位置和

類型有關（圖3-30）:

1）正斷層往往是開放的、形成有效的流體通道。當儲層斷開與非滲透層

早期深層巖層上升所帶來的古壓力

巖丘展前被隔愍的筑層

對被剌穿的地層形成遮擋

盤丘附近地層水礦化亍形成專門

度的增加對滲透性的

滲透性的天

圖3-31鹽丘刺穿造成的專門壓力效應

4.成巖作用

成巖作用是使巖石礦物在地質過程中發生化學變化的過程。粘土膠結

的沉積物和一些蒸發巖沉積物，通過成巖作用形成正常壓實地層。

石油和天然氣的生成也是一個成巖作用過程。從固體有機質轉變成液

體或氣體的碳氫化合物使其密度減小、體積增大，在封閉或半封閉環境中

能夠形成超高壓。

（1）、粘土的成巖作用

粘土礦物微觀上呈片狀，極易結合水（吸咐水）。水在粘土物質中存在

的形式有自由（孔隙）水和層間（結合）水。

沉積過程中，蒙托石（微晶高嶺土）可能含有50-80%的自由水和層間

水。能夠有多達十個夾層的層間水。

按照貝斯特（Burst）脫水模型（1969）,隨著埋藏深度的增加，蒙托石

通過三個時期的脫水，最終形成伊利石。如果這些脫出的水的運移受到限

制，隨著開釋出來的水的體積的增加，有可能產生專門壓力。

（2）、從石膏轉變成硬石膏和水的成巖作用

石膏（CaSO4-2H2O）在被埋藏以后，專門快脫水轉變成硬石膏（Ca

S04）o轉變的深度（大約為600m）隨上覆壓力、地溫梯度、原始含水飽和

度而有所變化。

轉變過程使固體物質的體積減小了38%,然而總的體積卻增加了，這

是由于壓實過程中開釋出來了結合水。在硬石膏層與束縛水的循環形成的

結合帶可能形成專門高壓。

（3）、碳氫化合物的成巖過程

碳氫化合物的形成也是一個成巖過程，并可能引起超壓的形成，專門

是在該過程產生自由氣體時更是如此。在淺層（小于250m）,細菌作用使

沉積物中的有機質腐敗，產生生物沼氣。由于缺乏非滲透性的蓋層，氣體

會向地表擴散。然而在有些地區，可形成淺層氣，鉆遇這種淺層氣是淺層

鉆井的要緊災難。

隨著埋藏深度增加，有機物質的化學“裂解”形成碳氫化合物，同時

使重燒裂解形成輕燒。煌分子數量的增多意味著它將會占據更多的空間。

專門明顯，在半封閉的環境中的含燒帶地層壓力將會升高。

燒類油藏容易產生壓力專門，專門是在有大量氣體存在時更是如此。

5、溫度效應

沉積物的重力載荷往往會使沉積物內部的溫度升高。另外，在埋藏時

形成的地溫梯度，隨著沉積物總體密度的不同而有所變化。在溫度升高時,

水的體積略有增大。這就意味著地層水的溫度對專門壓力也有阻礙。

由于溫度對成巖作用的阻礙，那么溫度確實是阻礙專門壓力的一個問

接因素。

沉積物埋藏過程中，壓實效應和溫度效應都有助于在被蓋層隔離的含

圖3-33從等勢面產生的壓力專門實例

三、隨鉆地層壓力的檢測工作程序

聯機工程師有以下四點要緊義務：

1、通過對鉆井中獲得的測量參數進行分析對比，確定或調整估量的地

層流體壓力值。

2、通過利用鉆井時期的實測資料，確定或調整地層破裂壓力值。

3、關心現場鉆井人員優選使用鉆井液密度及其它常規井控所需要的參

數；定期或經常同用戶交流壓力信息。

4、一旦發覺地層壓力專門的信息，及時處理，減小二次井控的風險和

投資。

在進行隨鉆地層壓力評判時，在不同的鉆井時期應做的工作如下：

1、開鉆前收集與壓力有關的資料數據

