井下各种压力及其相互关系.doc

第二节 井下各种压力及其相互关系 一、压力的概念 1、压力σ 压力是指物体单位面积上所受的垂直力。常用单位帕斯卡（Pa）、千帕（kPa）、兆帕（MPa）。 1Pa=1N/m2 1kPa=1×103Pa 1Mpa=1×106Pa 它与过去的工程大气压的换算关系是： 1MPa=10.194 kgf/cm2 或 1kgf/cm2=98.067 kPa 英制中，压力的单位是每平方英寸面积上受多少磅的力（psi） 1psi=6.895kPa 2、压力梯度 压力梯度指的是每增加单位垂直深度，压力的变化量。 G=P/H= gρ 式中 G：压力梯度MPa/m； P：压力Mpa； H: 深度。 公制中 g＝0.0098m/ s2 英制中 g=0.052ft/s2 钻井液液柱压力 P=0.052ρH 压力梯度 G=0.052ρ 式中 P：钻井液液柱压力，1磅／英寸2简称1psi； ρ：钻井液密度，1磅／加仑（美），简称1ppg； H： 液柱高度，英尺ft。 单位换算： 1ppg=0.1198g/cm3 1ft=0.3048m 3、压力的表示方法 （1）用压力的具体数值来表示。例如：地层压力为35Mpa。 （2）用地层压力梯度来表示。在对比不同深度地层的压力时，可消除深度的影响。如：地层压力为0.012Mpa／m。 （3）用钻井液当量密度来表示。某点压力等于具有相当密度的钻井液在该点所形成的液柱压力。 ρp＝Pp／0.0098H 如：某地层压力为1.70g/cm3。 （4）用压力系数来表示。压力系数是某点压力与该深度处淡水的静液压力之比。数值上与当量钻井液密度相同，只是无量纲。如：地层压力为1.70。 二、井内压力系统及各种压力概念 1、静液压力 静液压力是指静止的液体重力产生的压力，钻井中的静液压力实际上是钻井液液柱压力pm（或称浆柱压力）。 Pm=0.0098ρmH 式中 ρm：钻井液密度g/cm3； H：钻井液液柱高度m； Pm：钻井液液柱压力MPa。 2、地层压力 地层压力是指作用在地层孔隙内流体上的压力，也称地层孔隙压力。其计算公式为： Pp=0.0098ρpHp 式中 Pp：地层压力，MPa； ρp：地层压力当量密度，g/cm3； Hp：地层垂直高度，m。 地层压力的分类 （1）正常地层压力：正常情况下，地下某一深度处的地层压力等于地层流体作用于该处的静液压力。地层流体密度通常为1.0～1.07g/cm3。故正常地层压力梯度为9.8～10.486kPa/m。 （2）异常高压：地层压力大于正常地层压力的上限时，称为异常高压。即：ρp＞1.07g/cm3。 当地层孔隙中的流体被封闭层或隔层截断时，它必须支撑上部岩层的一部分重量，岩石重于地层流体，所以，地层压力将超过静液压力。 （3）异常低压：地层压力低于正常地层压力的下限时。称为异常低压。这种情况发生于衰竭的产层和大孔隙的老地层。即ρp＜1.0 g/ cm3 上覆岩层压力 （1）上覆岩层压力的定义 任意深度岩层的上覆岩层压力是指上覆岩层的岩石骨架及孔隙中流体的总重量所产生的压力，用P0表示，单位为MPa。 （2）计算公式 P0＝M+PP＝0.0098H［（1－Φ）ρr＋Φρ］ 式中 ： P0：上覆岩层压力，MPa； M：基体岩石重力，MPa； PP：地层孔隙压力，MPa； H：所求地层的垂直深度，m； Φ：岩石的孔隙度，％； ρr：岩石的密度，g/cm3； ρ：岩石孔隙中流体的密度，g/cm3。 同样可以写成 G0＝GM+Gp 式中 ： G0：上覆岩层压力梯度，kPa/m；平均约为22.625 kPa/m； GM：基体岩石压力梯度，kPa/m；GM＝12.104 kPa/m； Gp：孔隙压力梯度，kPa/m。（若盐水密度为1.074 g/cm3）则为10.516 kPa/m。 4、地层破裂压力 地层破裂压力是指某一深度地层抵抗水力压裂的能力。当作用于井内某一地层的水力压力达到一定值时，地层原有的裂缝扩大延伸或无裂缝的地层产生裂缝。此压力值就是该地层的破裂压力。从钻井安全角度讲，地层破裂压力越大，地层抗破裂强度就越大，越不容易被压漏，钻井越安全。一般情况下，地层破裂压力随着井深的增加而增加。所以，上部地层（套管鞋处）的强度最低，易于压漏，最不安全，在设计时应保证下入足够深度的套管以提高上部裸眼井段的地层破裂压力。 5、波动压力 （1）波动压力的概念 它是激动压力和抽吸压力的总称。抽吸压力是指：当井内钻柱向上运动时，钻井液应向下流动，但由于钻井液的特性致使它与井壁、钻柱壁均有一定的粘滞作用而产生流动阻力，这个力方向向上，其结果是使井底压力降低。钻头泥包时，抽吸压力最大。激动压力是指：当钻柱向下运动时，钻井液被挤向上行，它与井壁和钻柱壁产生流动阻力