与钻井有关的地层压力主要有地层孔隙压力、地层坍塌压力和地层破裂压力等,这三个压力是井身结构设计、钻井液密度确定、油气层保护、油气井压力控制、欠平衡钻井的依据,井筒压力的准确性决定着钻井作业的成败。钻井前需预测地层压力,钻井过程中通过随钻监测地层压力及时调整钻进参数控制风险,钻后建立地下压力模型掌握各类复杂地层的压力特征,为后续井设计提供依据。
地层压力(又叫地层孔隙压力)是地层孔隙中流体所具有的压力,一般正常地层压力等于地层流体的静液压力,其值等于从地面到地下某深度处的连续地层水的静液压力;地层破裂压力是地层某深度处的井壁产生拉伸破坏时的压力;地层坍塌压力是地层某深度处的井壁产生剪切破坏时的压力。
随着石油与天然气勘探开发不断向深部复杂地层发展,安全钻井问题越来越突出,特别是在起下钻施工作业中,一旦井底压力超出设计的安全范围,极易出现油气侵入、井涌、井漏、硫化氢泄漏,甚至井喷等复杂情况和重大事故,因此,把控好井筒压力这一关尤为重要。
钻井工程设计与施工依据之一是“三压力”曲线,即地层孔隙压力、地层破裂压力、地层坍塌压力曲线。如果井筒压力大于地层破裂压力则会把地层压破裂造成漏失,而井筒压力小于地层坍塌压力则可能造成井壁坍塌,钻井时需要确保井筒压力在所谓安全压力窗口,即地层破裂压力、地层孔隙压力、地层坍塌压力三条压力曲线之间不导致地层破裂、溢流或坍塌的压力区间,即控制在安全压力窗口范围内。
钻井液液柱压力,即由井内钻井液液柱的重力形成的压力,其与环空压耗以及井口回压之和等于循环时井底压力,即井底循环压力。在常规过平衡钻井中,一般钻井工程设计与施工作业要求这一压力要大于地层压力,即钻井液密度的确定一般是以裸眼井段最高的地层孔隙压力梯度为基准,再增加一个附加值。钻井施工过程中,还要充分考虑起下钻过程产生的激动压力、抽汲压力对施工的影响,激动压力是指由于下钻过快或钻井泵启动速率过快,使井内钻井液运动速度突然改变时引起的井内压力瞬时增加值;抽汲压力是指上提钻柱时,由于钻井液的运动引起的井内压力瞬时降低值。
对地层“三压力”剖面的预测、实时监测与检测,是地质技术人员与钻井工程技术人员必不可少的一项重要工作。其中,地层压力检测技术,即在钻井过程中利用随钻资料对地层压力进行实时监测,以便对地层压力的预测值进行校正。地层压力的预测与实时检测方法比较多,主要有地震层速度法、声波时差法、机械钻速法、d指数法、dc指数法、标准化钻速法、页(泥)岩密度法、溢流观测法、气测录井法、氯化物检测法、钻井液录井法、出口温度检测法、化石资料法、测井检测法等。
dc指数法是利用宾汉钻速方程中的比钻压指数d在泥(页)岩地层中的变化来监测异常高压层的方法,现场常用的是dc指数法,即修正的d指数法,由正常地层压力当量密度与钻井液密度之比修正后的d指数法。
但最直接、最有效且准确的检测方法是通过环空压力随钻测量装置(PWD),在钻井过程中实时测量井底环空压力,并实时将数据传送到地面。海上常用随钻地层测试工具(FTWD)对储层实施地层压力实时测量,其优势是节省钻机时间和费用。另外,还有多种地层破裂压力预测方法可以预测地下不同井深地层破裂压力,包括哈伯特—威利斯法、马休斯—凯利法、伊顿法、安德森法、艾克斯劳格法、黄氏法等。
所以,整个钻井过程都离不开井筒压力控制,井筒压力控制技术已从单纯的防止井喷技术发展为保护油气层、防止破坏资源、防止环境污染,实现高速低成本钻井技术的重要组成部分和实施近平衡压力钻井的重要保证。把控好井筒压力是确保油气田安全生产的前提,不仅可避免油气井井喷失控出现的严重事故,保障作业人员的安全和减少经济损失,同时还可达到提高生产效率的目的。