石油课堂 | 地层压力与计算方法
什么是地层压力?
保存在地层孔隙内的流体(油、气、水)所具有的压力称为地层压力。在钻井过程中，当钻至油气水层后，地层压力便作用于井底。在充满钻井液的井眼中，井底具有以钻井液液柱为主的井底压力。井底压力与地层压力的差值称为井底压差。当地层压力大于井底压力时，井底压差为负压差，地层孔隙中的流体便会侵入井内，发生井喷事故。当井底压力大于地层压力时，井底压差为正压差，地层孔隙中的流体就不会侵入井内。但是，当井底正压差大时，就会产生下列危害。
1）油气层的缝隙
钻井液中的粘土等固相颗粒在井底正压差的作用下，侵入油气层的孔隙或裂缝之中，阻止或防碍油、气流出。正压差越大，钻井液中的固相颗粒越多，则固相颗粒越易侵入地层孔隙或裂缝之中，堵塞就越严重(见下图)。
2）油、气流产生“水锁效应”
在井底正压差的作用下，钻井液中的自由水就会不断地向地层缝隙中渗透，在地层缝隙中形成一段水、一段油，(如图)。由于油—水和气—水之间有表面张力，油气要想流入井眼中，就必须克服一段段水的表面张力所形成的阻力，这样，水就封锁了油气流入井内的通道，这就是所谓的“水锁效应”。井底正压差越大，失水量越大，钻井液浸泡时间越长，地层中的水量就越多，渗入地层中的深度就越大，一般为几十厘米，有时可达几米，甚至数十米，这就会严重阻碍油气流入，降低油气产量。
3）油、气层中泥质吸水膨胀
堵塞油、气通道。当钻至油气层，如果油气层中的粘土等泥质成分含量较高，那么在井底正压差的作用下，钻井液中的自由水就会进入油气层。油气层中的泥质成分吸水膨胀堵塞油、气通道，就会降低油、气产量。井底正压差越大，浸入油气层的自由水就会越多，堵塞就越严重。
4）降低机械钻速
在井底正压差的作用下，钻头破碎的岩屑会被紧紧地压在井底而不能及时离开，造成钻头对岩屑的重复破碎，从而影响钻头破碎岩石的效率，导致机械钻速下降。井底正压差越大，机械钻速越慢。
5）易形成粘附卡钻
钻井过程中，由于井眼不可能完全垂直，当井下钻具静止不动时，钻柱在井底正压差的作用下靠向井壁，与井壁泥饼紧密结合(陷入泥饼中)，如果静止时间较长，井底正压差较大就会把钻柱紧紧地压在井壁上，从而产生粘附卡钻。
6）易发生井漏。
在钻井过程中，如果地层孔隙度大，渗透性好，那么，钻井液就会在较大的井底正压差的作用下发生渗透性漏失。
当然，井底正压差较大，对防止井喷是极其有利的。过去人们往往怕井喷而过大地增加钻井液密度，人为地增大井底正压差，这样做的结果是井虽未发生井喷，但油气层却被堵塞了。过去，常常会看到这种现象，有的油、气井在钻进时油气显示很好，而完井试油时，却不出油产气，或者产油、气很少。因为石油钻井的主要目的是为了开发地下油气资源。所以，我们在钻井过程中，必须尽量减少井底正压差。
为了多出油，快打井，减少卡钻、井漏等事故的发生，井底正压差应该是越小越好，最理想的钻井状态为井底压力等于地层压力，使井底压差等于零。在井底压力等于地层压力条件下的钻井过程为平衡钻井。平衡钻井是很难做到的，一般情况下是使井底压力稍大于地层压力，保持最小的井底正压差，这种在井底压力稍大于地层压力条件下的钻井过程为近平衡钻井，近平衡钻井有以下优点：
避免堵塞油气缝隙，有利于发现与保护油气层。
提高机械钻速。
防止粘附卡钻。
防止井漏。
正常地层压力的定义与计算
地质上认为：含有油气水的地层是通过渗透性地层形成的缝隙与出露在地表的地层相互沟通，在这个相互沟通的缝隙内充满着地层水(如图1)。
某地区的正常地层压力就是该地区较为普遍的地层水所形成的静液柱压力，其计算公式为：
P=ρgH=0.0098ρH
式中：P—正常地层压力，MPa；
ρ—地层水密度，g/cm3；
g—重力加速度，g=9.8m/s2；
H—地层深度，m。
地层深度一定是地层垂直深度，与某深度的地层相互沟通的出露在地表的位置与该地层的水平距离可以达到数十公里，产生沟通作用的渗透性地层的倾斜距离会更多，这种水一平距离、倾斜距离都不能做为计算正常地层压力的依据。
[例题]某地区较为普遍的地层水密度为1.07g/cm3，求地层垂直深度分别为1000m，2000m，3000m的正常地层压力为多少?
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：地层垂直深度分别为1000m，2000m，3000m的正常地层压力分别为10.486MPa；20.972MPa和31.458MPa。
正常地层压力的四种表示方法
1、用压力的具体数值表示地层压力
在上例中：地层垂直深度分别为1000m，2000m，3000m的正常地层压力分别为10.486MPa；20.972MPa和31.458MPa。
2、用地层压力梯度表示地层压力
由上例可以看出，正常地层压力与地层深度成正比，地层深度增加几倍，正常地层压力随着增加几倍；同样，地层深度减小，地层压力也随着减小。它们扩大、减小的规律是：地层压力和地层深度的比值总是一定的。这个定植10.486MPa/m就是某地区的正常地层压力梯度。
地层压力梯度是单位地层深度地层压力的变化量。其计算公式为：
式中：G—地层压力梯度，MPa/m；
P—地层压力，MPa；
H—地层深度，m。
对于某地区来说，由于地层水密度是一定的，所以某地区的正常地层压力梯度是一个固定不变的值。正常地层压力梯度能够较直观地表示某地区的正常地层压力。在异常压力地层，同样可以用异常地层压力梯度来表示异常压力地层。
[例题]某地区3500m以上为正常地层压力，测得地层深度为2500m处的地层压力为26.215MPa，求该地区的正常地层压力梯度。
解：G=P/H=26.215/2500=0.0105(MPa/m)。
答：该地区的正常地层压力梯度为0.0105MPa/m。
在钻井施工前，我们如果已经了解本地区的正常地层压力梯度，那么，在钻井过程中，如果想知道某地层深度的正常地层压力的具体数值，只要将正常地层压力梯度乘以地层深度即可。
[例题]某地区正常地层压力梯度为0.0118MPa/m，当井深为2000m时，地层压力为多少?
解：P=GH=0.0118×2000=23.6MPa。
答：地层压力为23.6MPa。
3、用地层压力当量钻井液密度表示地层压力
地层压力梯度消除了地层深度的影响，如果同时消除地层深度和重力加速度的影响，那么，地层压力便可直接用地层压力当量钻井液密度来表示，地层压力当量钻井液密度就是平衡地层压力所需的钻井液密度：
式中：ρe—地层压力当量钻井液密度，g/cm3。
由上式可知，正常地层压力当量钻并液密度的数值等于形成地层压力的地层水密度。因此，只要知道某地区的地层水密度，就能直接得到正常地层压力当量钻井液密度，钻井工作者便可以采用相当的钻井液密度实现平衡钻井，或者采用比地层压力当量钻井液密度略高的钻井液密度，实施近平衡钻井。由于地层压力当量钻井液密度易与钻井中所用的钻井液密度形成对比，因此用地层压力当量钻井液密度表示地层压力较之地层压力梯度更为直观。
[例题]地层深度为2000m时，地层压力为20.972MPa，问地层压力当量钻井液密度为多少?
解：ρe=P/（0.0098H）=20.972/（0.0098×2000）=1.07g/cm3。
答：地层压力当量钻井液密度为1.07g/cm3。
由于各地区的地层水矿化度各不相同，有的是淡水，有的是海水，有的是盐水，因此，各地区的地层水密度也各不相同。所以，各地区的正常地层压力当量钻井液密度值也各不相同。例如，胜利油田为1.02g/cm3，东南亚为1.03g/cm3时，墨西哥湾为1.07g/cm3。
4、用地层压力系数来表示地层压力
当用地层压力当量钻井液密度表示地层压力时，人们在叙述时要说某地区正常地层压力为1.07g/cm3。为了叙述方便起见，人们往往把单位去掉，而说某地层压力为1.07，这就是地层压力系数。
地层压力系数是指某地层深度的地层压力与该深度处的淡水静液柱压力之比。地层压力系数无单位，其数值等于平衡该地层压力所需钻井液密度的数值。
如2000m深度的地层压力为20.972MPa，相同深度的淡水静液柱压力为1×0.0098×2000=19.6MPa,则：地层压力系数=20.972MPa/19.6MPa=1.07。
在钻井工作中谈到地层压力时，上述四种表示方法都可能用到，当用地层压力当量钻井液密度表示地层压力时，可以不再说明是地层压力当量钻井液密度而直接称之为地层压力。由于它们的数值与单位都相同，所以要按上下文的意思进行理解，以与钻井液密度相互区别。
在前面我们提到地层压力、地层压力梯度、地层压力当量钻井液密度、地层压力系数时仅对正常地层压力进行了一些阐述。实际上上述概念也适用于其它压力，如异常高压层、异常低压层、静液柱压力、地层破裂压力等。
[例题]如地层液体密度为1.20g/cm3,试求垂直深度为2000m处地层压力,地层压力梯度,地层压力当量压井液密度,地层压力系数。
解：地层压力Pp=0.0098ρpH=0.0098*1.20*2000=23.52MPa；
地层压力梯度Gp=0.0098ρp=0.0098*1.20=0.01176MPa/m；
地层压力当量压井液密度ρe=ρp=1.20g/cm3；地层压力系数K=1.20。