井筒內的壓力及相互關系培訓教材

1、壓力的概念

1.1壓力定義

壓力也稱壓強，其定義是單位面積上所受的力。

1.2壓力表達式

A

2-1

式中：P---壓力，N/m2；A----面積，m2；F----作用在

面積上的力，No

1.3壓力的單位—Pa

有關壓力單位的換算：

lPa=lN/m2；lkPa=1000Pa=103Pa；

lMPa=1000kPa=103kPa=1000000Pa=106Pa；

lMPa=10.194kgf/cm2；

lkgf/cm2=98.067kPa=0.098067MPa；

近似計算lkgf/cm2=100kPa=0.IMPa,誤差約2%；

英制中，lpsi=6.895kPao

［例題］如圖2-1,已知一

圓柱體立放在桌面上，其底面

直徑100mm,高1m,重5kg。求

圓柱體對桌面壓力。

解：圓柱體底面積

=3.14X1074=78.54cm2；

圓柱體對桌面壓力圖2-1圓柱作用下的壓力

=5kg/78.54cm2

=0.064kgf/cm2=6.246kpa。

井控中的很多壓力是由液體和氣體產生的，但壓力的概

念是一樣的，所不同的是液體和氣體在某點上的壓力在各個

方向均相等。

2、地層壓力

1

k

保存在地層孔隙內的

流體（油、氣、水）所具有

的壓力稱為地層壓力。在

鉆井過程中，當鉆至油氣

水層后，地層壓力便作用

于井底。在充滿鉆井液的

井眼中，井底具有以鉆井圖2-2鉆井液對油氣層的危害

液液柱為主的井底壓力。1―固相顆粒；2—水；3—油；4

井底壓力與地層壓力的差一水；

值稱為井底壓差。當?shù)貙?—油；6—泥質吸水膨脹；7—

壓力大于井底壓力時，井水；8—油

底壓差為負壓差，地層孔隙中的流體便會侵入井內，發(fā)生井

噴事故。當井底壓力大于地層壓力時，井底壓差為正壓差，

地層孔隙中的流體就不會侵入井內。但是，當井底正壓差大

時，就會產生下列危害。

（1）油氣層的縫隙。鉆井液中的粘土等固相顆粒在井

底正壓差的作用下，侵入油氣層的孔隙或裂縫之中，阻止或

防礙油、氣流出。正壓差越大，鉆井液中的固相顆粒越多，

則固相顆粒越易侵入地層孔隙或裂縫之中，堵塞就越嚴重

（見圖2-2）o

（2）油、氣流產生“水鎖效應”。在井底正壓差的作用

下，鉆井液中的自由水就會不斷地向地層縫隙中滲透，在地

層縫隙中形成一段水、一段油，（如圖1T）。由于油一水和

氣一水之間有表面張力，油氣要想流入井眼中，就必須克服

一段段水的表面張力所形成的阻力，這樣，水就封鎖了油氣

流入井內的通道，這就是所謂的“水鎖效應”。井底正壓差

越大，失水量越大，鉆井液浸泡時間越長，地層中的水量就

越多，滲入地層中的深度就越大，一般為幾十厘米，有時可

達幾米，甚至數(shù)十米，這就會嚴重阻礙油氣流入，降低油氣

產量。

（3）油、氣層中泥質吸水膨脹，堵塞油、氣通道。當

鉆至油氣層，如果油氣層中的粘土等泥質成分含量較高，那

么在井底正壓差的作用下，鉆井液中的自由水就會進入油氣

層。油氣層中的泥質成分吸水膨脹堵塞油、氣通道，就會降

低油、氣產量。井底正壓差越大，浸入油氣層的自由水就會

越多，堵塞就越嚴重。

（4）降低機械鉆速。在井底正壓差的作用下，鉆頭破

碎的巖屑會被緊緊地壓在井底而不能及時離開，造成鉆頭對

巖屑的重復破碎，從而影響鉆頭破碎巖石的效率，導致機械

鉆速下降。井底正壓差越大，機械鉆速越慢。

（5）易形成粘附卡鉆。鉆井過程中，由于井眼不可能

完全垂直，當井下鉆具靜止不動時，鉆柱在井底正壓差的作

用下靠向井壁，與井壁泥餅緊密結合（陷入泥餅中），如果靜

止時間較長，井底正壓差較大就會把鉆柱緊緊地壓在井壁

上，從而產生粘附卡鉆。

（6）易發(fā)生井漏。在鉆井過程中，如果地層孔隙度大,

滲透性好，那么，鉆井液就會在較大的井底正壓差的作用下

發(fā)生滲透性漏失。

圖2-3正常地層壓力形成

ZF意圖

1一地表；2—地層縫隙；3

一地層水；4—油層；5—油井。

當然，井底正壓差較

大，對防止井噴是極其有利

的。過去人們往往怕井噴而

過大地增加鉆井液密度，人

為地增大井底正壓差，這樣

做的結果是井雖未發(fā)生井

噴，但油氣層卻被堵塞了。

過去，常常會看到這種現(xiàn)象，有的油、氣井在鉆進時油氣顯

示很好，而完井試油時，卻不出油產氣，或者產油、氣很少。

因為石油鉆井的主要目的是為了開發(fā)地下油氣資源。所以，

我們在鉆井過程中，必須盡量減少井底正壓差。

為了多出油，快打井，減少卡鉆、井漏等事故的發(fā)生，

井底正壓差應該是越小越好，最理想的鉆井狀態(tài)為井底壓力

等于地層壓力，使井底壓差等于零。在井底壓力等于地層壓

力條件下的鉆井過程為平衡鉆井。平衡鉆井是很難做到的，

一般情況下是使井底壓力稍大于地層壓力，保持最小的井底

正壓差，這種在井底壓力稍大于地層壓力條件下的鉆井過程

為近平衡鉆井，近平衡鉆井有以下優(yōu)點：

