地层破裂压力
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
(4-2)
p
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)
бx′＝бx－Pp (4-4)
бy′＝бy－Pp (4-5)
式中：бz′—有效地上覆岩层压力,MPa
Pp—孔隙压力,MPa
μ—地层的泊松比，0<μ<0.5
μ／（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。因此仍属于水平向地应力状态。其应力可表达为：
бx′＝бy′＝［ξ＋μ／（1－μ）］бz′ (4-6)
式中:ξ－均匀地质构造应力系数。
根据各地对地应力测试的结果，上述两种情况是比较少见的。
(3)最普遍的情况是，构造应力在两个水平主方向上是不相等的。有两种情况，一种是:
бx′>бy′≧бz′ (4-7)
这意味着水压裂缝是水平的。而对我国的大多数油田，地应力的实测表明是另一种情况：
бx′>бz′>бy′（4－8）
也就是说，最大和最小地应力都是作用在水平方向上。而垂直的有效上覆岩层压力为中间值，对于这种应力状态，地层的水压裂缝的形态为垂直的。
可以将水平向的两个主应力表达为：
бx′＝［α＋μ／（1－μ）］бz′
бy′＝［β＋μ／（1－μ）］бz′（4－7）
бz′＝бz－Pp
式中：α和β称为水平方向的两个构造应力系数。
目前对于地层破裂的起因有两种基本不同的看法：
一种观点认为地下岩层充满着层理，节理和裂缝，井内流体压力只是沿着这些破裂面侵入，使其张开。因此，使裂缝张开的流体压力只需克服垂直于裂缝面的地应力。
另一种观点则认为地层的破裂取决于井壁上的应力集中现象。增大井内的流体压力会改变井壁上的应力状态，此应力超过井壁岩石强度时，地层便被压裂。但是井壁上的应力是和地应力密切相关的，地层的破裂压力和所产生的裂缝的方向都受到地应力的影响和控制。
不论哪种观点，对于确定地层破裂压力来说，地应力都是极为重要的。因此，我们在讨论地层破裂压力时，必须了解油田构造地下的应力分布情况。
三、地层破裂压力的预测方法
迄今为止，国内外预测地层破裂压力的模式有很多种，我们在这里只给大家介绍具有代表性的三种方法。
这个方法在美国海湾地区应用比较广泛。它是在哈伯特和维利斯理论的基础上发展起来的。它坚持第一种观点。
故水平均匀地应力的值为μ*бz′／（1－μ），张开垂直裂缝的有效流体压力应为：P f－P p=μ*бz′／（1－μ）（4－8）
于是 P f＝P p＋μ*бz′／（1－μ）（4－9）
或P f＝P p＋μ*（бz－P p）／（1－μ）（4－10）
上式中μ是在假设上覆岩层压力梯度为0.0231Mpa/m的基础上，通过现场测试所得的地层破裂数据代入上式进行反算得到的。然后作出这一地区μ随井深变化的曲线。伊顿公式运用起来比较简单，但它只是比较适用于象墨西哥湾这样的地层沉积较新，受构造运动影响小的连续沉积盆地，而对于地层年代较老，构造运动影响大的区域，其预测效果欠佳。
2、史蒂芬法
水平均匀构造地应力的设想是史蒂芬提出的。但他和伊顿一样也认为破裂压力只是张开地层中已有裂缝所需的流体压力，这个压力等于垂直裂缝面的水平地应力。当存在水平构造应力时，水平地应力可表达为：
бx′＝бy′＝бH′=［ξ＋μ／（1－μ）］бz′（4－11）
于是，张开垂直裂缝所需的有效流体压力应为：
P f＝P p＋［ξ＋μ／（1－μ）］бz′（4－12）
或 P f＝P p＋［ξ＋μ／（1－μ）］*（бz－P p）（4－13）
在实验室里可用声波法测得动态泊松比，而上述公式中的μ均为静泊松比，前者要比后者偏高，因此直接用实验数据计算地层破裂压力也有一定的误差。式中的均匀构造应力系数也可用实测破裂压力数据进行反算。
3、黄荣樽法
我国石油大学黄荣樽教授经过研究，提出了一种新的破裂压力预测方法，这个方法与上述两种不同。主张地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的，而且考虑了地下实际存在的非均匀的地应力场的作用。因为这是反映不同油田断块具有不同地层破裂压力的重要原因，在新方法中还考虑了地层本身强度的影响。
通过计算导出破裂压力的表达式为：
P f=[2μ/(1-μ)-K]( бz－P p)+P p+S t（4－14）
式中 K=α－3β，称为非均匀的地质构造应力系数；
α、β—水平两个主方向的构造应力系数
—岩石的抗拉伸强度
S
t
P f、S t、μ都可以通过实验室试验和现场地层破裂压力试验获得，将它们代入上式即可求出构造应力系数K。再结合有关公式还可计算出α、β。