鄰井的電測井資料(聲波和補償地層密度測井)；

鄰井的隨鉆錄井圖；

鄰井的地層壓力或綜合錄井圖；

地震壓力推測圖；

鄰井完井報告。

2、錄井前預備

(1)、使用壓力圖以估量該地區'正常'地層壓力梯度以及專門壓力帶

的頂部位置。

(2)、檢查綜合錄井圖和完井報告，查找專門壓力信息、可能的漏失帶、

可能引起壓力評判困難的地質條件(碳酸鹽巖/蒸發巖帶、不整合、斷層等)。

(3)、如果有該區域壓力梯度數據，應運算出設計井中到第一個套管鞋

位置的壓力梯度。如果是在海上還要包括水深和空氣間隔的運算。

(4)、如果有當地的泊松比系數，應估量設計井到第一個套管鞋深度的

破裂壓力梯度。

(5)、如果沒有當地的用于運算上覆壓力和破裂壓力梯度的有關系數，

分析巖性錄井圖以確定開始鉆井應該使用的合適的軟地層或硬地層系數。

(6)、參考施工井的鉆井設計，明確鉆井打算以及顯現專門壓力的可能

深度。

(7)、在海上，如果實際的水深和空氣間隔與設計值不符時，重新運算

上覆壓力梯度。

(8)、同地質監督和用戶商討，確定對壓力報告的要求：系統單位、錄

井圖比例、每天匯報時刻以及當壓力參數變化時應該向誰匯報等。

(9)、選擇壓縮深度比例(1/5000或更小)繪制所有與壓力有關的錄井

圖，以便于確定趨勢線和承諾進行校正處理。

3、鉆井過程中應做的工作

(1)、按照設計井區的地質特點，確定使用合適的地層壓力檢測方法，

使用'd'指數及Sigma指數的一種或兩種方法同時使用；使用最適合當地

條件的工作方法；盡可能進行實時講明。

(2)、對所有井段的純頁巖按采樣間隔測定頁巖密度。

(3)、通過背景氣的顯現或消逝、單根氣和起下鉆氣監控壓差變化。

(4)、如果是定向井，在進行講明和提交給現場人員之前，重新按照定

向井的真實垂直深度運算壓力參數。

(5)、每天最少繪制出兩份綜合錄井圖和壓力檢測圖供地質監督和用戶

查閱；保證任何時候錄井圖差不多上及時繪制的。

(6)、如果顯現井涌，使用關井鉆具壓力(SIDPP)來運算地層流體壓力。

(7)、要保證對所有錄井圖的及時備份，錄井房內懸掛綜合錄井圖，以

便于快速查閱。

(8)、作好鉆井日志，記錄與壓力有關的事件，對專門的壓力評判過程

和方法要保持單獨的文件名目，以便讓其它錄井人員參考。

4、在每次下套管時應做的工作

(1)、收集聲波測井資料，以便重新運算各井段的上覆壓力梯度。

(2)、如果有重復地層測試器(RFT)的壓力值，使用它們來運算正常

地層流體壓力梯度。

(3)、當鉆穿新的套管鞋時，如果有地層泄漏試驗數據的話，使用這些

數據來重新運算破裂壓力梯度和當地泊松比系數。

5、完井時應做的工作

(1)、使用電測井資料(聲波、RFT等)重新運算上覆壓力系數、地層

流體壓力梯度和泊松比系數。

(2)、應用中途測試(DST)的初始關井壓力(ISIP)值來對地層流體壓

力梯度進行重新運算。

(3)、使用校正后的參數，作出最終的綜合錄井圖和壓力錄井圖。

(4)、評判在該井中使用的壓力評判方法的體會及教訓，并在完井報告

中反映出來。

(5)、把遇到的任何專門情形，使用新的壓力檢測方法或其它事項告訴

當地油田基地，以便能夠關心他們今后改進在該地區的鉆井服務。

四、“d”指數地層壓力檢測法

1、d指數來源和差不多運算方法