（1）避免堵塞油氣縫隙，有利于發(fā)現(xiàn)與保護油氣層。

（2）提高機械鉆速。

（3）防止粘附卡鉆。

（4）防止井漏。

2.1正常地層壓力

地質上認為：含有油氣水的地層是通過滲透性地層形成

的縫隙與出露在地表的地層相互溝通，在這個相互溝通的縫

隙內充滿著地層水（如圖2-3）o

2.1.1正常地層壓力的定義與計算

某地區(qū)的正常地層壓力就是該地區(qū)較為普遍的地層水

所形成的靜液柱壓力，其計算公式為：

P=PgH=O.0098PH

2-2

式中：P—正常地層壓力，MPa；

P一地層水密度，g/cm3；

g—重力加速度，g=9.8m/s2；

H—地層深度，mo

地層深度一定是地層垂直深度，與某深度的地層相互溝

通的出露在地表的位置與該地層的水平距離可以達到數(shù)十

公里，產生溝通作用的滲透性地層的傾斜距離會更多，這種

水一平距離、傾斜距離都不能做為計算正常地層壓力的依

據(jù)。

［例題］某地區(qū)較為普遍的地層水密度為1.07g/cm3,求

地層垂直深度分別為1000m,2000m,3000m的正常地層壓力

為多少？

解：Pi=0.0098PH=0.0098XI.07X1000=10.486(MPa)；

P2=0.0098PH=0.0098X1.07X2000=20.972(MPa)；

P3=0.0098PH=0.0098X1.07X3000=31.458(MPa)o

答：地層垂直深度分別為1000m,2000m,3000m的正常

地層壓力分別為10.486MPa；20.972MPa和31.458MPao

2.1.2正常地層壓力的四種表示方法

(1)用壓力的具體數(shù)值表示地層壓力

如在例2-1中：地層垂直深度分別為1000m,2000m,3000m

的正常地層壓力分別為10.486MPa；20.972MPa和31.458MPao

(2)用地層壓力梯度表示地層壓力

由例2-L可以看出，正常地層壓力與地層深度成正比，

地層深度增加幾倍，正常地層壓力隨著增加幾倍；同樣，地

層深度減小，地層壓力也隨著減小。它們擴大、減小的規(guī)律

是：地層壓力和地層深度的比值總是一定的。這個定植

10.486MPa/m就是某地區(qū)的正常地層壓力梯度。

地層壓力梯度是單位地層深度地層壓力的變化量。其計

算公式為：

G=￡=0.0098加=0002-3

HH

式中：G一地層壓力梯度，MPa/m；

P—地層壓力，MPa；

H—地層深度，mo

對于某地區(qū)來說，由于地層水密度是一定的，所以某地

區(qū)的正常地層壓力梯度是一個固定不變的值。正常地層壓力

梯度能夠較直觀地表示某地區(qū)的正常地層壓力。在異常壓力

地層，同樣可以用異常地層壓力梯度來表示異常壓力地層。

［例題］某地區(qū)3500m以上為正常地層壓力，測得地層深

度為2500m處的地層壓力為26.215MPa,求該地區(qū)的正常地

層壓力梯度。

解：G=P/H=26.215/2500=0.0105(MPa/m)o

答：該地區(qū)的正常地層壓力梯度為0.0105MPa/m。

［例題］某地區(qū)地層水密度為1.05g/cm3,求該地區(qū)正常地

層壓力梯度。

解:G=0.0098P=0.0098X1.05=0.0103(MPa/m)o

答：該地區(qū)正常地層壓力梯度0.0103MPa/mo

在鉆井施工前，我們如果已經(jīng)了解本地區(qū)的正常地層壓

力梯度，那么，在鉆井過程中，如果想知道某地層深度的正

常地層壓力的具體數(shù)值，只要將正常地層壓力梯度乘以地層

深度即可。

［例題］某地區(qū)正常地層壓力梯度為0.0118MPa/m,當井

深為2000m時，地層壓力為多少？

解：P=GH=0.0118X2000=23.6MPao

答：地層壓力為23.6MPa。

（3）用地層壓力當量鉆井液密度表示地層壓力

地層壓力梯度消除了地層深度的影響，如果同時消除地

層深度和重力加速度的影響，那么，地層壓力便可直接用地

層壓力當量鉆井液密度來表示，地層壓力當量鉆井液密度就

是平衡地層壓力所需的鉆井液密度：

P-4=P2-4

gHgH"

式中：Pe一地層壓力當量鉆井液密度，g/cm3o

由上式可知，正常地層壓力當量鉆并液密度的數(shù)值等于

形成地層壓力的地層水密度。因此，只要知道某地區(qū)的地層

水密度，就能直接得到正常地層壓力當量鉆井液密度，鉆井

工作者便可以采用相當?shù)你@井液密度實現(xiàn)平衡鉆井，或者采

用比地層壓力當量鉆井液密度略高的鉆井液密度，實施近平

衡鉆井。由于地層壓力當量鉆井液密度易與鉆井中所用的鉆

井液密度形成對比，因此用地層壓力當量鉆井液密度表示地

層壓力較之地層壓力梯度更為直觀。

［例題］地層深度為2000m時，地層壓力為20.972MPa,

問地層壓力當量鉆井液密度為多少?

解：Pe=P/(0.0098H)=20.972/(0.0098X2000)

