什麼是地層壓力?
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。在鑽井過程中，當鑽至油氣水層後，地層壓力便作用於井底。在充滿鑽井液的井眼中，井底具有以鑽井液液柱為主的井底壓力。井底壓力與地層壓力的差值稱為井底壓差。當地層壓力大於井底壓力時，井底壓差為負壓差，地層孔隙中的流體便會侵入井內，發生井噴事故。當井底壓力大於地層壓力時，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
鑽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，鑽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(見下圖)。
2）油、氣流產生「水鎖效應」
在井底正壓差的作用下，鑽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)。由於油—水和氣—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，鑽井液浸泡時間越長，地層中的水量就越多，滲入地層中的深度就越大，一般為幾十釐米，有時可達幾米，甚至數十米，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。當鑽至油氣層，如果油氣層中的粘土等泥質成分含量較高，那麼在井底正壓差的作用下，鑽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）降低機械鑽速
在井底正壓差的作用下，鑽頭破碎的巖屑會被緊緊地壓在井底而不能及時離開，造成鑽頭對巖屑的重複破碎，從而影響鑽頭破碎巖石的效率，導致機械鑽速下降。井底正壓差越大，機械鑽速越慢。
5）易形成粘附卡鑽
鑽井過程中，由於井眼不可能完全垂直，當井下鑽具靜止不動時，鑽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鑽柱緊緊地壓在井壁上，從而產生粘附卡鑽。
6）易發生井漏。
在鑽井過程中，如果地層孔隙度大，滲透性好，那麼，鑽井液就會在較大的井底正壓差的作用下發生滲透性漏失。
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鑽井液密度，人為地增大井底正壓差，這樣做的結果是井雖未發生井噴，但油氣層卻被堵塞了。過去，常常會看到這種現象，有的油、氣井在鑽進時油氣顯示很好，而完井試油時，卻不出油產氣，或者產油、氣很少。因為石油鑽井的主要目的是為了開發地下油氣資源。所以，我們在鑽井過程中，必須儘量減少井底正壓差。
為了多出油，快打井，減少卡鑽、井漏等事故的發生，井底正壓差應該是越小越好，最理想的鑽井狀態為井底壓力等於地層壓力，使井底壓差等於零。在井底壓力等於地層壓力條件下的鑽井過程為平衡鑽井。平衡鑽井是很難做到的，一般情況下是使井底壓力稍大於地層壓力，保持最小的井底正壓差，這種在井底壓力稍大於地層壓力條件下的鑽井過程為近平衡鑽井，近平衡鑽井有以下優點：
避免堵塞油氣縫隙，有利於發現與保護油氣層。
提高機械鑽速。
防止粘附卡鑽。
防止井漏。
正常地層壓力的定義與計算
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1)。
某地區的正常地層壓力就是該地區較為普遍的地層水所形成的靜液柱壓力，其計算公式為：
P=ρgH=0.0098ρH
式中：P—正常地層壓力，MPa；
ρ—地層水密度，g/cm3；
g—重力加速度，g=9.8m/s2；
H—地層深度，m。
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十公裡，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。
[例題]某地區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：P1=0.0098ρH=0.0098×1.07×1000=10.486(MPa)；
P2=0.0098ρH=0.0098×1.07×2000=20.972(MPa)；
P3=0.0098ρH=0.0098×1.07×3000=31.458(MPa)。
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31.458MPa。
正常地層壓力的四種表示方法
1、用壓力的具體數值表示地層壓力
在上例中：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31.458MPa。
2、用地層壓力梯度表示地層壓力
由上例可以看出，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：
式中：G—地層壓力梯度，MPa/m；
P—地層壓力，MPa；
H—地層深度，m。
對於某地區來說，由於地層水密度是一定的，所以某地區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，求該地區的正常地層壓力梯度。
解：G=P/H=26.215/2500=0.0105(MPa/m)。
答：該地區的正常地層壓力梯度為0.0105MPa/m。
在鑽井施工前，我們如果已經了解本地區的正常地層壓力梯度，那麼，在鑽井過程中，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=0.0118×2000=23.6MPa。
答：地層壓力為23.6MPa。
3、用地層壓力當量鑽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，那麼，地層壓力便可直接用地層壓力當量鑽井液密度來表示，地層壓力當量鑽井液密度就是平衡地層壓力所需的鑽井液密度：
式中：ρe—地層壓力當量鑽井液密度，g/cm3。
由上式可知，正常地層壓力當量鑽並液密度的數值等於形成地層壓力的地層水密度。因此，只要知道某地區的地層水密度，就能直接得到正常地層壓力當量鑽井液密度，鑽井工作者便可以採用相當的鑽井液密度實現平衡鑽井，或者採用比地層壓力當量鑽井液密度略高的鑽井液密度，實施近平衡鑽井。由於地層壓力當量鑽井液密度易與鑽井中所用的鑽井液密度形成對比，因此用地層壓力當量鑽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，問地層壓力當量鑽井液密度為多少?
解：ρe=P/（0.0098H）=20.972/（0.0098×2000）=1.07g/cm3。
答：地層壓力當量鑽井液密度為1.07g/cm3。
由於各地區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，各地區的地層水密度也各不相同。所以，各地區的正常地層壓力當量鑽井液密度值也各不相同。例如，勝利油田為1.02g/cm3，東南亞為1.03g/cm3時，墨西哥灣為1.07g/cm3。
4、用地層壓力係數來表示地層壓力
當用地層壓力當量鑽井液密度表示地層壓力時，人們在敘述時要說某地區正常地層壓力為1.07g/cm3。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1.07，這就是地層壓力係數。
地層壓力係數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。地層壓力係數無單位，其數值等於平衡該地層壓力所需鑽井液密度的數值。
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1×0.0098×2000=19.6MPa,則：地層壓力係數=20.972MPa/19.6MPa=1.07。
在鑽井工作中談到地層壓力時，上述四種表示方法都可能用到，當用地層壓力當量鑽井液密度表示地層壓力時，可以不再說明是地層壓力當量鑽井液密度而直接稱之為地層壓力。由於它們的數值與單位都相同，所以要按上下文的意思進行理解，以與鑽井液密度相互區別。
在前面我們提到地層壓力、地層壓力梯度、地層壓力當量鑽井液密度、地層壓力係數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於其它壓力，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,地層壓力係數。
解：地層壓力Pp=0.0098ρpH=0.0098*1.20*2000=23.52MPa；
地層壓力梯度Gp=0.0098ρp=0.0098*1.20=0.01176MPa/m；
地層壓力當量壓井液密度ρe=ρp=1.20g/cm3；地層壓力係數K=1.20。
—長按二維碼加關注—