第二节地层破裂压力知识分享

地层破裂压力梯度地层破裂压力梯度是指地下岩石或土层在垂直方向上的压力变化率。

在地球内部，地质力学过程会导致地层破裂和变形，这些力学过程对于石油、天然气勘探和开采等领域具有重要意义。

地层破裂压力梯度的研究可以帮助我们了解地下岩石的力学性质以及地质构造的演化过程。

在地质构造中，地层破裂压力梯度是一个重要的参数，它决定了岩石的破裂强度和变形能力。

了解地层破裂压力梯度可以帮助我们预测地震的发生，评估地下水资源的储量和分布，以及优化石油、天然气等资源的勘探和开采方案。

地层破裂压力梯度的大小与地下岩石的物理性质、地质构造和地下应力状态等因素有关。

一般来说，地层破裂压力梯度会随着深度的增加而增大。

这是因为地下岩石受到上方岩石的压力作用，导致岩石内部的应力逐渐增大。

当地下岩石的应力超过其承载能力时，就会发生破裂。

地层破裂压力梯度的大小还受到地层的岩性、韧性和渗透性等因素的影响。

一般来说，岩石的压力梯度与其岩性和韧性呈正相关关系，而与其渗透性呈负相关关系。

岩性和韧性较高的岩石可以承受更大的压力，而渗透性较高的岩石则会减小地层破裂压力梯度。

地下应力状态也是影响地层破裂压力梯度的重要因素。

地下应力是地质构造过程中形成的，它包括地壳的自重应力、板块运动引起的构造应力以及热胀冷缩引起的热应力等。

这些应力作用于地下岩石上，导致地层破裂压力梯度的形成和变化。

在石油、天然气勘探和开采过程中，地层破裂压力梯度的研究对于确定钻井参数、设计井筒完整性和评估油气藏的储量和产能具有重要意义。

通过测量地层破裂压力梯度，可以评估地下岩石的稳定性，预测井筒的稳定性，避免钻井事故和井壁塌陷等问题的发生。

在地震学研究中，地层破裂压力梯度也是一个重要的参数。

通过研究地层破裂压力梯度的变化规律，可以预测地震的发生和破裂过程，评估地震的破坏程度和危险性，为地震灾害的防治提供科学依据。

地层破裂压力梯度是地下岩石在垂直方向上的压力变化率，对于石油、天然气勘探和开采、地震学研究等领域具有重要意义。

破裂压力计算概述1引言1.1破裂压力概念地层破裂压力(P B)定义为使地层产生水力裂缝或张开原有裂缝时的井底压力,要实现水力加砂压裂的前提条件是应该有足够的地面泵压使井底目的层地层开裂。

实际生产中通常用破裂压力梯度G B(地层破裂压力P B与地层深度H的比值)表示破裂压力的大小,破裂压力梯度值G B一般由压裂实践统计得出。

地层破裂压力与岩石弹性性质、孔隙压力、天然裂缝发育情况以及该地区的地应力等因素有关。

在压裂施工中的地层破裂压力还可以这样来理解就是裂缝即将开启而未开启时的井底压力；在压裂施工作业中，如果起泵初期压力有比较明显的降落时，那么我们就可以确定出破裂压力来这一数值可用下面这一关系式来描述：地层破裂压力=裂施工作业初期的最高套管压力+层中部的液柱压力1.2破裂压力的获取途径水力压裂是油气井最常用的一种增产措施，而地层破裂压力是压裂设计和施工工艺的一项重要参数，确定该参数正确与否，将关系到能否保证压开地层等问题。

该参数的获取有两种途径：一是进行室内岩石力学实验或井场水力压裂施工；二是从测井资料中提取。

目前，用测井资料估算砂泥岩剖面地层破裂压力的方法与技术较为成熟。

由于碳酸盐岩地层原生孔隙很小，次生孔隙的发育使岩石的刚性大大减弱，并呈现出明显的非均质性与各向异性，同时不同的构造部位受构造应力作用的强度难以确定，最小水平主应力和岩体抗张强度的度量较难，造成用测井资料计算的地层破裂压力精度较低。