3

=1.07g/cmo

3

答：地層壓力當量鉆井液密度為1.07g/cmo

由于各地區(qū)的地層水礦化度各不相同，有的是淡水，有

的是海水，有的是鹽水，因此，各地區(qū)的地層水密度也各不

相同。所以，各地區(qū)的正常地層壓力當量鉆井液密度值也各

不相同。例如，勝利油田為1.02g/cn13,東南亞為1.03g/cm3

時，墨西哥灣為L07g/cm3。

(4)用地層壓力系數(shù)來表示地層壓力

當用地層壓力當量鉆井液密度表示地層壓力時，人們在

3

敘述時要說某地區(qū)正常地層壓力為1.07g/cmo為了敘述方

便起見，人們往往把單位去掉，而說某地層壓力為L07,這

就是地層壓力系數(shù)。

地層壓力系數(shù)是指某地層深度的地層壓力與該深度處

的淡水靜液柱壓力之比。地層壓力系數(shù)無單位，其數(shù)值等于

平衡該地層壓力所需鉆井液密度的數(shù)值。

K=—=PGH=2=p(取掉單位)2-5

P水P水gH。水

如2000m深度的地層壓力為20.972MPa,相同深度的淡

水靜液柱壓力為1X0.0098X2000=19.6MPa,則：

地層壓力系數(shù)=20.972MPa/19.6MPa=l.07o

在鉆井工作中談到地層壓力時，上述四種表示方法都可

能用到，當用地層壓力當量鉆井液密度表示地層壓力時，可

以不再說明是地層壓力當量鉆井液密度而直接稱之為地層

壓力。由于它們的數(shù)值與單位都相同，所以要按上下文的意

思進行理解，以與鉆井液密度相互區(qū)別。

在前面我們提到地層壓力、地層壓力梯度、地層壓力當

量鉆井液密度、地層壓力系數(shù)時僅對正常地層壓力進行了一

些闡述。實際上上述概念也適用于其它壓力，如異常高壓層、

異常低壓層、靜液柱壓力、地層破裂壓力等。

［例題］如地層液體密度為1.20g/cm3,試求垂直深度為

2000m處地層壓力，地層壓力梯度,地層壓力當量壓井液密度,

地層壓力系數(shù)。

解：地層壓力Pp=0.0098P

pH=0.0098*1.20*2000=23.52MPa；

地層壓力梯度Gp=O.0098P

p=0.0098*1.20=0.01176MPa/m；

地層壓力當量壓井液密度Pe=Pp=l.20g/cm3;

地層壓力系數(shù)K=l.20o

2.2異常地層壓力

在鉆井過程中所遇到的壓

力不單是正常地層壓力，還經(jīng)常圖2-4砂巖層的正常與

會遇到異常低壓地層和異常高異常壓力

壓地層。

2.2.1異常低壓層

異常低壓層是指地層壓力低于正常地層壓力的地層。

在一般情況下，地層壓力小于1.00g/cm3的地層才稱之

為異常低壓層（或低壓層），低壓層的壓力可能低到0.80g/

cm3,甚至更低。

異常低壓的成因：

（1）生產多年的衰竭油氣層；

（2）大量生產而沒有充分注水補償?shù)挠蜌猱a層；

（3）同一水動力系統(tǒng)的地層露頭低于井口；

（4）地下水位很低，等等。

2.2.2異常局壓層

異常高壓層是指地層壓力高于正常地層壓力的地層。

在一般情況下，地層壓力高于1.07g/cm3的地層才稱之

為異常高壓層（或高壓層），高壓層的壓力可能高到2.35g/

cm3,甚至更高。

異常高壓的成因：主要有沉積壓實不均、水熱增壓、滲

透作用和構造作用等。應該清楚地懂得，任何一種含油氣的

地質構造，都可能是異常高壓層。

總上所述：正常壓力地層Pp=l.0-1.07g/cm3；

3

異常高壓地層PP>1.07g/cm；

3

異常低壓地層PP<1.0g/cmo

2.3地層壓力預報

在鉆至油氣層時，就會遇到異常高壓層，如果不知道異

常高壓層的壓力值，而仍采用比異常高壓低的井底壓力進行

鉆井，就會造成井噴。如果人們?yōu)榱朔乐咕畤姸つ康卦龃?/p>

鉆井液密度，就會使井底壓力大大超過高壓層的壓力值，造

成油氣通道的嚴重堵塞。因此，必須在鉆開高壓油氣層前就

知道高壓油氣層的壓力值，只有這樣，才能夠準確地確定合

理的鉆井液密度，實施近平衡鉆井。

在鉆井施工前進行的地層壓力測定工作為地層壓力預

報。

地層壓力預報方法主要有地震法和鄰井資料對比法。

2.3.1地震法

利用地震法進行地層壓力預報是物探部門的一項重要

工作，鉆井工作者只需了解一下它的基本原理即可。

在正常壓力地層，隨著巖石埋藏深度的增加，上面的巖

層壓力逐漸增大，地層孔隙度逐漸減小，這就使地震波的傳

播速度隨巖石埋藏深度的增加而成正比地增加。當?shù)卣鸩ǖ?/p>

達高壓油氣層時，由于高壓油氣的存在，使地層孔隙度增大,

這就使地震波的傳播速度隨之下降，因此，人們可以根據(jù)地

震波在高壓油氣層中的減小值來確定高壓層的壓力值。

2.3.2鄰井資料對比法

如果在某地要鉆的井附近，有一些已鉆過的井，這些井

地層壓力資料對要鉆的井有著重要的指導意義。鄰井的電測

數(shù)值能夠很準確地反映出各個地層深度的地層壓力數(shù)值，這

是最好的參考資料，大多數(shù)新井鉆井過程中的高壓層位置都

是與鄰井電測資料進行對比而知道的。我們要充分了解鄰井

的正常地層壓力值，高壓地層壓力值和與其相對應的井深。

在該井的鉆進過程中，要經(jīng)常與鄰井壓力資料進行對比，在

鉆進到與鄰井相應井深的高壓層時要特別引起注意，并可按

照鄰井的高壓層壓力值適當調整鉆井液密度，實施近平衡鉆

井。

2.4地層壓力監(jiān)測

鉆井過程中，在鉆開高壓油氣層前進行的地層壓力測定

工作為地層壓力監(jiān)測。

地層壓力監(jiān)測方法有機械鉆速法、de指數(shù)法、頁巖密度

法等。

2.4.1機械鉆速法

在鉆進過程中，當鉆壓、轉速、地層巖性、鉆頭類型、

鉆井液密度及水力參數(shù)不變時，在正常地層壓力情況下，隨

著井深的增加，巖石孔隙度減小，巖石越來越致密、堅硬，

機械鉆速越來越低。當鉆達高壓油氣層時，巖石孔隙度增大,

巖石較疏松，易于鉆進，同時，在高壓過渡帶與高壓帶地層

中，地層壓力逐漸增加，井底壓差逐漸減小，因此，機械鉆

速逐漸增加。人們根據(jù)這一規(guī)律可以檢測地層壓力。

2.4.2dc指數(shù)法

機械鉆速法的前提是鉆壓、轉數(shù)、鉆井液密度及水力參

數(shù)固定不變，但在實際的鉆井過程中，鉆壓、轉速很難固定

不變，因此，機械鉆速法不能準確預報地層壓力，更難定量

計算，為此，出現(xiàn)了de指數(shù)法。

de指數(shù)的計算公式：

公」g(O047V/N)xp,2-6

lg(0.0684P/D)pm

式中：V一機械鉆速，m/h；

N—轉數(shù)，r/min；

P一鉆壓，kN；

D—鉆頭直徑，mm；

Pn—該地區(qū)地層水密度或正常地層壓力當量鉆

井液密度，g/cm3；

Pm—實際使用的鉆井液密度，g/cm3；

de一修正鉆壓指數(shù)。

在鉆進過程中，當?shù)貙訋r性、鉆頭類型、水力參數(shù)固定

不變時，在正常地層壓力情況下，隨著井深的增加，巖石孔

隙度減小，難于鉆進，de指數(shù)值增加；當鉆達高壓油氣層時,

巖石孔隙度增大，易于鉆進，de指數(shù)值減小。人們可以根據(jù)

de指數(shù)在高壓油氣層中的減小值來定量汁算高壓油氣層的

壓力值。

計算de指數(shù)值是鉆井技術人員的一項重要工作。但是,

計算de指數(shù)值時需要鉆壓、鉆速、轉速、鉆井液密度等數(shù)

