地层破裂压力试验

第二节地层破裂压力第二节 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: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。

第四节地层破裂压力一、地层破裂压力的重要性为了合理进行井身结构设计（套管层次、下入深度）和制定钻井施工措施，除了掌握地层压力梯度剖面外，还应了解不同深度处地层的破裂压力。

在钻井中，合理的钻井液密度不仅要略大于地层压力，还应小于地层破裂压力，这样才能有效地保护油气层，使高低压油气层不受钻井液损害，避免产生漏、喷、塌、卡等井下复杂情况，为全井顺利钻进创造条件，以获得高速、低成本、安全高效钻井。

地层破裂压力还是确定关井极限套压的重要依据之一。

二、影响地层破裂压力的主要因素地层的破裂压力首先取决于其自身的特性。

这些特性主要包括地层中天然裂缝的发育情况，他的强度（主要是抗拉伸强度）及其弹性常数（主要是泊松比）的大小。

地层中孔隙压力的大小也对其破裂压力有很大的影响。

一般来说，地层的孔隙压力越大，其破裂压力也越高。

从力学角度看来，地层的破裂是地层受力作用的结果，除了流体压力的作用外，也和地层中存在的地应力大小有很大的关系。

在地下埋藏着的岩层中，由于受其上方覆盖岩层的重力作用和构造运动的影响，作用着地应力。

这种地应力在不同的地区和不同的油田构造断块里是不同的。

通常，三个主方向上的地应力是不相等(如图1-4-1)。

即有：σx≠σy≠σz (4-1)1、上覆岩层压力图中σz表示上覆岩层压力（有时也用P0表示）,它是由深度H以上岩层的重力产生的。

如果地层孔隙压力是P p，则有σz＝σz′＋P p (4-2)式中，σz′称为“有效上覆岩层压力”。

它表示扣除孔隙压力的影响后，直接作用在岩层骨架颗粒上的应力。

也称为骨架应力。

2、水平地应力根据该地区有无受到构造运动的影响以及构造运动的形态，可将水平地应力分为三种情况。

(1)未受到地质构造运动扰动过的沉积较新的连续沉积盆地，属于水平均匀地应力状态。

其水平地应力只来源于上覆岩层的重力作用。

设地下岩层为各向同性，均质的弹性体，则根据地层在水平方向上的应变受到约束的条件可以导出：бx′=бy′=μ*бz′／（1－μ） (4-3)式中：бx′、бy′—水平方向的两个有效的主地应力，且有бx′＝бx－Pp (4-4)бy′＝бy－Pp (4-5)式中：бz′—有效地上覆岩层压力,MPaPp—孔隙压力,MPaμ—地层的泊松比，0<μ<0.5μ／（1－μ）—称为侧压系数由（4－3）可见，бz′>бx′=бy′(2)受到地质构造运动的影响，但构造力在水平各个方向上均相同。

地层压力公式1．静液压力Pm(1)静液压力是由静止液柱的重量产生的压力，其大小只取决于液体密度和液柱垂直高度。

在钻井中钻井液环空上返速度较低，动压力可忽略不计，而按静液压力计算钻井液环空液柱压力。

(2)静液压力 Pm 计算公式：Pm＝ 0.0098ρ mHm(2 —1)式中 Pm ——静液压力， MPa ；ρ m——钻井液密度， g／cm3 ；Hm ——液柱垂直高度，m。

(3)静液压力梯度 Gm 计算公式：Gm＝ Pm／ Hm ＝ 0.0098ρm(2 —2)式中 Gm ——静液压力梯度，MPa／m 。

2．地层压力Pp(1)地层压力是指地层孔隙中流体具有的压力，也称地层孔隙压力。

(2)地层压力 Pp 计算公式：Pp＝ 0.0098ρ pHp(2 —3)式中 Pp——地层压力， MPa；ρ p ——地层压力当量密度，g／ cm3 ；Hm ——地层垂直高度，m。