上述理论预测方法均有一定的局限性，即使条件合适，计算值与实际值之间还有误差。用液压试验法求地层破裂压力值，则较为可靠。
三、实测地层破裂压力的方法：地层破裂压力试验（漏失试验）法
（1）检查注水泥作业的质量。每层套管注完水泥并钻掉水泥塞后，再钻1米新井眼，进行液压试验，检查套管鞋处水泥封闭质量。
（2）实测地层破裂压力。钻至套管鞋以下第一个砂层即可进行液压试验。因为砂岩层的破裂压力梯度值一般较页岩层小。液压试验时，套管鞋处地层所受静液压力梯度比其下部其它地层为大，而套管鞋处地层压实程度一般又较其下部地层差，容易被压漏。故以套管鞋以下第一个砂层为试压地层。
2、液压试验步骤和方法
（1）井眼准备：钻开套管鞋以下第一个砂层后，循环调整钻井液性能（尤其是试验密度），使钻井液密度均匀稳定。一般钻3～5米，最多不超过10米新井眼。
（2）将钻头提至套管鞋内，关封井器（一般关半封闸板防喷器）。
（3）缓慢启动泵，以小排量0.8～1.32L/S向井内泵入钻井液（用水泥车或柱塞泵），如排量过大，地层可能突然断裂，钻井液很快漏失，难以确定漏失压力。
（4）准确记录不同时间的泵入量和立管压力。当井内压力不再升高并有下降时，停泵，记录数据后，从节流阀泄压。
（5）在直角坐标系中作出立管压力与泵入量的试验曲线；如果泵速不变，也可作出立管压力和泵入时间的关系曲线。
（6）如图1-4-2所示，从图上确定各个压力值。漏失压力PＬ，即开始偏离直线的点所对应的压力值，此点之后的压力仍然上升；破裂压力PＲ，即压力最大值之点，此点之后压力下降；传播压力Pｒｏ，即压力趋于平缓之点。我们以漏失压力来计算地层的破裂压力。
（7）地层破裂压力当量密度（ρf）的计算
ρf＝ρm试+P L/0.0098H f（4—15）
式中: ρf—破裂压力当量密度，g／cm3；
—试验所用的钻井液密度，g／cm3；
ρ
m试
P
—地层漏失时的井口压力，MPa；
L
—套管鞋处垂深，m。
H
f
（８）确定最大允许钻井液密度ρｍｍａｘ。考虑安全附加压力，实际允许的最大钻井液密度应小于地层破裂压力当量钻井液密度。通常表层套管取安全附加压力Sｆ＝0.06 g／
3，则：
cm3，技术套管S
ｆ＝0.12 g／cm
表层套管以下：ρｍｍａｘ＝ρf－0.06，g／cm3
技术套管以下：ρｍｍａｘ＝ρf－0.12，g／cm3
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。 1968年Pennebaker 指出上覆压力梯度是不断变化的，并将其与地质年代联系了起来。他根据声波时差资料建立了一组上覆压力梯度与深度的关系曲线，这是第一次在破裂压力预测技术中引入测井手段。 Pennebaker 将i K 定义为泊松比和时间的函数，并指出i K 随深度和地质年代的变化而变化。
地层破裂压力试验报告 步骤： 1、扫水泥塞钻井，钻穿水泥塞后钻进新地层3-5米，井深1835米处，随后循环泥浆，使进出口泥浆性能趋于一致。此时泥浆密度为 1.18克每立方厘米。 2、起两柱立柱，钻头提至套管鞋内（套管下深1801.95米），关下半封闸板防喷器，注意绞车刹死，闸板不至于封闭钻杆接头处。 3、泥浆泵缸套直径为180毫米，泵速120冲每分钟时排量为46.6升每秒，即累计一冲的排量为23.3升。 4、为使压力趋于稳定，每泵一冲静待2分钟后读取立压数据。同时记录当前累计冲数。 5、实验时，司钻控制泥浆泵，以低泵速泵浆，刚好累计泵冲数加了1冲时，立刻将泵速调为零，同时记录者秒表开始计时，记到2分钟时读数立压表并记录序号、累计泵冲数、立压，之后秒表清零。实验结束后，计算每次的泥浆泵入量。 6、重复第5步，前期立压值应和累计泵入量（累计泵冲数）成线性正比关系，到达漏失压力时，立压涨幅变缓，之后压力达到最大值后逐渐下降趋于平缓，瞬时停泵记录瞬时停泵压力。之后重新启动泵，求出裂缝重张压力。 7、绘制压力、钻井液累计泵入量关系曲线，计算破裂压力当量钻井液密度、地层破裂压力梯度Gf、最大允许关井套压[Pa]。
计算： 图中漏失压力P1=9.9MPa 破裂压力Pf=12.5MPa，钻井液密度1.18g/cm3，破裂压力当量钻井液密度=1.18+102*9.9/1802=1.74g/cm3 地层破裂压力梯度Gf=0.0098*1.18+9.9/1802=0.017MPa/m，最大允许关井套压[Pa]=（0.017-0.0098*1.18）*1835=9.98MPa。 注意事项： 1、泵速一定要控制好，尽力保证每次泵入量为23.3L。 2、立压数据需要等稳定后读取，读取准确。 3、泄压时注意操作安全。