據(jù)，準確及時地收集這些數(shù)據(jù)是鉆井工作者的重要職責。在

進行上述資料的收集時，應注意以下幾點：

（1）收集點距?？焖巽@進時，每10—20m收集一次上

述數(shù)據(jù)；一般情況下，每5-10m收集一次上述數(shù)據(jù)，在高

壓過渡帶和高壓層等重要井段每1—2m收集一次上述數(shù)據(jù)。

（2）只能在泥巖中收集上述數(shù)據(jù)（在其它類型地層中不

能使用de指數(shù)法）。

（3）用de指數(shù)檢測地層壓力的井段，鉆頭類型、水力

因素不能改變，鉆壓、轉速變化

不能太大。

（4）鉆速資料可根據(jù)鉆井隊

地質班的鉆時資料進行計算。鉆

壓由鉆井班記錄工進行收集，為

了保證鉆壓的正確，指重表必須

靈敏可靠。記錄工責任心要強，

記錄要及時，嚴禁事

后回憶填寫。指重表記錄卡

曲線要記錄清楚，以備參考。轉

速資料分二部分進行收集，記錄

工記錄轉盤的使用擋數(shù)，機房甲

司助記錄鉆進時柴油機的相應轉

數(shù)，以各擋的傳動比除柴油機轉

數(shù)得到轉盤轉數(shù)值。鉆井液密度

由井隊泥漿工進行收集。圖2-5dc-H曲線

(5)一般認為，應從可能存1—正常地層壓力

在高壓井段的前500—1000m開帶；2—高壓過渡帶；3—

始收集資料數(shù)據(jù)。異常高壓帶；4—正常趨

當計算出各不同井深的de勢線。

指數(shù)值后，就可以畫出de—H曲線(如圖2-5)。

dc-H曲線主要由三部分組成：

正常地層壓力帶：隨著井深的增加，de值基本上成正比

地增加，根據(jù)它們的變化趨勢可以畫出正常趨勢線。

高壓過渡帶：它也叫高壓層的封閉帶，是地層壓力由正

常地層壓力過渡到異常高壓的區(qū)間。de值明顯減小而連續(xù)地

向正常趨勢線左側偏離。

異常高壓帶：de值變化終了趨于穩(wěn)定的一段。

在鉆進過程中，尤其是在鉆

至高壓過渡帶和異常高壓帶時,

一定要及時進行de值的計算，應

鉆到哪，就計算到哪，繪制de—H

圖2-6dc-H曲線曲線到哪，不能滯后所鉆達的地

1—正常地層壓力層。當根據(jù)de值和de—H曲線，

帶；一旦發(fā)現(xiàn)地層壓力增高時，就應

2—高壓過渡帶；3及時增大鉆井液密度，一邊循環(huán),

一異常高壓帶；4—正常一邊進行加重工作，直至鉆速穩(wěn)