碳酸盐岩地层破裂压力与测井响应具有密切的关系。

利用能够反映碳酸盐岩地层基本特性和岩石力学性质的测井信息，预测碳酸盐岩地层的破裂压力是一种经济、简便的可靠途径。

1957年，Hubbert和Willis根据三轴压缩试验，首先提出了地层破裂压力预测模式即H-W模式。

到目前为止，国内外提出了许多预测地层破裂压力的方法。

比较常用的有Eaton法，Stephen法，黄荣樽法等。

1997年Holbrook发表了适于预测张性盆地裂缝扩展压力的一种方法。

地层破裂压力试验方法一、地层破裂（漏失）压力概念二、确定地层破裂压力的方法三、地层试漏曲线分析四、地层破裂（漏失）压力计算五、地层破裂（漏失）压力试验目标一、了解地层破裂（漏失）压力概念，会分析地层试漏曲线。

二、掌握地层破裂（漏失）压力试验方法及步骤及曲线绘制。

三、掌握地层破裂（漏失）压力及允许关井套压计算方法。

地层破裂压力是指某一深度地层发生破碎和裂缝时所能承受的压力。

当达到地层破裂压力时，地层原有的裂缝扩大延伸或无裂缝的地层产生裂缝。

一、地层破裂压力一般情况(遵循压实规律)下，地层破裂压力随着井深的增加而增大。

在钻井时，钻井液柱压力的下限要保持与地层压力相平衡，实现压力控制。

而其上限则不能超过地层的破裂压力，以避免压裂地层造成井漏。

一、地层破裂压力地层漏失压力是指某一深度的地层产生钻井液漏失时的压力。

对于正常压力的高渗透性砂岩、裂缝性地层以及断层破碎带处，往往地层漏失压力比破裂压力小得多，而且对钻井安全作业危害很大。

一、地层漏失压力习惯上以地层漏失压力作为确定井控作业的关井压力依据。

这样更加趋于安全。

一、地层漏失压力1、预测法——应用经验公式预测地层破裂压力，作为钻井设计的依据。

2、验证法——在下套管固井后，必须进行试漏试验，以验证预测的破裂压力。

二、确定地层破裂（漏失）压力的方法在做地层破裂压力试验时，在套管鞋以上钻井液的静液压力和地面回压的共同作用下，使地层发生破裂而漏失1、漏失压力（PL）从图中可以看到：一开始，立压变化几乎与注入量成一直线关系，这说明井下尚无漏失现象。

但从L点发生转折，试验曲线偏离直线，呈曲线变化，但压力继续上升。

表明此时地层的骨架颗粒开始分离，但未形成裂缝，钻井液开始漏失（但漏速小于注入量）。

试验曲线偏离直线的点，是地层开始漏失的点，这时地层所承受的压力称为地层漏失压力。

三、典型试漏曲线分析2、破裂压力（PF）从图中可以看到：从L点发生转折后，呈曲线变化，但压力仍继续上升，至最大峰值F点后下降，这时地层破裂，形成裂缝，钻井液向裂缝中漏失（漏速大于注入量），其后压力将下降。

第二节 地层破裂压力在井下一定深度裸露的地层，承受流体压力的能力是有限的，当液体压力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压力（Fracture pressure ），一般用f p 表示。

使用最广泛的地层破裂压力预测是Hubbert-Willis 模式和Haimson-Fairhurst 模式。

破裂压力数据应用于钻井、修井、压裂、试油井下测试等井下工艺技术，钻井大多数是在裸眼中进行的，所以破裂压力数据在钻井方面尤为重要，它是钻井之前的井身结构设计，套管强度计算、钻井液密度设计等钻井工程设计内容的关键参数，特别是在一个新的区块开发之前，破裂压力这一数据为就重中之重了。

它决定着在这一新的区域内的所有钻井方案是否正确，并能否顺利执行和能否顺利完成。

压裂作业时，地层破裂力学模型如图1.1所示。

此时，地层裂隙受地应力与压裂液共同作用。

考虑深层水力压裂主成垂直裂缝，且裂缝穿透整个煤层。

地应力与压裂液应力的最终有效合应力在裂隙壁面上是拉应力，当其合成应力强度因子K 达到临界值时，裂隙就开始失稳延伸。

地层的破裂压力对钻井液密度确定、井身结构和压裂设计施工等有着重要的指导作用。

从上世纪五六十年代，国内外就开始对地层破裂压力进行了研究，并取得了一系列的成果。

H-W模型1957年Hubbert和Willis根据三轴压缩试验首次提出了地层破裂压力预测模式即H-W模式指出破裂压力等于最小水平主应力加地层孔隙压力Pp,垂直有效主应力等于上覆压力Pv 减Pp最小水平主应力在其1/3到1/2范围内,预测公式为:式中：f P — 地层破裂压力；p P — 地层空隙压力；v P — 上覆岩层压力；模型中上覆压力梯度为1的假设显然不符合实际,最小水平主应力为1/3到1/2垂直有效主应力范围的假设通常也带来偏低的结果。

1967年Matthews 和Kelly 在H-W 模式中引入了骨架应力系数i K ：）（p v i p f P -P K P P += 4-7 地层正常压实时，i K 反映了地层实际骨架应力状况其值由区块内已有破裂压力资料确定，i K 系数曲线的绘制需要大量实际压裂资料，限制了此方法的应用。

第二节 地层破裂压力在井下一定深度裸露的地层，承受流体压力的能力是有限的，当液体压力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压力（Fracture pressure ），一般用f p 表示。

使用最广泛的地层破裂压力预测是Hubbert-Willis 模式和Haimson-Fairhurst 模式。

破裂压力数据应用于钻井、修井、压裂、试油井下测试等井下工艺技术，钻井大多数是在裸眼中进行的，所以破裂压力数据在钻井方面尤为重要，它是钻井之前的井身结构设计，套管强度计算、钻井液密度设计等钻井工程设计内容的关键参数，特别是在一个新的区块开发之前，破裂压力这一数据为就重中之重了。

它决定着在这一新的区域内的所有钻井方案是否正确，并能否顺利执行和能否顺利完成。

压裂作业时，地层破裂力学模型如图所示。

此时，地层裂隙受地应力与压裂液共同作用。

考虑深层水力压裂主成垂直裂缝，且裂缝穿透整个煤层。

地应力与压裂液应力的最终有效合应力在裂隙壁面上是拉应力，当其合成应力强度因子K 达到临界值时，裂隙就开始失稳延伸。

地层的破裂压力对钻井液密度确定、井身结构和压裂设计施工等有着重要的指导作用。

从上世纪五六十年代，国内外就开始对地层破裂压力进行了研究，并取得了一系列的成果。

H-W 模型1957年Hubbert 和Willis 根据三轴压缩试验首次提出了地层破裂压力预测模式即H-W 模式指出破裂压力等于最小水平主应力加地层孔隙压力P p ,垂直有效主应力等于上覆压力P v 减P p 最小水平主应力在其1/3到1/2范围内,预测公式为:式中：f P — 地层破裂压力；p P — 地层空隙压力；v P — 上覆岩层压力；模型中上覆压力梯度为1的假设显然不符合实际,最小水平主应力为1/3到1/2垂直有效主应力范围的假设通常也带来偏低的结果。

1967年Matthews 和Kelly 在H-W 模式中引入了骨架应力系数i K ：）（p v i p f P -P K P P += 4-7 地层正常压实时，i K 反映了地层实际骨架应力状况其值由区块内已有破裂压力资料确定，i K 系数曲线的绘制需要大量实际压裂资料，限制了此方法的应用。

