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。

2、各向异性模型

p

M y x y x p

M r P P P P αθσασθ---++=-=2cos )σσ(2)σσ( （

2-2）

第三章 地层破裂压力预测方法

3.1 地层破裂压力预测常用方法

为准确地预测地层破裂压力，国内外学者提出了许多不同的数学模型和方法，它们都各有其优点和局限性。 在破裂压力预测模型中，常使用的有H-W 模式和H-F 模式。

3.1.1 H-W 模式

1、休伯特&威斯利方法

1957年休伯特和威斯利根据岩石水力压裂机理和实验做出推论，在发生断层作用的地质区域，地下应力状态以三维不均匀主应力状态为特征，且三个主应力相互垂直。最大主应力σ1为垂直方向，大小等于有效上覆岩层压力（即骨架应力），最小主应力σ3和中间应力σ2在水平方向相互垂直。则地层破裂压力应当满足：

1p 3）2/13/1（p σσ-+=+=p f p p （3-1）

休伯特&威斯利方法从理论和技术上为监测地层压力奠定了基础。但是由于很少在正断层区域钻井，因此该理论在工业应用中收到限制。

2、马修斯&凯利方法

1967年马修斯和凯利选择最小破裂压力等于地层压力与上覆岩层压力之和，并与克服骨架应力有关。则有：

D K D p G p

f 3i σ+= （3-2）

式中：G f —地层压力梯度，MPa/m ；

K i —骨架应力系数，无因次；σ—骨架应力，Mpa 。

3、伊顿法

伊顿在1969年发表了更合适的计算地层破裂压力的方法。把上覆岩层压力梯度作为一个变量来考虑，并引入泊松比：

D

D p G p f σμμ）1（-+= （3-3） 研究发现，由于上覆岩层压力梯度的变化，岩石的泊松比随深度成非线性变化。在破裂压力的计算中，若能求得上覆岩层压力的准确增量，可提高破裂压力的计算精度。

4、黄荣樽法

石油大学黄荣遵教授在总结分析国外各种计算底层破裂压力方法的基础上，综合考虑各种影响因素，进行了严格的推导和室内试验，提出了预测底层破裂压力的新模式：

rt p v ss p S ）p -p ）（12（p p +--+=K f μ

μ （3-4） 式中：K SS —构造应力系数，无因次；S rt —岩石的抗拉强度，Mpa 。

黄荣遵法认为地层的破裂是由井壁上的应力状态决定，并考虑了非均匀地应力场的作用和地层的抗拉强度影响。

5、Holbrook 法

Holbrook 法适用于胶结较差、岩层的抗拉强度可以忽略、井眼与地层间的连通性好的砂岩地层，其计算公式为：

p p o f p p p p +--=))(1(φ （3-5）

6、安德森法

安德森法考虑井壁上应力集中的影响，假定无构造应力，地层抗张强度为零，取均匀水平应力的条件，且认为砂岩中的泥质含量对泊松比及砂岩的变形有明显影响：

))(12(0p s s p f p p p p αμμα--+= （3-6）

安德森方法首次提出由测井资料计算破裂压力，避免了反算过程需要大量实际压裂资料和模型缺陷带来误差，但其均匀水平地应力的假设不符合多数地区的地应力状态。

3.1.2 H-F 模式

Haimson 与Fairhurst 认为裂缝的产生是由井壁应力集中所引起，增大井内流体压力会改变井壁应力状态，当应力超过井壁岩石抗张强度时地层被压裂。在储层均质各向同性和弹性变形的假定下，考虑了水平主地应力在两个方向上不相等和压裂液向地层内达西渗流的影响。 结合有效应力原理推导破裂压力预测模型为：

v

v S p t

f ---+-=1212321ασσ （3-7） 2000年，李传亮根据多孔介质双重有效应力理论，发展了H-F 模式:

v

v p v v p c p f ---+---+-=12111213112ϕϕϕσσσ （3-8）