鉆速(ROP)受巖石體積密度和壓差的阻礙。欠壓實地層的體積密度

比該深度下的估量密度要小。因此，鉆速是專門壓力的重要標識。

然而鉆速方法是壓力檢測中的不可靠的方法。所有類型的地面和井下

參數都對鉆速的變化產生阻礙，例如，專門難區分出是壓實效應，依舊由

于鉆壓的變化引起的鉆速變化。

在鉆頭和地層表面的一個復雜的交互面上受地層可鉆性的阻礙。為運

算方便，地層可鉆性由賓漢(Bingham)(1964)給出的一個鉆進速度方程來

定義：

式中R一鉆速，ft/min；

N一轉盤轉速，r/min；

W—鉆壓,p；

D一鉆頭直徑，in.；

a—巖性常數，無量綱；

d—壓實指數，無量綱。

約翰(Jordan)和希爾利(Shirley)(1966)省略了巖性常數'a',并用

其它體會常數來解決賓漢的'd'指數咨詢題。

為了求解'd'指數，約翰和希爾利方程成為：

R

12W

式唇。麗石鉆速，ft/h；

N一轉盤轉速，r/min；

W—鉆壓，kN；

D一鉆頭直徑，cm。

1971年由雷姆（Rehm）和邁克林頓（McClendon）第一次提出了校正

的‘d'指數（de）。鉆井液密度校正公式為：

魏=小與

式中d-'d'指數，無量綱；

de一校正'd'指數，無量綱；

dl—正常靜水壓力梯度（等效鉆井液密度單位），ppg;

d2一當量鉆井液密度（ECD）,ppg

Geoservices使用另一種校正版本的，d'指數，叫做des。des與de

的不同在于引入了一個鉆頭磨損系數。而大多數的泥漿錄井公司使用de指

數（校正J占婀密度或ECD）進行壓力運算。在API單位制下des方程是:

d=密封RN■心

“.12Wd2

式中°gR戶1粘時，min/ft；

W一鉆壓，lbs；

N一轉盤轉速,r/min；

D一鉆頭直徑，in.o

f（Z）—鉆頭磨損系數，無量綱；

dl—正常靜水壓力梯度（等效鉆井液密度單位），ppg;

d2一當量鉆井液密度或ECD,ppgo

p—鉆頭類型指數，無量綱；

下表顯示'p'指數值和與之對應的IADC值：

IADC指數

10.6

20.5

30.4

40.3

50.2

60.1

70

國內常用de運算公式如下:

1.g-----3--.2--8-2-----

,°RPMxROPG

I=—==------==rX———n

,0.0684xWBECD

式中de一校正d指數值，無量綱;

RPM一轉盤轉速，r/min；

ROP一鉆時，m/min；

WOB一鉆壓，kN；

Db一鉆頭直徑，mm；

Gn—正常液壓梯度，g/cm3；

ECD一當量鉆井液密度，g/cm30

2、des及其講明

在正常壓實頁巖中，在半對數坐標上繪制出des—井深圖，描述了壓實

作用增加的一種線性趨勢(dcn)o該圖與頁巖密度圖相似。盡管在地質情

形清晰的地區能夠使用標準的趨勢線，然而地質專家依舊繪制出了關于每

個地區的體會趨勢線(圖3—34)。

為了確定趨勢線，聯機工程師必須選擇具有代表性的純頁巖的des值。

通常，有代表性的巖性層段必須大于150m。選擇井段的起始井深的平均值

和終止井深的平均值將作為運算den的差不多值。然后聯機工程師就能夠

運算出曲線的斜度系數和趨勢線的偏移量。

趨勢線的斜度a:

圖3—34den趨勢線的確定概要圖

如果選擇井段具有不間斷的壓實史，趨勢線將延伸到具有基值的井段

以上或以下。能夠用作運算機運算和地層壓力評判，趨勢線上的任何一點

上的位置都能夠通過下式運算：

lo

giodcn=axH+b

式中H一目標層深度，mo

一樣地講，整口井的斜率有一固定值,而偏移量隨著鉆井過程的進行

而特輟21/4-三有欠壓實或

WO835klb

負任貞正壓差，或

“斑

例快

NB1V

錘鍬式鉆*i穿砂巖層時,

由于S1

(參見圖

皿3-3

5)81/2"了排除那個咨

oWOBJ

25klb

詢題

Vy異常壓力

圖3—35des隨鉆頭、底部鉆具組合特點變化示意圖

注意了解des和den之間的關系。當在斜井運算des時，專門注意要按

照實際垂直井深（TVD）而不是測量井深來運算出des值和壓實趨勢線。另

外，有幾個與鉆頭和地層有關的因素可能使des/den的值發生偏移。

圖3-35顯示des是如何隨鉆頭、底部鉆具組合特點而發生變化的，這

即使采納了鉆頭磨損系數校正因子時也是如此。當井眼直徑、鉆頭類型、

鉆具組合和水動力發生變化時，des的值也會隨著發生偏移。

圖3-36顯示des是如何隨地層條件發生變化的。在頁巖段，通過適當

的講明，運算往往是理想的。例如，在淺井鉆探中，未固結的巖層可能產

生錯誤的des值。在如此的地層，鉆頭要緊的作用是介于對鉆井液的噴射和

3des值向右偏移。而趨勢

差的變化可能導致錯誤的d

的鉆進速度比頁巖帶快，

弋分散的、錯誤的值。

戔，以使它們堅持適當的關

層的不整合造成的，那么

妥量對其它任何地層的‘d'

的（例如在壓實頁巖層）,

結合其它與壓力有關的參

更加準確判定。

圖3-36由于地層條件而引起的des的變化

3、上覆壓力運算

按照壓裂試驗數據、聲波測井數據、密度測井數據等運算上覆巖層壓

力梯度、基巖應力系數和波松比。并回來出上覆巖層壓力梯度與井深、基

巖應力系數與井深的曲線方程。

(1)基巖應力系數K

K_Gf-Gp

~Go-Gp

式中Gp—地層孔隙壓力梯度,g/cm3；

Go—上覆巖層壓力梯度,g/cm3；

Gf—地層破裂壓力梯度,g/cm3。

_片一9.81x105x(乩一乩)

產P,"+9,81x/7

式中Pm一井內泥漿密度,g/cm3；

P1一地層漏失時立壓,kPa；

H一井深,m；

Hb—海床深度,m；

Hw—海水深度,m。

(2)上覆巖層壓力梯度Go

『A/7

G“=工Pb、萬

式中Pb—地層密度,g/cm3；

△H—井深間隔,m；

H一井深,m。

…T100X吊W

式中Prm—基巖密度,g/cm3；

Ati—地層聲波時差，PS;

Atrm—基巖聲波時差，Us；

Atf一泥漿聲波時差，USo

(3)上覆巖層壓力

上覆巖層壓力和波松比的運確實是按照初始給定數據和公式。

1)上覆巖層壓力

S=Ax(ln/f)2+Bxln//+C

式中H一垂深，m；

A,B,C一系數。

法國GEOSERVICES公司舉薦值為：

硬地層:A=0.0334；B=-0.3439；C=2.9986

軟地層:A=0.0301；B=-0.3278；C=2.9015

(4)波松比P

按照輸入的波松系數第一求基巖應力系數K

K=6(0而"+小)

式中KA,KB一系數，舉薦值為：

硬地層：KA=0.354；KB=-3.1846

軟地層：KA=0.266；KB=-2.351

波松比：

4、地層壓力運算

(1)正常壓力層

當de指數曲線位于左邊界右側時，則認為該地層為正常壓力層，地層

壓力等于正常的地層液壓梯度，按照地區不同一樣在0.97-1.06g/cm3。即

Pf=G?

