发布时间 : 星期日 文章钻井与完井工程教材第二章井身结构设计更新完毕开始阅读58ed3fde5022aaea998f0f5a
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。
Pp?HG0?HE(G0?GN)
式中：PP——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。
⑴ 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：
???t??tm （2-14）
?tf??tm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，?tm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：
???0e?CH （2-15） 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 ?0??t0??tm （2-16）
?tf??tm?t0为起始声波时差，即深度为零时的声波时差。在一定区域、?t0可近似看着常数。 由（2-14）、（2-15）、（2-16）式，当泥页岩的岩性一定时，?tm也为常数。若?tm=0，则
?t??t0e?CH （2-17）
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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。
⑵ 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（Hubbert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：
??A??H????1??1????(P0??PP)??PP （2-18）
?? 18
??B??h????1??1????(P0??PP)??PP （2-19）
??式中：?H——最大原地水平应力，MPa；
?h——最小原地水平应力，MPa；
A、B——构造应力场影响系数；构造应力场影响系数对于不同的地质构造是不同的，但在同一构造断块内部，它是一个常数，且不随地层深度变化。
P0——上覆地层压力，MPa；P0=?z PP——地层压力，MPa； ?——有效应力系数
??1??m ? ?m——岩石骨架压缩率； ?——岩石容积压缩率；
地应力是客观存在于地下环境中的一个应力系，当今地震预测及地下岩石工程的开挖和结构设计都离不开地应力数据。在石油工程中，地层破裂压力和井壁坍塌应力的预测、酸化压裂设计、油井防砂、套管的岩压外载计算等等都需要有地应力数据。
地应力确定的方法有：井壁崩落法、岩芯差应变试验、岩芯滞弹性应变松弛试验、声发射Kaiser效应岩芯测试、长源距声波测井分析、水力压裂分析等。目前确定深层地应力较为有效的方法是现场裸眼水压裂试验法和室内声发射Kaiser效应法。
二、井筒壁面应力状态方程
井眼未形成前，地下环境应力处于相对稳定状态，在钻井井眼形成过程中，井筒壁面应力状态发生变化，根据有关力学理论可导出极坐标系下井筒岩层内应力分布关系：
?R2???r?cos2??2Pm??2r????H??h?R2??H??h?3R4?R2??????1?2??1?4?cos2??2Pm?????22 rrr? （2-20）??????H??h?2R23R4????r???1?2?4????2rr?????z?P0??H??h?R2??1?r2???H??h???2??4R23R4??1?r2?r4?式中：?r——距井轴r距离并与?H按逆时针方向成?角处的径向正应力，MPa； ??——距井轴r距离并与?H按逆时针方向成?角处的切向正应力，MPa； ?r?——距井轴r距离并与?H按逆时针方向成?角处的剪切力分量，MPa； r——距井轴的距离，cm; R——井筒半径，cm; Pm——井筒中的液柱压力，Mpa。 当r=R时，井壁应力分布：
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??r???? ???z???r??Pm??H??h?2(?H??h)cos2??Pm?P0?0 （2-21）
地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。考虑深部地层的水压裂主要是形成垂直裂缝，
其起裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过岩层的抗张强度而产生，即裂缝形成的条件是：
??E? ?St （2-22） 式中：??E——有效切向应力，Mpa； St——岩层抗张强度，Mpa。 有效切向应力等于正应力减去孔隙压力，即：
??E????Pp （2-23）
井壁岩石中垂直裂缝的产生是由于有效切向应力??E从压缩变为拉伸并超过岩层的抗张强度所造成，由式（2-21）可知，在?=0?和180?的方向首先达到这个状态。即：
??E?3?h??H?Pm??PP （2-24）
满足（2-22）式条件时的井内液柱压力Pm称为地层破裂压力PF，即：
PF?3?h??H??PP?Pm?St （2-25） 设垂直方向的主地应力?z等于上覆地层压力P0，则有效的垂直地应力??z?P0?aPP。 三、地层破裂压力的计算模型
由构造应力确定的部分，在一般情况下，构造应力在各个方向是不相等的。根据现场水力压裂资料分析证明构造应力在两个水平主应力方向分别为?a、?b，且：
???a?A?3 ? （2-26）
???b?B?3式中：A、B——构造应力系数。
由此可导出水平方向上最大和最小主地应力为： ?H??1??(P0??PP)?A(P0??PP)??Pp （2-27） (P0??PP)?B(P0??PP)??Pp （2-28）
?h??1??将（2-27）、（2-28）式代入（2-25）式得：
PF?? ?1???A?3B??(P0??PP)?St??PP （2-29）?? 20
?2??