趨勢線。定為止。只有這樣逐漸增加鉆井

液密度，才能及時平衡地層壓力，實施近平衡鉆井。

de指數(shù)法簡便易行，鉆井現(xiàn)場應用比較廣泛。但是，由

于de指數(shù)法沒有考慮鉆頭類型、水力參數(shù)、鉆頭磨損等對

鉆速的影響，因此，在鉆頭更換前后和水力參數(shù)變化時，鉆

速變化劇烈，de指數(shù)法便不能應用。標準化鉆速法考慮了鉆

頭類型、鉆頭磨損及水力參數(shù)對鉆速的影響，應用時較為準

確，但是，它的計算、作圖相當復雜，井隊應用較少。

2.4.3頁巖密度法

在正常地層壓力情況下，隨著井深的增加，巖石孔隙度

減小，巖石密度增大；當鉆達高壓油氣層時，巖石孔隙度增

大，巖石密度減小，根據(jù)這一規(guī)律可以監(jiān)測地層壓力。

頁巖密度法的施工步驟：

（1）巖屑惟備

鉆進過程中，從出日鉆井液槽處或震動篩上撈取頁巖砂

樣，然后用清水輕輕沖去巖屑上的鉆井液，用干毛巾擦清和

用濾紙吸出巖屑上的自由水（有時用電爐烤干）。對每次取得

的巖屑必須經(jīng)過嚴格挑選，要剔除大的掉塊和經(jīng)反復磨圓了

的巖屑。為了卡準巖屑的真實深度，還必須準確計算巖屑遲

到時間。

（2）巖屑密度的測定

將準備好的巖屑放入鉆井液密度計的杯中進行稱量。

（3）作圖求壓

壓力（MPa）

圖2-7上覆巖層壓力與

把每一個測點的頁巖密度值,地層壓力

及時畫在密度與井深的關系圖上，然后，通過正常地層壓力

井段的頁巖密度點引出密度變化的正常趨勢線。該線是檢測

地層壓力的基礎，其準確度對求壓關系甚大。從圖2-6可清

楚看到，當頁巖密度開始偏離正常趨勢線后，即表明進入高

壓過渡帶頂部，偏離量越大，地層壓力越高。人們還可以根

據(jù)頁巖密度偏離正常趨勢線值的大小求出地層壓力。

除上述幾種方法外還可通過電測井，氣測井、聲波測井

資料以及頁巖坍塌、頁巖巖屑中膨潤土含量變化、鉆井液性

能變化、鉆井液中天然氣含量及氯化物變化、鉆井液返出溫

度及體積變化等多種方法監(jiān)測及預報異常壓力地層。在同時

用多種方法監(jiān)測地層壓力時，應將所測數(shù)據(jù)繪制在同一總圖

上進行綜合對比，但應注意這些方法的測點間隔要一致。如

果只有一兩種方法有異常顯示，這可能是其它因素影響所造

成的；如果大多數(shù)方法都指示出地層壓力升高，這就要密切

注意異常高壓地層的到來。此時，可加密測點或進行一次證

實性電測井等

措施處理，并同時作好防止井噴的各項準備工作。

2.5上覆巖層壓力

上覆巖層壓力是某深度以上的巖石和其中流體對該深

度所形成的壓力。地下某一深處的上覆巖層壓力就是指該點

以上至地面巖石的重力和巖石孔隙內所含流體的重力之總

和施加于該點的壓力。如圖2-7,這種情況與把圓柱體放在

桌面上的情況很相似。地下巖石平均密度大約為2.16-

3

2.64g/cmo于是平均上覆巖層壓力梯度大約為0.02262MPa

/mo

上覆巖層壓力的計算公式：

P=0.0098H：(1-0)prm+Op]

2-7

式中：P?！细矌r層壓力，MPa；H——該處垂直深度,

m；P——巖石孔隙中流體的密度，g/cm3；①一一巖石孔隙

度，％；prm巖石密度，g/cm3o

上覆巖層壓力與地層孔隙壓力的關系是

Po=M+Pp2-8

式中：Po—上覆巖層壓力，MPa；M—基體巖石重力，MPa；

Pp一地層孔隙壓力，MPa。

[R]樣，可以與成Go=GM+GPO

式中：Go—上覆巖層壓力梯度，MPa/m；GM—基體巖石

壓力梯度，MPa/m；Gp一孔隙壓力梯度，MPa/mo

2.6地層破裂壓力

2.6.1地層破裂壓力的概念

地層破裂壓力是指某一深度地層發(fā)生破碎和形成裂縫

時所能承受的壓力。井內壓力過大會使地層破裂并將全部壓

井液漏入地層。

在地層破裂之前，液體首先必須穿入地層，這就是說，

作用在地層上的壓力必須超過地層壓力，井中壓力必須大于

巖石的強度。例如，花崗巖是非常硬的，所以其破裂梯度也

會很高。另一方面，砂巖或破碎灰?guī)r是比較軟的，所以容易

破裂。

地層破裂壓力Pf的計算：

Pf=0.0098PfHf2-9

式中:Pf，地層破裂壓力MPa；P『地層破裂壓力當

量密度g/cm3；壓一一漏失層垂直深度m；

地層破裂壓力梯度

Gt-=Pf/Hf=0.0098Pf2-10

0

1603204806408009601120泵入量（口

Gf地層破裂壓力梯

度MPa/mo圖2-8地層破裂壓力試驗曲

2.6.2掌握破裂壓力的

重要性

為了合理進行井身結構

設計和制定施工措施，除了

掌握地層壓力梯度剖面外，還應了解不同深度處地層的破裂

壓力。在鉆井中，合理的壓井液密度不僅要略大于地層壓力,

還應小于地層破裂壓力，這樣才能保持油氣層，獲得高鉆速,

實現(xiàn)安全高效鉆井。破裂壓力是確定最大關井壓力的依據(jù)。

2.6.3影響地層破裂壓力的主要因素

（1）取決于其自身的特性。這些特性主要包括地層中

天然裂縫的發(fā)育情況、它的強度及其彈性常數(shù)的大小。

漏失壓力=8.274MPa

在井深1524m，鉆井液密度~1.0甌全小

壓裂松度=[OltPa/m

4

W

?

國

用

￡

&

長

曲般大允眸套氏丁配723Mp.

鉆井液生層增加到LSSg/cm1

3

(2)地層壓力

對其破裂壓力有很

大的影響。一般來

說，地層的孔隙壓力

越大，其破裂壓力也

越高。

(3)地層破裂圖2-9最大允許關井套壓與井內壓井

是地層受力作用的液密度的關系

結果，與地層中存在的地應力大小有很大關系。

2.6.4地層破裂壓力試驗

試驗目的：

(1)檢查注水泥作業(yè)的質量。每層套管注完水泥并鉆

掉水泥塞后，再鉆1m新井眼，進行液壓試驗，檢查套管鞋

處水泥封閉質量。

(2)實測地層破裂壓力。

試驗方法和步驟:

（1）井眼準備一一鉆開套管鞋以下第一個砂層后，循

環(huán)調整壓井液性能，使壓井液密度均勻穩(wěn)定。一般鉆3?5m,

最多不超過10m新井眼。

（2）上提鉆具，關封井器。

（3）用小排量高壓泵以0.8-1.32L/s的排量緩慢向井

內注入壓井液（最好用水泥車）。

（4）準確記錄不同時間的注入量和井口壓力。

（5）一直注到井內壓力不再升高并有下降（地層已經(jīng)