式中Pf—地層壓力系數。

(2)滲透性地層

當de指數曲線位于砂巖線左側時，則認為該地層為滲透性地層，該段

地層壓力繼承上覆欠壓實地層的地層壓力。即

Pf=PFR

式中PFR—上覆地層壓力系數。

(3)欠壓實地層

當de指數曲線位于左邊界與砂巖線之間時，則認為該地層為欠壓實地

層，按照de指數運算地層壓力：

--(S-G)廣

5、地層破裂壓力運算

?"=號+七。一號)

式中Frac一地層破裂壓力。

6、地層孔隙度運算

de指數在砂巖線左時

1.2

S—0.93P,-0.02G,,

。=---------------0.093-

S-G

de指數疝砂魯n線右時

0=1_兒

式中')一地層孔隙度，％。

PV—泥頁巖體積密度，g/cm3；

pmx一基巖密度，g/cm3□

五、Sigma錄井

1、Sigma錄井的來源

Sigma錄井是另一種地層壓力評判方法，是在二十世紀七十年代中期，

由意大利石油公司AGIP在坡(Po)山谷鉆探時提出來的。在不連續的砂泥巖

層或石灰巖層中，從'd'指數運算出的壓力數據不可靠，同時專門難建立

一條連續的壓實趨勢線。另外，'d'指數的運算也不能直截了當補償壓差

的變化，而壓差對井眼的沖洗和鉆速的阻礙差不多上專門大。Sigma錄井對

這些參數進行了優選，并成功地運用在全世界的粘土質地層錄井中。

另外，用戶能夠對用作壓力運算的不真實的高值或低值進行處理。該

頂功能對應于用來運算'd'指數的‘砂巖線

'd'指數的趨勢線變換是對連續地層鉆井參數進行補償，而Sigma指

數變換是對混合型的粘土質地層的鉆井參數進行補償，趨勢線一樣的斜率

為0.088,它被證實在歐洲和北海地區差不多上正確的。其它的地區可能需

要不同的斜率值，用戶能夠對斜率值進行修改。

2、原始Sigma（ot）

差不多的Sigma運算包括兩個部分。第一部分關于巖石的可鉆性的確

定；第二部分關于壓差的阻礙。

第一，需確定原始Sigma（。t）值，它是無量綱的：

2_%二/RPM°"

vnD0.25

DhxR（）p

式中WOB一鉆壓，t；

RPM一轉盤轉速，r/min；

Dh一鉆頭直徑,in；

ROP一鉆速，m/ho）

不同參數之間的關系是體會性的。在理論上講，在同樣的深度鉆穿相

同的巖層，除不同的鉆壓、轉速、鉆頭直徑和鉆速外，'ot'的值關于兩個

同類鉆頭應該相同。在實際運用中，由于鉆井參數的持續變化，可能引起

'ot'值的一些變化。

3、對淺層井眼條件下校正后的原始Sigma值（。壯）

當把'。/的值對應于井深繪圖時，有大量的'。「的點比平均值大

或小。這在淺井中尤為明顯。正因為如此，運算中使用了一個校正系數運

算調整后的原始Sigma值（otl）：

向；=向+0.028（7—由）

式中L一井深，m0

一樣講來，當值（otlWl）時代表砂巖，當值（otl>1）時代表頁巖。

4、“井眼清洗系數”（n）

變量'n'是地層孔隙度和滲透率的函數。當井底壓差為正值時，巖石

的孔隙度和滲透率確定巖層內部流體壓力何時才能與鉆井液壓力相等，反

過來將阻礙到巖屑能被鉆井液帶到地面的速度（“巖屑沉降效應”）。因此，

'n'描述鉆井液把巖屑從鉆頭上沖洗掉的效率。

'n'的運算有兩種方法，這與'otl'的值有關：

如果向41,則

3.2

f2—----——.

640為標7

如果向＞1,則

1〃0.75、

及=—(4；=)

640后

由此可見頁巖的‘n'值比砂巖大，頁巖層井眼清洗效率比砂巖的要低。

5、壓差的阻礙(F*)

變量F*描述了壓差對地層可鉆性的阻礙。那個地點要有一個已知的關

于每個目標層的壓差值。

實際的壓力差為：

△P=(p-七哈

式中AP—壓力差，kgf/cm；

P一鉆井液密度，kg/1；

PH一正常地層流體壓力梯度，kg/1；

L—深度，m。

PH的值是由局部地層流體的平均密度確定的。通常，由于缺乏對局部

地層信息的了解，操作員必須估量出PHo一樣地講，‘AP'值的增加引

起鉆速的減慢，而'AP，的減小引起鉆速的加快。當AP的值為零或接近

于零時，鉆速最大。鉆速有關于'AP'的變化是非線性的。

為了運算Sigma值，壓差的阻礙被描述為一個系數：'F*'。關于每個

估量深度，'F*'滿足方程：

〃x△尸

式中n—井眼清洗系數；

△P—壓差，kgf/cmo

6、真實Sigma(oo)

真實Sigma(oo)值，也稱為“巖石強度參數”。運算公式如下：

百二F*又向

式中。0—巖石強度參數

3000-

4000—

一系列互相連接的點（圖3—37）。與‘d'

指戮Sigma值的范疇從。到1。

5000-

圖3—37Sigma錄井圖（巖石強度參數）

'。。'的值在可鉆性增大時具有向左偏移的趨勢，而當可鉆性減小時,

具有向右偏移的趨勢。發生偏移是由于巖石機械特性的變化（巖性或孔隙

度），鉆井參數的變化（要緊是井眼直徑），或以上兩種因素阻礙造成的。

關于一個巖性相同的地層剖面，'。o'的值隨著深度的增加而增大，

為正常壓實趨勢（or）。巖性的改變，如從頁巖到砂頁巖，或者鉆井參數的

重大變化，會引起‘。。'值的突然偏移，接著從巖性或鉆井參數開始變化

的下一點，顯現一個新的平均值。因此，當顯現巖性變化，井眼直徑或鉆

圖3-38Sigma錄井圖的標準化處理

A-Sigma偏移錄井圖，B-沒有壓差補償的標準化錄井圖

C-具有壓差補償的標準化錄井圖

9、正常趨勢線上Sigma值cr,.