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 表示）,它是由深度H以上岩层的重力产生的。如果地层孔图中σz表示上覆岩层压力（有时也用P 隙压力是P ，则有 p (4-2) σz＝σz′＋P p 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,MPa
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。现场应用表明，修正后的模型具有较高的精度。 以上方法需要确定地层的泊松比、地层的构造应力系数、抗拉强度、室内岩心三轴试验和现场典型的破裂压力试验。
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＝0.0098ρmHm (2—1) 式中 Pm——静液压力，MPa； ρm——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＝0.0098ρpHp(2—3) 式中 Pp——地层压力，MPa； ρp——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：ρp>1.07g／cm3； c.异常低压：ρp<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：
地层破裂压力
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 (4-2) p 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)
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）。 5、重复第4步，没有漏失前立压值应和累计泵入量成线性正比关系，到达漏失压力时，立压涨幅变缓，之后压力达到最大值后逐渐
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。 1968年Pennebaker 指出上覆压力梯度是不断变化的，并将其与地质年代联系了起来。他根据声波时差资料建立了一组上覆压力梯度与深度的关系曲线，这是第一次在破裂压力预测技术中引入测井手段。 Pennebaker 将i K 定义为泊松比和时间的函数，并指出i K 随深度和地质年代的变化而变化。 1969年伊顿（Eaton ）提出上覆岩层压力梯度不是常数而是深度的函数，可由密度测井曲线求得，并把（4-7）式中的i K 值具体化为υ/(1-υ)，υ为地层的泊松比。提出预测破裂压力模式为： 然而这个μ值并不是真正的岩石泊松比它隐含了众多Eaton 未想到的参数 1973年Anderson 考虑了井壁应力集中的影响引入Biot 弹性多孔介质的应力应变关系在均匀水平地应力的假设下提出模型： 式中为Biot 系数，Terzadhi 根据试验结果提出对多数沉积岩可取α=1上式
钻头水利参数计算公式： 1、 钻头压降：d c Q P e b 422 827ρ= （MPa ） 2、 冲击力：V F Q j 002.1ρ= (N) 3、 喷射速度：d V e Q 201273= (m/s) 4、 钻头水功率：d c Q N e b 42 3 05.809ρ= （KW ） 5、 比水功率：D N N b 21273井 比 ＝ (W/mm 2) 6、 上返速度：D D V Q 2 2 1273杆 井 返＝ - （m/s ） 式中：ρ－钻井液密度 g/cm 3 Q －排量 l/s c －流量系数，无因次，取0.95～0.98 d e －喷嘴当量直径 mm d d d d e 2 n 2 22 1+?++= d n ：每个喷嘴直径 mm D 井、D 杆 －井眼直径、钻杆直径 mm 全角变化率计算公式： ()()?? ? ???+?+ ?= -?-?225sin 2 2 2 b a b a b a L K ab ab ?? 式中：a ? b ? －A 、B 两点井斜角；a ? b ? －A 、B 两点方位角