破裂漏失），停泵，記錄數(shù)據(jù)后，從節(jié)流閥泄壓。

（6）在直角坐標系內作出以井口壓力與泵入量為坐標

的試驗曲線；如果泵速不變，也可作出井口壓力和泵入時間

的關系曲線。如圖2-8所示。

（7）從圖上確定以下各壓力值：

PL——漏失壓力，單位為MPa,即開始偏離直線的點的壓

力值，此點之后的壓力仍然上升，但非直線上升；

PR——破裂壓力，單位為MPa,是最大壓力值點的壓力,

此點之后壓力下降

2.6.6最大允許壓井液密度的計算方法

(1)計算地層破裂壓力Pf。

鉆井工程中，一般以漏失壓力PL作為允許壓力，根據(jù)PL

值計算破裂壓力及破裂壓力梯度。

Pf=PL+O.0098PmHf2-11

式中：Pf——地層破裂壓力，MPa；PL——漏失壓力MPa；

Hf——套管鞋處垂深mo

(2)計算地破裂壓力梯度Gf

Gf=Pf/Hf

2-12

式中：Gf地層破裂壓梯度，MPa/m；符號同刖。

(3)破裂壓力當量壓井液密度Pmf

Pmf=102Pf/Hf

2-13

Pmf=102Gf

2-14

3

式中：Pmf——破裂壓力當量壓井液密度，g/cm；其他

符號同前。

（4）確定最大允許壓

井液密度P?axo

考慮安全附加壓力，

實際允許的最大壓井液密

度應小于地層破裂壓力當

量壓井液密度。通常表層

圖2-10鉆井液靜液壓力和地層

套管取安全附加壓力

壓力

Sf=0.06g/cm3,技術套管

3

Sf=0.12g/cm,貝［J：

表層套管以下：Pmmax二P0.06,g/cil?；

3

技術套管以下：PPmf-0.12,g/cmo

（5）最大允許關井套壓與井內壓井液密度的關系。

如圖2-9,以地層最大破裂壓力為縱坐標，以最破裂壓

力當量壓井液密度為橫坐標，把兩點連接成一直線，則從很

快得出所用壓井液密度的最大允許關井套壓。

3、井底壓力

為了實施近平衡鉆井，我們在掌握了地層壓力的基本知

識后，還必須理解和掌握井底壓力的基本知識。井底壓力主

要包括有：鉆井液靜液柱壓力、抽汲壓力、激動壓力、環(huán)空

流動阻力。

3.1靜液柱壓力

鉆井液靜液柱壓力是井內鉆井液液柱重量所產生的壓

力。如圖2-10o

我們己經(jīng)知道，鉆井液靜液柱壓力是井底壓力的主要壓

力，它對井底壓力起決定性因素，有時人們認為，井底壓力

就是鉆井液靜液柱壓力?，F(xiàn)在，我們進一步深入分析一下鉆

井液靜液柱壓力。

3.1.1靜液柱壓力的定義與計算

靜液柱壓力可用下式計算

Pm=0.0098PmH2-15

式中:Pm一鉆井液靜液柱壓力，MPa；Pm一鉆井液密度，

3

g/cm；H一鉆井液液柱高度，mo

在一般情況下，井眼內是充滿鉆井液的，因此，鉆井液

液柱高度一般以井深的數(shù)值進行計算。在定向斜井中，井深

一定要是垂直井深。

3.1.2靜液柱壓力的影響因素

由鉆井液靜液柱壓力的計算公式可知，鉆井液靜液柱壓

力的影響因素是鉆井液密度的變化和鉆井液液柱高度的變

化。

※鉆井液密度的變化：

（1）鉆速越快，巖屑越多，鉆井液密度增加越快，鉆

井液靜液柱壓力增加越快；反之，鉆井液靜液柱壓力減少。

（2）向鉆井液中加入重晶石粉等加重材料或固體處理

劑后，鉆井液密度增加，鉆井液靜液柱壓力增加。

（3）向鉆井液中加水或雨水通過泥漿池或泥漿罐進人

鉆井液中，會使鉆井液密度下降，從而鉆井液靜液柱壓力減

小。

（4）發(fā)生油氣水侵后，鉆井液密度減小，鉆井液靜液

柱壓力減小。由于天然氣比較輕，因此鉆井液氣侵會嚴重影

響鉆井液密度，使鉆井液靜液柱壓力大幅度下降。

（5）鉆井液中加人絮凝處理劑，固相顆粒在鉆井液罐

等地面設備中絮凝沉淀，并被有關設備排除出去，使鉆井液

密度減小，從而鉆井液靜液柱壓力減小。

※鉆井液靜液柱高度的變化：

（1）井越深，鉆井液靜液柱高度越大，鉆井液靜液柱

壓力越大。

（2）井深一定，起出一定數(shù)量的鉆柱后，井眼內的鉆

井液高度就要下降，鉆井液靜液柱壓力也隨之下降。

（3）當鉆遇易漏層后，鉆井液發(fā)生漏失，井眼內鉆井

液高度下降，鉆井液靜液柱壓力下降。

（4）開泵過猛，下鉆過快而造成井下壓力激動，引起

井漏，使井眼內鉆井液高度下降，從而使鉆井液靜液柱壓力

下降。

3.2波動壓力

3.2.1波動壓力的定義

波動壓力是抽汲壓力和激動壓力的總稱。

抽汲壓力是指由于上提鉆柱，而使井底壓力減小的壓

力。抽汲壓力值就是阻撓壓井液向下流動的流動阻力值。

激動壓力是指由于下放鉆柱，而使井底壓力增加的壓

力。激動壓力值就是阻撓壓井液向上流動的流動阻力值。

3.2.2波動壓力給施工帶來的危害

管柱提升速度快，壓井液切力大、粘度大，井眼縮徑和

鉆頭泥包都將引起過大的抽汲壓力，過大的抽汲壓力是引起

井噴和井眼垮塌的因素，因此應引起足夠的重視。

引起過大激動壓力的主要因素是下鉆速度快，其它影響

因素同抽汲壓力。過大的激動壓力會引起井漏，帶來的危害

更大

3.2.3引起波動壓力的主要原因

（1）壓井液靜切力引起的波動壓力

壓井液靜止時，粘土顆粒之間要形成網(wǎng)狀結構，靜止時

間越長，網(wǎng)狀結構的強度越大，壓井液靜切力也隨之增大。

當壓井液由靜止狀態(tài)變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)時，必須先克服靜切力，

然后壓井液才會流動。

在井內的壓井液和鉆柱都處于靜止狀態(tài)時，鉆柱由靜止

狀態(tài)變?yōu)檫\動狀態(tài)，而壓井液卻不能在鉆柱運動的同時立刻

產生流動，必須克服壓井液的靜切力后才能開始流動。因此

下放鉆具的開始，為克服壓井液的靜切力，會使井底壓力增

加，即產生激動壓力；相反，起升鉆柱時，會產生抽汲，使

井底壓力減小。壓井液的靜切力越大，產生的激動壓地和抽

汲壓力越大。

(2)起下鉆引起的波動壓力

起鉆時，鉆柱在井內的體積不斷減小，壓井液要充填起

出鉆柱所空出的空間而向下流動，產生流動阻力，使井底壓

力減小。下鉆時，井內鉆具體積不斷增加，排擠壓井液向上