（T—A-——+B

r1000

式中A,B—正常趨勢線的斜率與截距，可由初始化給定的兩點確定。

一樣：A=0.088

10、Sigma地層壓力Pf

_20-（1-/）

/-5”.丫.（2_丫）.”，

y=口

巴

若

Pf<Pn

則

Pf=Pn

11、Sigma破裂壓力

工，。二號+白卜一號）

12、Sigma孔隙度

1.4+9x⑦

六、其它隨鉆地層壓力評判方法

除de指數、SIGMA值外，隨鉆錄井過程中，還有許多定性的可用于

的地層壓力檢測方法。在實際工作中，以de指數、泥（頁）密度、SIGMA值

為主，參考巖性、出口鉆井液溫度、氣測顯示等資料，確定地層壓力專門

過渡帶和專門高壓地層的位置；利用運算機綜合處理軟件確定地層壓力系

數。

1、鉆速變化

鉆速（ROP）作為相對孔隙度的指示標志。鉆速的確可能是一個專門

地層壓力的專門好的指示標志，因為欠壓實地層的孔隙度比該深度估量孔

隙度要高。然而，許多因素可能使鉆進速度發生變化。因此，鉆速又是一

個不可靠的地層壓力指示標志。

鉆速隨著深度的增加而減小。鉆速減小的要緊緣故是由于被鉆巖石的

體積密度的增加。頁巖和粘土顯示出明顯的壓實效應。在正常壓實條件下,

隨著深度的增加，壓實作用增加，鉆進速度或多或少會按照指數規律減小。

壓差對鉆速的阻礙較大。專門難測量頁巖等非滲透性巖層中的孔隙壓

力，然而，通過不同的測試差不多顯示：當顯現負壓力差時，鉆速達到最

大。

°、產昭，上*講行光涌預報

tW1&W0B

11轆CD-個標志確實是進入滲透層前的鉆速加快。而鉆

深度：正常I窠度增加井段的標志。該井段可能是油氣層，也

速加

：i也層壓力段。大多數石油公司要求司鉆在顯現快

可能

Xh____________1|，，觀看鉆井液流量變化。

鉆時

二度帶的指示標志

一|異］位于該深度巖石是欠壓實的。在欠壓實段鉆速

卜I工1I告成的結果（圖3—39）。

的增

差矗J快'Jp"

目的指示標志。在地面上監測出

在滲透層和非滲透層中鉆開的巖

書物中開釋出來的氣體；來自井

己地層流體中有溶解氣的地層。

圖3—40被鉆開的氣體來源（福特，1976）

另外，由于地面的污染和不適當的脫氣可能增加測量出的碳氫化合物

的量。錄井人員應該把每種來源的氣體作為平穩鉆井的指示標志。氣體在

井眼中集合的結果能夠使鉆井液柱壓力減小，進而使壓差減小。

（1）、鉆井液中氣體顯示成效

在正常鉆井過程中，地面監控設備能檢測出一條相對平穩的從鉆井液

中脫出的氣體曲線。這種背景氣能夠顯示出由于鉆速、鉆井液流速和地層

含好氣體,背景氣應當堅持在

該區W轉時，背景氣完全消

逝，

）面的緣故:

積;

圖3—42抽汲-沖擊效應

接單根氣和起下鉆氣是由鉆井液柱壓力和地層流體的壓力不平穩引起

的。如果在鉆井液流淌（循環）狀態下，壓差為零或接近零，如果停泵將

引起負壓差。地層中的氣體將會擴散到井眼中。

如果接單根氣隨時刻變化而增大，表明可能進入壓力過渡帶，同時現

用鉆井液密度已不能平穩地層壓力（圖3—43）。如果單根氣和背景氣同時

增大.則專門可能存在負壓弟C

（而減小了靜液面

上更多的氣體進入

,在如此淺的深度

之種情形能夠進展

香注意氣體含量的

圖3—43壓差和單根氣

A一穩固的正壓差；B—逐步降低的正壓差（過渡帶）；C—負壓差

（2）、專門壓力的氣體組分效應

在許多地區，從地面進行氣體組分測量，分子比甲烷（CH4）大的重煌

組分的顯現或增加，標志著存在一個從正常壓力到專門壓力的過渡帶。

由于碳氫化合物分子的大小不同，不同的碳氫化合物從地層巖屑中析

出的速度是不同的。在欠壓實地層，氣體析出速度有變化，表現為地面測

量到的重燒組分相對增加（例如C2/C3比值降低）。圖3—45確實是一個專

門壓力層氣體比值一深度圖，該井反映的C2/C3比值的變化專門明顯。

3、扭矩、超拉和拖曳（遇阻）

當在頁巖和粘土巖中存在負壓差時，地層可能剝落（垮塌）到井眼中

去。當垮塌的速度超過了鉆井液所能攜帶它們的速度時，大量的垮塌物會

在井底堆積。垮塌物可能干擾鉆頭和扶正器的旋轉。這種情形下，扭矩會

增大。

4、鉆井過程中泥漿池液面上漲/流量增加

地層流體的侵入將排擠井眼內的鉆井液。這種排擠必定導致鉆井液系

統的泥漿池液面的升高，或者（測量時）入口流量的增大。流量增大到一

定時，可能會發生井涌。

5、泥頁巖垮塌