套管强度校核： 抗拉：安全系数 m ＝1.80（油层）；1.60～1.80（技套） 抗拉安全系数＝套管最小抗拉强度/下部套管重量 ≥1.80 抗挤：安全系数：1.125 10 ν泥挤 H P = 查套管抗挤强度P c ' P c '/P 挤 ≥1.125 按双轴应力校核： H n P cc ρ10= 式中：P cc －拉力为T b 时的抗拉强度（kg/cm 2） ρ －钻井液密度（g/cm 3） H －计算点深度（m ） 其中：?? ? ? ?--= T T K P P b b c cc K 2 2 3 T b ：套管轴向拉力（即悬挂套管重量） kg P c ：无轴向拉力时套管抗挤强度 kg/cm 2 K ：计算系数 kg σs A K 2= A ：套管截面积 mm 2 σs ：套管平均屈服极限 kg/mm 2 不同套管σs 如下： J 55：45.7 N 80:63.5 P 110:87.9
在此处键入公式。六、地层压力计算 1、地层孔隙压力和压力梯度 (1)地层孔隙压力 H g p f p ???=-ρ310 式中，P p ——地层孔隙压力(在正常压实状态下，地层孔隙压力等于静液柱压力)，MPa ； ρf ——地层流体密度，g/cm 3 ； g ——重力加速度，9.81m/s 2； H ——该点到水平面的重直高度(或等于静液柱高度)，m 。 在陆上井中，H 为目的层深度，起始点自转盘方钻杆补心算起，液体密度为钻井液密度 ρm ，则，H g p m h ???=-ρ310 式中，p h ——静液柱压力，MPa ； ρm ——钻井液密度，g/cm 3 ； H ——目的层深度，m ； g ——重力加速度，9.81m/s 2。 在海上钻井中，液柱高度起始点自钻井液液面(出口管)高度算起，它与方补心高差约 为0.6～3.3m ，此高差在浅层地层孔隙压力计算中要引起重视，在深层可忽略不计。 (2)地层孔隙压力梯度 H P G P p = 式中 G p ——地层孔隙压力梯度，MPa/m 。 其它单位同上式。 2、上覆岩层压力及上覆岩层压力梯度 (1)上覆岩层压力 ])1[(1081.93o ρρΦ+Φ-?=-m H P 式中 P o ——上覆岩层压力，MPa ； H ——目的层深度，m ； Φ——岩石孔隙度，％； ρ——岩层孔隙流体密度，g/cm 3 ； ρm ——岩石骨架密度，g/cm 3 。 (2)上覆岩层压力梯度 H P G o o = 式中，G o ——上覆岩层压力梯度，MPa/m ； P o ——上覆岩层压力，MPa ； H ——深度(高度)，m 。 (3)压力间关系 z p P p O σ+= 式中，P o ——上覆岩层压力，MPa ； P p ——地层孔隙压力，MPa ；
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；
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。此时停泵，压力趋于平稳。 试验曲线的最高点。反映了井内压力克服地层的强度使其破裂，形成裂缝，钻井液向裂缝中漏失，其后压力将下降。 3、延伸压力（PPRO） 压力趋于平缓的点。它使裂缝向远处扩展延伸。 四、地层破裂压力试验
地层破裂压力和地层坍塌压力预测新算法 地层岩石作为一种多孔两相固体物质，其应力分析与普通单相固体物质是有区别的，但是，在我们目前所使用的地层岩石应力分析模型、理论中，都有意或无意地使用了单相固体应力分析的方法。为了分析两者的区别，在这里我们首先引入有效应力的概念。 有效应力的概念是由李传亮老师首先提出来的，该理论认为岩石由两个有效应力：本体有效应力和结构有效应力。本体有效应力决定岩石的本体变形，结构有效应力决定岩石的结构变形。 p s P .1Φ+-=σφσ）（ (1) p s P P .)1(eff φσσφσ -=-= （2） p c c c P .1φσφσ+-=）（ (3) p c c c s P .)1( eff φσσφσ -=-= （4） 式中： σ——上覆地层压力； s σ——岩石骨架应力； c σ——岩石接触应力； eff P σ——岩石本体有效应力； eff s σ ——岩石结构有效应力； φ——岩石孔隙度； c φ——岩石触点孔隙度；（φ=c φ） P p ——岩石空隙流体压力。 有效应力通过孔隙度把普通材料和多孔介质统一起来了，有效应力计算公式中的孔隙度反映了孔隙压力对有效应力的贡献权值。 在地应力分析中，我们所指的应力是结构有效应力。