流動，而產生流動阻力，使井底壓力增加。

(3)慣性力引起的波動壓力

在起下鉆或接單根等作業(yè)中，鉆柱的運動有加速和減速

的過程，從而產生慣性力。引起井內壓力波動。加速度越大,

產生的波動壓力越大。

3.2.4減小波動壓力對井眼影響的措施

（1）控制起下鉆速度，不要過快。在鉆開高壓油氣層

和壓井液性能不好時，更應注意。

（2）起下鉆具時，防止猛提猛剎，防止過大的慣性力

產生的波動壓力。

（3）要調整好壓井液性能，防止因切力、粘度過大產

生無窮大的波動壓力。

（4）要保持井眼暢通，防止鉆頭泥包、井眼縮徑等造

成的嚴重抽汲。

3.2.4波動壓力的影響因素

※抽汲壓力的影響因素：

（1）起鉆時加速度或速度越大，隨同鉆柱一同上行的

鉆井液就越多，抽汲壓力就越大。

無論起鉆速度多慢，抽汲作用都會存在，但我們應當盡

量減小抽汲作用，并必須使鉆井液液柱壓力始終能夠平衡地

層壓力。這樣才可以防止溢流和井涌。

（2）粘度、切力越大，鉆井液向下流動的阻力就越大,

抽汲壓力越大：

起鉆

（3）井徑越不規(guī)則，座擦系數(shù)越大，圖2-11抽吸壓力

鉆井液向下流動的阻力就越大，抽汲壓力的產生

越大。

（4）井眼環(huán)形空間尺寸越小，膠皮

護箍尺寸越大，鉆頭泥包程度越大，鉆井

液向下流動的阻力就越大，抽汲壓力越大。如果泥包特別嚴

重，鉆具與泥包鉆頭在井眼內就會象一個打氣筒或皮下注射

器一樣將油氣水大量抽汲到井內。

（5）井越深，鉆柱越長，隨鉆柱一同上行的鉆井液就

越多，鉆具中問和環(huán)空中間的鉆井液就越不能及時充填空出

的井眼空間，因此，抽級壓力就越大。

最大的抽汲作用是鉆頭剛離開井底的時候，因此，在起

鉆前期，很容易把地層流體抽入井內。

※激動壓力的影響因素：

（1）粘度、切力越大，對鉆井液產生的流動阻力越大,

激動壓力越大。

（2）井徑越不規(guī)則，摩擦系數(shù)越大，對鉆井液的流動

阻力越大，激動壓力越大。

(3)下鉆時加速度或速度越大，下入的鉆柱體積就越

多，被擠出的鉆井液體積就越多。鉆井液向上流動的速度就

越大，由鉆井液粘度、切力等引起的流動阻力也越大，激動

壓力也越大。

3.2.5波動壓力的形成過程分析

(1)抽汲壓力的形成過程分析

圖2—12起鉆時鉆

井液流速分布

MJ

N

鼠

圖2—13激動壓力

如圖2-n,上提鉆柱時，鉆柱下端的產生

會因鉆柱上升而空出一部分環(huán)形空間，井內的鉆井液應該向

下流動，迅速充滿這個空間，但是由于鉆具內壁和外壁與鉆

井液之間存在有摩擦力巨鉆井液具有一定的粘度和切力，從

而對鉆井液的向下流動產生一定的流動阻力，其結果是只有

鉆柱內中間的部分鉆井液向下流動，而緊靠鉆具內外壁的鉆

井液卻附在鉆柱上隨鉆柱一同上行，這部分鉆井液失去了對

井底的壓力作用。從而使井底壓力降低。另外，當上提鉆柱

時，環(huán)形空間的鉆井液也力圖填補因鉆柱上升而空出來的井

眼空間，但是，由于井壁與鉆井液之間也存在有摩擦力，再

加上鉆井液的粘度與切力，這就又對環(huán)形空間的鉆井液向下

流動產生了一定的流動阻力，其結果是只有環(huán)形井眼中間的

鉆井液能夠迅速充滿環(huán)形空間，而緊靠井

壁的鉆井液卻不能迅速充滿空出的井眼空間，這部分鉆

井液也失去了對井底的壓力作用，使井底壓力減小（如圖

2-12）o

抽汲壓力就是由于上提鉆柱而使井底壓力減小的壓力。

抽汲壓力值就是阻撓鉆井液向下流動的流動阻力值。

由于抽汲壓力的存在，使得井內鉆井液不能及時充滿上

提鉆柱時空出來的井眼空間，這樣，在鉆頭下方就會對地層

中的流體產生抽汲作用，而使地層流體進入井內造成油氣水

侵。

（2）激動壓力的形成過程

如圖2-13,下放鉆柱時，鉆柱下行，擠出鉆柱下端的

鉆井液向上流動，由于井徑不規(guī)則和鉆井液具有一定的粘度

與切力，從而對鉆井液向上流動產生一定的流動阻力使鉆井

液難于向上流動，只有克服了這個流動阻力，鉆井液才會向

上流動。在鉆柱下行克服這個流動阻力迫使鉆井液向上流動

時，井壁與井底也承受了該流動阻力，因此，使井底壓力增

加，形成激動壓力。

動壓力就是由于下放鉆柱而使井底壓力增加的壓力，激

動壓力值就是阻撓鉆井液向上流動的流動阻力值。

3.3環(huán)空流動阻力

3.3.1環(huán)空流動阻力定義

流動阻力:在壓力的推動下壓井液從泵進入循環(huán)系統(tǒng)。

由于壓井液循環(huán)及其與所碰到的物體發(fā)生摩擦所引起的壓

力降低。

環(huán)空流動阻力：循環(huán)壓井液時，壓井液在環(huán)空上返。產

生的流動阻力作用于井底，使井底壓力增加。當停止循環(huán)時,

流動阻力消失。壓井液經(jīng)地面管匯，沿鉆柱向下，通過鉆頭

噴嘴而后沿環(huán)形空間上返，當鉆井液返至地面進入泥漿池

時，處于大氣壓的情況下，表壓為零，數(shù)十兆帕的壓力損失

到循環(huán)系統(tǒng)中。損失壓力的大小取決于鉆井液密度，鉆井液

的粘度、排量和流通面積，大部分壓力損失在鉆柱內和鉆頭

噴嘴處。如圖2-14所示。

3.3.2環(huán)空流動阻力的形成過程

在鉆井過程中，當開泵

循環(huán)鉆井液，鉆井液在井眼

環(huán)形空間上返流動時，由于

井徑不規(guī)則，鉆井液具有一

定的粘度，切力等因素，從

而對鉆井液向上流動產生一

定的流動阻力，這個流動阻

力就是環(huán)空流動阻力。在鉆

井泵克服這個流動阻力迫使

鉆井液向上流動時，井壁和

井底也承受了該流動阻力，

因此，使井底壓力增加。當

停泵鉆井液停止循環(huán)時，流

動阻力消失，井底壓力又減

小。圖2T4井內循環(huán)壓力損失

3.3.3環(huán)空流動阻力的影響因素

鉆井液上返速度越大，井越深，并徑越不規(guī)則，環(huán)空間

隙越小，鉆井液密度越高，粘度、切力越高，環(huán)空流動阻力

越大；反之，環(huán)空流動阻力越小。

環(huán)空流動阻力的大小取決于：

(1)壓井液上返速度；

(2)環(huán)空間隙;