第二节 地层破裂压力在井下一定深度裸露的地层，承受流体压力的能力是有限的，当液体压力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压力（Fracture pressure ），一般用f p 表示。

使用最广泛的地层破裂压力预测是Hubbert-Willis 模式和Haimson-Fairhurst 模式。

破裂压力数据应用于钻井、修井、压裂、试油井下测试等井下工艺技术，钻井大多数是在裸眼中进行的，所以破裂压力数据在钻井方面尤为重要，它是钻井之前的井身结构设计，套管强度计算、钻井液密度设计等钻井工程设计内容的关键参数，特别是在一个新的区块开发之前，破裂压力这一数据为就重中之重了。

它决定着在这一新的区域内的所有钻井方案是否正确，并能否顺利执行和能否顺利完成。

压裂作业时，地层破裂力学模型如图1.1所示。

此时，地层裂隙受地应力与压裂液共同作用。

考虑深层水力压裂主成垂直裂缝，且裂缝穿透整个煤层。

地应力与压裂液应力的最终有效合应力在裂隙壁面上是拉应力，当其合成应力强度因子K 达到临界值时，裂隙就开始失稳延伸。

地层的破裂压力对钻井液密度确定、井身结构和压裂设计施工等有着重要的指导作用。

从上世纪五六十年代，国内外就开始对地层破裂压力进行了研究，并取得了一系列的成果。

H-W 模型1957年Hubbert 和Willis 根据三轴压缩试验首次提出了地层破裂压力预测模式即H-W 模式指出破裂压力等于最小水平主应力加地层孔隙压力P p ,垂直有效主应力等于上覆压力P v 减P p 最小水平主应力在其1/3到1/2范围内,预测公式为:()p p v 31fP P P P +-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=21~ 4-6式中：f P — 地层破裂压力；p P — 地层空隙压力；v P — 上覆岩层压力；模型中上覆压力梯度为1的假设显然不符合实际,最小水平主应力为1/3到1/2垂直有效主应力范围的假设通常也带来偏低的结果。

1967年Matthews 和Kelly 在H-W 模式中引入了骨架应力系数i K ：）（p v i p f P -P K P P += 4-7 地层正常压实时，i K 反映了地层实际骨架应力状况其值由区块内已有破裂压力资料确定，i K 系数曲线的绘制需要大量实际压裂资料，限制了此方法的应用。

地层压力-地层破裂压力-地层坍塌压力预检测地层破裂压力和坍塌压力预测摘要地层破裂压力和地层坍塌压力是钻井工程设计的重要依据，对确定合理的钻井液密度和其他钻井参数有重要意义。

在参考了一些书籍和相关论文的基础上，对地层破裂压力和坍塌压力的预测方法做出了较为系统的总结。

地层破裂压力的预测主要有H-W模式和H-F模式，包括伊顿法、黄荣樽法、安德森法等；地层坍塌压力的预测主要基于井壁岩石剪切和拉伸破坏的原理。

关键词：破裂压力；坍塌压力；预测第一章前言地层破裂压力是指使地层产生水力裂缝或张开原有裂缝时的井底流体压力。

它是钻井和压裂设计的基础和依据。

如何准确地预测地层破裂压力，对于预防漏、喷、塌、卡等钻井事故的发生及确保油气井压裂增产施工的成功有着重要的意义。

地层坍塌压力是指随着钻井液密度的降低，井眼围岩的剪应力水平不断提高，当超过岩石的抗剪强度时，岩石发生剪切破坏时的临界井眼压力。

它的确定对于确定合理的钻井液密度和钻井设计及施工有重要意义。

地层三项压力研究历史及发展现状：八十年代以前，地层孔隙压力以监测为主，地层破裂压力预测处于经验模式阶段，如马修斯-凯利模式、伊顿模式等。

没有地层坍塌压力的概念。

八十年代，提出了地层坍塌压力的概念，从理论上对地层三个压力进行了公式推导。

九十年代以来，一般根据岩石力学的基本原理由地应力和地层的抗拉强度预测地层的破裂压力，进入实用技术开发阶段。

目前，地层三项压力预测技术已经得到广泛的重视，也从各个方面对其进行了研究和应用：●室内实验研究方法（研究院）●地震层速度法（石大北京）●常规测井资料法（华北钻井所、石大）●页岩比表面积法（Exxon)●人造岩心法(Norway)●岩屑法(Amoco、石油大学）●LWD、SWD法（厂家）●经验模式法（USA)第二章地层三项压力预测机理2.1 地应力模型1、各向同性模型利用电缆地层测试或压力恢复测试资料，在不考虑构造应力影响情况下，各向同性模型计算水平应力公式为：()p p b x P P P PR PR αασ+--=01（2-1）式中：PR —泊松比；Pob —上覆岩层压力；Pp —孔隙流体压力；α — Biot 常量。

地层破裂压力试验详解一、地层破裂压力和地层漏失压力地层破裂压力是指某一深度地层发生破碎和裂缝时所能承受的压力。

当达到地层破裂压力时，地层原有的裂缝扩大延伸或无裂缝的地层产生裂缝。

一般情况(遵循压实规律)下，地层破裂压力随着井深的增加而增大。

在钻井时，钻井液柱压力的下限要保持与地层压力相平衡，实现压力控制。

而其上限则不能超过地层的破裂压力，以避免压裂地层造成井漏。

地层漏失压力是指某一深度的地层产生钻井液漏失时的压力。

对于正常压力的高渗透性砂岩、裂缝性地层以及断层破碎带处，往往地层漏失压力比破裂压力小得多，而且对钻井安全作业危害很大。

习惯上以地层漏失压力作为确定井控作业的关井压力依据。

这样更加趋于安全。

二、确定地层破裂（漏失）压力的方法1、预测法——应用经验公式预测地层破裂压力，作为钻井设计的依据。

2、验证法——在下套管固井后，必须进行试漏试验，以验证预测的破裂压力。

1、钻头提至套管鞋以上，井内灌满钻井液，关井。

2、采用从钻具水眼或环空两种方式中的一种用选定小排量向井内泵入钻井液。

3、每间隔20~50L（选定一个固定量）泵入量或每间隔10~20s（泵速恒定、选择一个固定时间间隔）记录一次相应泵压和注入量或时间。

4、当泵压开始下降时，停泵。

若不要求计算地层最小水平主地应力及试漏层岩石抗拉强度时，则试验结束。

否则继续下部试验。

5、停泵1~2min，每间隔10~20s记录一次泵压。

6、待泵压相对稳定后，重新开泵1-2min,每间隔10~20s记录一次重张压力。

7、作出下图所示的典型漏失试验曲线。

图中偏离直线之点的压力PL则为漏失压力。

破裂压力当量密度（Υf）为：Υf=Υm+100Pl/H式中：Υm:试验所用泥浆密度，g/cm3；Pl:漏失压力，MPa；H:裸眼段中点井深，m。

该地层破裂压力梯度（Gf）则为：Gf=0.01Υm+Pl/H单位：MPa/m值得注意的是，在直井与定向井中对同一地层作的液压试验所得到的数据不能互用。

地层压力一、基本概念1、静液压力：是由钻井液柱重量引起的压力。

2、地层压力：是指作用在岩石孔隙内流体（油气水）上的压力，也称为地层孔隙压力。

3、上覆地层压力：指覆盖在地层以上的地层基质（岩石）和孔隙中流体（油气水）的总重量造成的压力。

4、破裂压力：在井中一定深度处的地层，其承受压力的能力是有限的，当压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称为地层的破裂压力。

5、压力系数：是地层原始压力与同一深度地层水静水柱压力的比值(实际仍是当量密度，只是去掉密度量纲)。

6、当量钻井液密度：某深度处的钻井液液柱压力（包括循环阻力和波动压力等）等于该深度的地层压力时的钻井液密度(ECD=101.97＊压力梯度)7、静水压力（Hydrostatic Pressure）：指单位液体重量与静液柱垂直高度的乘积。

ph = (g*ρ*H )/1000 ≈ (ρ*H)/1000ph------ 静水压力 Mpag ------ 重力加速度 9.81m/s2ρ ------ 钻井液密度 g/cm3H ------ 垂深 m8、静水压力梯度（HydrostaticPressureGradient）：静水压力梯度是指每单位深度上静水压力的变化量。

Hpg = ph/H ≈ ρ*g/1000Hpg ------ 静水压力梯度 MPaρ ------ 单位体积质量 g/cm3体积密度法：Hpg =（103* ph）/g*H9、地层孔隙压力（Pore Pressure）：指作用地岩石孔隙中流体上的压力。

对于现场计算，孔隙压力与流体液柱的密度及垂直深度有关pf = (ρf*g*H)/1000pf ------- 地层孔隙压力 MPaρf ------- 地层流体密度 g/cm310、地层孔隙压力梯度（ Pore Pressure Gradiet）：指单位深度上地层孔隙压力的变化量。

pfg = pf/H ≈ ρf*g/1000体积密度法：pfg =（103* pf）/g*H孔隙压力梯度等于或接近于静水压力梯度时称为正常孔隙压力梯度；低于静水压力梯度时称为低压力异常孔隙压力梯度，简称低压力异常。

地层破裂压力试验地层破裂压力试验一、作业应具备的条件1.凡是下入各层技套后的探井及设计有要求的井，都要做地层破裂压力试验。

2.做地层压力破裂试验前，整套井控设备必须安装完备并试压合格。

3.钻井整套设备运行良好、试压泵（建议用一台水泥车，能够准确记录泵入钻井液的量）能正常工作、及各种仪表灵敏、能准确读数。

4.各岗位人员全部到位，分工明确，联络通畅，配合熟练，为收集且记录好准确、齐全的数据做充分的准备。

二、设备和工具的检查1．检查所有有关的压力表要完好。

2．检查所有的阀门完好、灵活、不刺不漏。

3.闸门组各闸门开关灵活，不刺不漏。

4.检查远程控制台、司钻控制台，保证工作正常，液控管线不刺不漏。

5.试压泵（水泥车）性能良好，管线畅通、联接正确。

三、地层破裂压力试验步骤1.钻穿水泥塞钻开试压地层。

一般钻新井眼3～5m或套管鞋以下第一个砂岩层，如果没有砂层，最多钻10m新井眼。

2.循环钻井液清洗井眼，将井内钻井液循环均匀后，测量井内钻井液密度且作好记录。

3.上提钻具使钻头进入套管内关防喷器。

4.用较小排量（0.66～1.32L/S）向井内注入钻井液。

5.计算上顶力（注压时，一定要使上顶力小于井内钻具在钻井液中的重量，否则闸板防喷器的闸板必须封在靠近钻杆公接头处，防止钻具上行）。

6记录各个时间的泵入量和相对应的立管压力值。

7做出液压试验曲线（以***队承钻的****井地层破裂压力试验为例）1、组合下钻探到水泥塞面后，钻穿水泥塞后钻进新地层5米，井深1806米处，随后循环泥浆，将井筒清洗干净。

（泥浆循环均匀后测量泥浆性能，此时泥浆密度为1.18g/cm3）2、起出一立柱，钻头提至套管鞋以内（套管下深1800.82米），接上方钻杆，关半封闸板防喷器，注意绞车刹死，闸板一定要错开钻杆接头处。

3、用试压泵以小排量往井里注入钻井液。

4、记录不同时间的注入量和套管压力。

（用试压泵注压是接在压井管汇上，立管压力与套管压力有滞后效应，如果是正注压就记录立管压力）。