(3)地层压力梯度 Gp 计算公式：Gp＝ Pp／ Hp ＝ 0.0098ρp(2 —4)式中 Gp——静液压力梯度，MPa／ m。

(4) 地层压力当量密度ρp计算公式：ρp＝ Pp／ 0.0098Hm ＝102Gp(2 －5)在钻井过程中遇到的地层压力可分为三类：a.正常地层压力：ρp＝1.0～1.07g／cm3；b.异常高压：ρ p>1.07g／ cm3 ；c.异常低压：ρ p<1.0g／ cm3 。

3．地层破裂压力Pf地层破裂压力是指某一深度处地层抵抗水力压裂的能力。

当达到地层破裂压力时，使地层原有的裂缝扩大延伸或使无裂缝的地层产生裂缝。

从钻井安全方面讲，地层破裂压力越大越好，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。

(1)地层破裂压力 Pf 计算公式：Pf＝ 0.0098ρ fHf(2 － 6)式中 Pf ——地层破裂压力，MPa；ρ f ——地层破裂压力当量密度，g／ cm3 ；Hf ——漏失层垂直高度，m 。

地破压力试验操作程序
（1）钻穿水泥塞，钻入套管鞋以下第一个砂层3～5m，充分循环钻井液，使进出口性能趋于一致，然后将钻具上提至套管鞋内。

（2）井内完全灌满钻井液后，停泵关好半封闸板防喷器。

（3）用水泥车低排量(O.8～1.32l／s)由钻杆泵入钻井液。

（4）每泵入20L钻井液，静待2min或一直等压力趋于稳定。

（5）记录泵入钻井液累计量Q与相应的立管压力Pd。

（6）重复4、5步骤直到压力偏离最高压力并逐渐下降趋于平缓，进行瞬时停泵，记录瞬时停泵压力。

（7）当压力达到井口承压设备中的最小额定工作压力或套管承受的压力达到套管最小抗内压强度的80％时仍未被压裂，应停止试验。

（8）将原始数据录入井史，绘制压力Pd—Q曲线，确定出地层漏失压力PL和破裂压力P1。

（9）打开节流阀泄压,打开闸板防喷器。

（10）求出破裂压力的当量钻井液密度。

ρf＝ρm试＋PL/0.0098Hf
式中: ρf--—破裂压力当量密度，g／cm3；
ρm试—试验所用的钻井液密度，g／cm3；
PL—地层漏失时的井口压力，MPa；
Hf—套管鞋处垂深，m。

程序是可以查标准的，需要注意的以下几点
一是泵的排量一定要小。

2楼说的0.8-1.32完全适合。

二是地层的不同，有些地层做不出来的，脆性地层只做承压试验，应有所区别。

三是最好实现自动化。

试压泵连接打印机，打印初试验曲线。

防止作弊。

SY 5430-92 地层破裂压力测定套管鞋试漏法1主题内容与适用范围本标准规定了用套管鞋试漏法确定地层破裂压力的试漏前的准备工作、试漏程序、试漏数据的采集及处理方法。

本标准适用于石油天然气钻井中地层破裂压力的测定。

2试漏前的准备2.1利用预测模式或邻井资料估算试漏层的破裂压力。

2.2根据2.1条估算结果及钻井液密度,选择合适的泵型和井口装置。

2.3井口安装后, 采用封堵器清水试压, 闸板防喷器以下整体试压到额定工作压力, 稳压时间不少于3min, 允许压降不超过0.7～1.0Mpa。

2.4校验立管和环空压力表。

2.5试漏层段应选在套管鞋下第一个3～5m厚的易漏层。

3 2.6调整钻井液性能, 保证均匀稳定, 以满足试漏施工要求。

4试漏程序3.1钻头提至套管鞋以上, 井内灌满钻井液, 关井。

3.2采用从钻具水眼或环空两种方式中的一种向井内泵入钻井液。

裸眼长度在5m以内的选用0.7～1L/s排量, 超过5m的选用2～4L/s排量。

5 3.3为了求取试漏层最小主地应力和岩石抗拉强度数据，地层压裂后应进行停泵和重张压力测量。

6 3.4当压力达到井口承压设备中的最小额定工作压力或套管承受的压力达到套管中的最小抗内压强度80%时仍未被压裂, 应停止试验。

7试漏数据的采集4.1日期、时间、井号、井深、套管尺寸及下深、地层及岩性、钻井液密度、注入泵型号、缸套直径及冲数。

4.2每间隔20～50L泵入量或每间隔10～20s（泵速恒定）记录一次相应泵压和注入量或时间。

开始时记录点间隔可大些, 后期应加密记录点。

正循环泵入时, 泵压由立管或井口压力表读数千。

环空泵入时由环空压力表读数。

4.3地层压裂后, 停泵1～2min, 每间隔10～20s记录一次泵压。

4.4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。

5 试漏数据处理5.1作图a. 若采集的数据是间隔时间和相应泵压, 作成如图1所示的试漏曲线。

技术管理井控复习题一、单选题1、一般说来，地层孔隙压力越大，其破裂压力就越（）。

A、增加B、不变C、减小D、迅速减小2、地层破裂压力试验适用于（）的地层。

A、脆性岩层B、砂岩或泥（页）岩C、碳酸岩D、所有地层3、按塔里木油田规定，地破压力试验最高压力不得大于井口设备的额定工作压力和井口套管抗内压强度的（）两者之较小值。

A、 60%B、70%C、 80%D、 100%4、在钻井或大修井时，（）要保持与地层压力相平衡，既不污染油气层，又能提高钻速，实现压力控制。

A、环空压降B、液柱压力的上限 C 、液柱压力的下限D、抽吸压力的上限5、钻井过程中如果其它条件不变，钻井液密度增加则钻速（）。

A、增加B、降低 C 、不变D、忽高忽低6、下列四种工况下，井底压力最小的是（）。

A、起钻B、下钻C、静止D、钻进7、在钻进过程中如果其它条件不变，地层压力增加则机械钻速（）。

A、增加B、降低C、不变D、无法确定8、钻井液静液柱压力的大小与（）有关。

9、（A、井径B、井斜C、钻井液密度和垂深D、井径和垂深）等于从地表到地下某处连续地层水的静液柱压力。

A、正常地层压力B、异常高压C、异常低压 D 、水柱压力10、在钻井或大修井时，（）则不能超过地层的破裂压力，以避免压裂地层造成井漏。

A、抽吸压力的上限B、液柱压力的上限C、液柱压力的下限 D 、环空压降11、异常高压的形成包括但不限于：（）。

A、地层流体的运移B、地下水位低于地面上千米C、采油后未补充水D、砂岩透镜体周围的页岩受到侵蚀12、d 指数和 dc 指数就是在（）的基础上发展起来的一种随钻监测地层压力的一种方法。

A、岩石强度法B、遗传算法C、测井法D、机械钻速法13、按塔里木油田规定，浅气井采用（） MPa的压力附加值。

A、 1.5 ～ 3.5B、2.0 ～4.0C、 3.0 ～ 5.0D、0.07 ～0.1514、（）是指某一深度的地层发生破碎或裂缝时所能承受的压力。

井控证考试题及答案一、单选题1、一般说来，地层孔隙压力越大，其破裂压力就越（）。

CA、增加B、不变C、减小D、迅速减小2、地层破裂压力试验适用于（）的地层。

BA、脆性岩层B、砂岩或泥（页）岩C、碳酸岩D、所有地层3、按塔里木油田规定，地破压力试验最高压力不得大于井口设备的额定工作压力和井口套管抗内压强度的（）两者之较小值。

CA、60%B、70%C、80%D、100%4、在钻井或大修井时，（）要保持与地层压力相平衡，既不污染油气层，又能提高钻速，实现压力控制。

A、环空压降B、液柱压力的上限C、液柱压力的下限D、抽吸压力的上限5、钻井过程中如果其它条件不变，钻井液密度增加则钻速（）。

BA、增加B、降低C、不变D、忽高忽低6、下列四种工况下，井底压力最小的是（）。

AA、起钻B、下钻C、静止D、钻进7、在钻进过程中如果其它条件不变，地层压力增加则机械钻速（）。

AA、增加B、降低C、不变D、无法确定8、钻井液静液柱压力的大小与（）有关。

CA、井径B、井斜C、钻井液密度和垂深D、井径和垂深9、（）等于从地表到地下某处连续地层水的静液柱压力。

AA、正常地层压力B、异常高压C、异常低压D、水柱压力10、在钻井或大修井时，（）则不能超过地层的破裂压力，以避免压裂地层造成井漏。

BA、抽吸压力的上限B、液柱压力的上限C、液柱压力的下限D、环空压降11、异常高压的形成包括但不限于：（）。

AA、地层流体的运移B、地下水位低于地面上千米C、采油后未补充水D、砂岩透镜体周围的页岩受到侵蚀12、d指数和dc指数就是在（）的基础上发展起来的一种随钻监测地层压力的一种方法。

AA、岩石强度法B、遗传算法C、测井法D、机械钻速法13、按塔里木油田规定，浅气井采用（）MPa的压力附加值。

CA、1.5～3.5B、2.0～4.0C、3.0～5.0D、0.07～0.1514、（）是指某一深度的地层发生破碎或裂缝时所能承受的压力。

DA、地层坍塌压力B、地层孔隙压力C、地层承压能力D、地层破裂压力15、按塔里木油田规定：钻井地质设计要提供全井段的地层孔隙压力梯度，目的是（）。

地层漏失试验程序1.1.1 试漏层位：二开后钻揭新地层5~10m做地层破裂压力试验。

1.1.2 试漏程序：（1）试验前循环调节钻井液性能，保证钻井液性能均匀，以满足试验施工要求。

（2）上提钻头至套管鞋内，井内灌满钻井液，关井。

（3）用水泥车或试压泵采用从钻具水眼或环空两种方式中的一种向井内泵入钻井液。

裸眼长度在5m以内的选用0.7~1.0L/s的排量，超过5m的选用2~4L/s的排量。

（4）为了求取试漏层最小主地应力和岩石抗拉强度数据，地层压裂后应进行停泵和重张压力测量。

（5）当压力达到井口承压设备中的最小额定工作压力或套管承受的压力达到套管中的最小抗内压强度80%时仍未被压裂，应停止试验。

1.1.3 试漏数据采集：（1）日期、时间、井号、井深、套管尺寸及下深、地层及岩性、钻井液密度、注入泵型号、缸套直径及冲数。

（2）每间隔20~50L泵入量或每间隔10s（泵速恒定）记录一次相应泵压和注入量或时间。

开始时记录点间隔可大些，后期应加密记录点。

正循环泵入时，泵压由立管或井口压力表读数。

环空泵入时由环空压力表读数。

（3）地层压裂后继续泵入直到记录出压力平稳段后停泵，停泵每间隔10s记录一次泵压，直至记录出泵压平稳段。

（4）待泵压相对稳定后，重新开泵压开地层，继续泵入钻井液直至再次出现压力平稳段停泵，每间隔10s记录一次重张压力。

（5）详细记录试验过程中的压力与排量变化情况，特别要读出破裂压力值、裂缝延伸压力、瞬时停泵开始压力、停泵后压力下降的拐点、重新开泵后的裂缝重张压力、裂缝延伸压力等各项数据。

1.1.4 试漏结果：根据采集的数据做出如下图所示的试漏曲线；有关参数的计算： a ．漏失压力H G L L ρ00981.0+P =P式中：L P ——漏失压力，MPa ；GL P ——漏失时地面压力，MPa ； ρ——钻井液密度，g/cm 3； H ——试漏层深度，m 。

b ．破裂压力H G F F ρ00981.0+P =P式中：F P ——试漏层破裂压力，MPa ；GF P ——破裂时地面压力，MPa 。