（1）借助结构有效应力公式，我们首先分析在非均匀地应力作用下井眼周围周向结构有效应力和径向结构有效应力分布规律。 θ φσφσ φσφσ σθ 2cos )3 1(2 ) .().()1(2 ) .().(4 4 2 2 r r p p r r p p w p c h p c H w p c h p c H eff s +---+ + -+-- = （5） 式中：θσeff s ——距井轴r 距离并与H σ按逆时针方向成θ角处的周向结构有效应力。 p C p C b H P P P A .).)(1( 0φφμμ σ+-+-= （6） p C p C b h P P P B .).)(1( 0φφμ μ σ+-+-= （7） μ——岩石泊松系数； A ， B ——构造应力系数（构造应力系数对于不同的地质构造是不同的，但在统一构造 断块内部，它是一个常数，且不随地层深度变化）； P P ——地层孔隙流体压力； b P 0——上覆地层压力。 需要说明的是，上述式（6）和式（7）式与现用的地应力计算公式（如下）是有区别的： p p b H P P P A .).)(1( 0ααμμ σ+-+-= （8） p p b h P P P B .).)(1( 0ααμ μ σ+-+-= （9） 式中：α——有效应力系数； 根据李传亮老师提出的岩石变形机制理论，岩石作为一种多孔胶结固体，其变形实际上是通过骨架颗粒的变形和排列方式的改变来实现的，骨架颗粒的变形即为岩石的本体变形，排列方式的改变即为岩
. . 在此处键入公式。六、地层压力计算 1、地层孔隙压力和压力梯度 (1)地层孔隙压力 H g p f p ???=-ρ310 式中，P p ——地层孔隙压力(在正常压实状态下，地层孔隙压力等于静液柱压力)，MPa ； ρf ——地层流体密度，g/cm 3 ； g ——重力加速度，9.81m/s 2； H ——该点到水平面的重直高度(或等于静液柱高度)，m 。 在陆上井中，H 为目的层深度，起始点自转盘方钻杆补心算起，液体密度为钻井液密度 ρm ，则，H g p m h ???=-ρ310 式中，p h ——静液柱压力，MPa ； ρm ——钻井液密度，g/cm 3 ； H ——目的层深度，m ； g ——重力加速度，9.81m/s 2。 在海上钻井中，液柱高度起始点自钻井液液面(出口管)高度算起，它与方补心高差约 为0.6～3.3m ，此高差在浅层地层孔隙压力计算中要引起重视，在深层可忽略不计。 (2)地层孔隙压力梯度 H P G P p = 式中 G p ——地层孔隙压力梯度，MPa/m 。 其它单位同上式。 2、上覆岩层压力及上覆岩层压力梯度 (1)上覆岩层压力 ])1[(1081.93o ρρΦ+Φ-?=-m H P 式中 P o ——上覆岩层压力，MPa ； H ——目的层深度，m ； Φ——岩石孔隙度，％； ρ——岩层孔隙流体密度，g/cm 3 ； ρm ——岩石骨架密度，g/cm 3 。 (2)上覆岩层压力梯度 H P G o o = 式中，G o ——上覆岩层压力梯度，MPa/m ； P o ——上覆岩层压力，MPa ； H ——深度(高度)，m 。 (3)压力间关系
创作编号： GB8878185555334563BT9125XW 创作者： 凤呜大王* 钻头水利参数计算公式： 1、 钻头压降：d c Q P e b 42 2 827ρ= （MPa ） 2、 冲击力：V F Q j 02.1ρ= (N) 3、 喷射速度：d V e Q 201273= (m/s) 4、 钻头水功率：d c Q N e b 42 3 05.809ρ= （KW ） 5、 比水功率：D N N b 21273井 比 ＝ (W/mm 2) 6、 上返速度：D D V Q 2 2 1273杆 井 返＝ - （m/s ） 式中：ρ－钻井液密度 g/cm 3 Q －排量 l/s c －流量系数，无因次，取0.95～0.98 d e －喷嘴当量直径 mm d d d d e 2 n 2221+?++= d n ：每个喷嘴直径 mm D 井、D 杆 －井眼直径、钻杆直径 mm
全角变化率计算公式： ()()?? ? ???+?+ ?= -?-?225sin 2 2 2 b a b a b a L K ab ab ?? 式中：a ? b ? －A 、B 两点井斜角；a ? b ? －A 、B 两点方位角 套管强度校核： 抗拉：安全系数 m ＝1.80（油层）；1.60～1.80（技套） 抗拉安全系数＝套管最小抗拉强度/下部套管重量 ≥1.80 抗挤：安全系数：1.125 10 ν泥挤H P = 查套管抗挤强度P c ' P c ' /P 挤 ≥1.125 按双轴应力校核： H n P cc ρ10= 式中：P cc －拉力为T b 时的抗拉强度（kg/cm 2） ρ －钻井液密度（g/cm 3） H －计算点深度（m ） 其中：?? ? ? ?--= T T K P P b b c cc K 2 2 3 T b ：套管轴向拉力（即悬挂套管重量） kg P c ：无轴向拉力时套管抗挤强度 kg/cm 2 K ：计算系数 kg σs A K 2= A ：套管截面积 mm 2 σs ：套管平均屈服极限 kg/mm 2