(3)井深和壓井液性能。

如返速越大、井越深，環(huán)空間隙越小，壓井液密度和粘

度越高，則流動阻力越大。反之，流動阻力則越小。

3.4井底壓力

3.4.1井底壓力的定義

所有作用在環(huán)形空間的壓力總合，就是井底壓力。這個

壓力隨井下作業(yè)不同而變化。

3.4.2不同工況下井底壓力的計算方法

(1)井內鉆井液處于靜止狀態(tài)(包括空井、電測、射

孔等)時：

井底壓力二鉆井液靜液柱壓力。

(2)下鉆時:

井底壓力二環(huán)空鉆井液靜液柱壓力+激動壓力。

(3)鉆進時：

井底壓力二環(huán)空鉆井液靜液柱壓力+環(huán)空流動阻力+鉆

井液中巖屑引起的附加壓力。

(4)起鉆時：

井底壓力二環(huán)空鉆井液靜液柱壓力-抽汲壓力-起鉆時液

面下降而減小的壓力。

(5)關井時：

井底壓力二環(huán)空鉆井液靜液柱壓力+井口套壓+氣侵附加

壓力。

(6)壓井循環(huán)時：

井底壓力二環(huán)空鉆井液靜液柱壓力+環(huán)空流動阻力+井口

節(jié)流閥回壓+氣侵附加壓力。

由以上公式可以看出，在鉆井液靜液柱壓力一定的情況

下，起鉆時井底壓力最小，而下鉆和鉆進時井底壓力較大。

［例題］某定向井鉆至井深H=3820米，相應垂深Hl=3210

米，起鉆前壓井液密度p=L46g/cm3,若起鉆抽汲壓力P抽

為1.57MPa,起鉆未及時灌壓井液引起靜液壓力減小值P減

為0.3MPa,求起鉆時井底壓力Pb為多少MPa?

解：Pb=pgH「P抽一P減=0.00981X1.46X

3210-1.57-0.3=45.93-1.57-0.3=44.06MPa

4、鉆井液密度的確定

4.1安全鉆井時鉆井液密度確定的基本原理

一級井控的目的是防止地層液體進入井內，為此需保持

井底壓力略大于地層壓力。要實現(xiàn)近平衡，需研究怎樣最合

理地確定壓井液密度。

井眼的裸眼井段存在著地層孔隙壓力、壓井液柱壓力和

地層破裂壓力。三個壓力體系必須滿足以下條件：

PfNPmNPp2-16

式中：Pp一地層孔隙壓力；Pm一壓井液柱壓力；Pf—地層

破裂壓力。

所確定的壓井液密度還要考慮保護油氣層、防止粘卡滿

足井眼穩(wěn)定的要求。為確保一級井控成功，在各種作業(yè)中,

均應使井底壓力略大于地層壓力，這樣可達到近平衡鉆井和

保護油氣層的目的。

如果在鉆井過程中所采用的鉆井液密度只有在井內鉆

井液處于靜止狀態(tài)時才能平衡地層壓力，那么，在起鉆時，

由于抽汲壓力的存在和起出鉆柱液面下降等原因，井底壓力

就會小于地層壓力，從而造成井侵與溢流。

4.2鉆井液密度的計算

通常確定壓井液密度的原則是最小井底壓力等于地層

壓力。確定方法如下：

(1)公式計算法

壓井液密度的確定可用以下公式計算

Pm=[102(PP-Psb-Pdp)]/H

2-17

3

式中：Pm——壓井液密度，g/cm；Psb——抽吸壓力，

MPa；Pdp——起鉆液面下降壓井液柱壓力減小值，MPa；Pp——

地層壓力，MPa；H---產層埋藏深度，m。

(2)附加當量密度

為了預防溢流，就必須在平衡地層壓力所需的鉆井液密

度的基礎上再增加一個附加壓力，這個附加壓力應能平衡抽

汲壓力等。因此，確定鉆井過程中鉆井液密度的公式是：

Pm=Pc+Pe2-18

式中：Pm一鉆井過程中的鉆井液密度；Pc一地層壓力

當量鉆井液密度；Pe—附加壓力當量鉆井液密度。

我們可以采用自動灌鉆井液等方法，使起鉆時液面下降

高度減小或不下降。因此起鉆時液面下降而減少的壓力不

大，有時可忽略不計。而抽汲壓力是不可忽視的，只要鉆柱

上提，就會有抽汲壓力，減小上提鉆柱的速度，只能減小抽

汲壓力、但不能消除抽汲壓力。影響抽汲壓力的因素很多，

其值變化范圍較大。根據(jù)計算可知，抽汲壓力一般為

0.03-0.13g/cm3,國外要求把抽汲壓力減小到0.OBGg/cn?左

右，考慮到氣侵對鉆井液密度的影響，地層壓力預報的誤差

等因素，附加壓力應比抽汲壓力略高。只有這樣，才能在整

個鉆井過程中保證井底壓力大于地層壓力，以防止井侵與溢

流。

中國石油天然氣總公司對附加當量壓井液密度值的規(guī)

定如下:

油井：Pe=0.05?0.10g/cnf或1.5?3.5MPa；

氣井:P『0.07?0.0g/cn?或3.0?5.OMPa。

在實際工作中應根據(jù)灌鉆井液的措施、鉆井液粘切等性

能、地層壓力預報精度等條件在規(guī)定范圍內合理確定Pe值;

因為：Pc二薪不

所以: