地层压力-地层破裂压力-地层坍塌压力预检测

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

1

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）

2

 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：

xPR1PRP0bPpPp （2-1）

式中：PR — 泊松比；Pob — 上覆岩层压力；

3

Pp — 孔隙流体压力；α — Biot 常量。

2、各向异性模型

rPMPp(σ(σPMPpxσy)2xσy)cos2 （2-2）

4

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：

pfpp3pp（1/31/2）1 （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。

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：

5

GfppDKi3D （3-2）

式中：Gf—地层压力梯度，MPa/m；

Ki—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：

pp（）D1D （3-3）

Gf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：

2Kss）（pv-pp）Srt1 （3-4）

pfpp（式中：KSS—构造应力系数，无因次；Srt—岩石的抗拉强度，Mpa。

6

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：

pf(1)(popp)pp （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：

2s)(p0pp)1spfpp( （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

7

效应力原理推导破裂压力预测模型为：

132St212v1vpf （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:

12vpp1v12v1c1vpf3211 （3-8）

3.1.3 液压实验法

液压实验法，也称漏失实验，是在下完一层套管，注入完水泥和钻过水泥塞之后进行的。液压实验时地层的破裂压力易发生在套管鞋处，因套管鞋处的地层压实程度比下部地层差。

液压实验法的步骤如下：

a) 循环调节钻井液性能，保证钻井液性能稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器。

b) 用较小排量（0.66-1.32L/s）向井内注入钻井液，并记录各个时期的注入量及立管压力。

c) 作立管压力与累计泵入量的关系曲线，如图3-1所示。

d) 从图上确定各个压力值，漏失压力为开始偏离直线的压力，其后压力继续上升；

e) 压力上升到最大值，即为开裂压力；最大值过后压力下降并趋于平缓，称为传播压力。

8

f) 求地层破裂压力当量密度：

fmpL/(0.00981D) （3-9）

图3-1 典型液压实验漏失曲线

液压实验法适用于砂泥岩为主的地层，对石灰岩、白云岩等硬地层的液压实验有待于进一步实验研究。实验压力不应超过地面设备和套管的承载能力，否则可提高实验用钻井液密度。

3.1.4 地层破裂压力预测的其他模型

1、地层破裂压力的多元回归模型

根据地层破裂压力和岩石力学参数的关系可从测井资料提取E、K、u 参数值, 结合所对应的地层深度和实测地层破裂压力值，建立的地层破裂压力预测模型。该统计模型形式简单直观,易于使用,地层破裂压力Pf与E、K、u参数之间的关系简单明确。

2、建立地层破裂压力BP神经网络预测模型

9

用BP 神经网络法预测地层破裂压力涉及“学习建模”和“参数预测”两个过程。其选用由输入层、隐含层和输出层所组成的3 层BP网络算法参主要包括学习率(A)、冲量系数(B)、绝对误差(ED)、全局代价函数值(ED2)及迭代次数(Tn)等。

3.2 特殊条件下的地层破裂压力预测

3.2.1、浅部地层破裂压力研究

国内外学者和现场作业工程师在预测浅层破裂压力时通常没有充分考虑井眼形态和地层的强度各向异性。这就导致了下列工程问题：二开底部地层为维持井壁稳定或控制溢流，提高钻井液密度而导致上部地层发生井漏；浅部地层造斜，发生意料不到的井漏；浅部油层压裂作业中，由于不能掌握起裂形态，常常导致压裂失败。

假设地层是均匀各向同性、线弹性多孔材料，并认为井眼周围的岩石处于平面应变状态，则垂直缝破裂压力：

（3-10）

水平缝破裂压力：

（3-11）

则，地层破裂压力： pfmin{pf，pf}

vh10

3.2.2、高温高压地层破裂压力预测方法

高温高压地层胶结疏松,安全钻井液密度窗口窄,钻井及固井过程中极易发生井漏,造成一系列井下复杂情况和事故,严重影响钻井进程及固井质量。

导致高温高压地层破裂漏失的主要原因之一是钻井过程中井壁上往往难以形成致密的低渗泥饼,钻井液及其滤液向地层渗流,在井周形成渗流附加应力场,导致井周有效周向应力和地层破裂压力降低另外,高温高压地层在钻井及循环过程中,井壁温度降低, 井周地层产生收缩应力,也会导致地层破裂压力降低。因此,为解决高温高压地层的井壁稳定性问题,准确确定安全钻井液密度窗口,必须综合考虑温度和井壁渗流等因素的影响。

依据井壁拉伸破裂强度准则和RH=-St井壁应力，并带入考虑渗流时井壁上空隙压力表达式

pL pw - D( pw - pp) 可得到高温高压底层破裂压力表达式：

EAmA(12M)f]}pp[](TWT0)1M3(1M)A(12M)1(1D)[fA]1M3RhRHSt{AD(1D)[pf（3-12）

由于钻井及循环过程中井壁和地层温度及孔隙压力不断变化, 井壁和地层应力状态也随时变化, 井壁应力状态没有解析解. 为了研究温度压力影响下的井壁稳定规律, 必须进行数值求解, 因此根据以上模型需要借助高温高压地层破裂压力预测软件。

11

第四章 地层坍塌压力预测方法

4.1 考虑渗透作用时的地层坍塌压力

适用于渗透性好的地层，考虑钻井液向地层中的渗透，把井壁近似看作渗透井壁。此时地层坍塌压力的计算公式为：

b13Hh()ppB2pp2CB100(1a)B2(1a)D （4-1）

4.2 拉伸崩落条件下的坍塌压力

适用于井筒钻井液压力小于地层孔隙压力时的过渡带欠压实超压低渗泥页岩。

100(PpSt)D （4-2）

b2井壁坍塌受剪切和拉伸崩落两种坍塌机理控制，地层坍塌压力当量密度应取两者中的较大值，即bmax{b1、b2}。

12

第五章 总结

在此次研究性学习中，通过课本、文献以及石油与天然气标准等资料，对“地层破裂压力和坍塌压力的预测”做了较为详细的学习与总结，并对其预测方法做了较为系统的整理。地层破裂压力的预测方法较多，随着认识的发展研究人员不断增加新的影响因素并提出针对性的模型，目前以形成了H-W模式和考虑渗流的H-F模式，包括马修斯-凯利法、伊顿法、安德森法等一系列的方法。地层坍塌压力的概念由于提出的时间较晚，所获得的相对资料较少，主要总结了考虑渗流作用和拉伸崩落条件下的坍塌压力。

通过此次研究性学习，对所研究的内容有了更深刻的认识，锻炼了自己的检索能力和写作论文的能力。此次研究性学习是非常系统的一次，也是大学生活中最正规、最完善的一次课余学习。从论文选题到论文形成经历的时间也比较长，对于最后能坚持下来，并在这个过程中得到老师的详细指导和认真的检查，我感到非常幸福。

最后，非常感谢金老师在此次研究性学习期间的辛勤付出，老师严谨负责的态度是我们学习的榜样！

13

参考文献

[1] 周拿云，杨兆中. 地层破裂压力预测技术综述. 重庆科技学院学报, 2011, 13(2): 36-39.

[2] 何谋军等. 《地层孔隙压力、破裂压力、坍塌压力预测方法》标准在现场实际中的应用. 第十二届石油工业标准化学术论坛论文.

[3] 李 敏等. 岩石力学参数试验与地层破裂压力预测研究. 石油钻采工艺. 2009, 31(5)

[4] SY/T XXXX-XXXX. 地层孔隙压力、破裂压力和坍塌压力预检测方法.

[5] 邓金根等. 高温高压地层破裂压力预测方法. 石油钻探技术. 2009, 37(5):43-46.

[6] 聂采军等. 地层破裂压力测井预测的统计模式研究. 天然气地球科学. 2004, 15(6):633-636

[7] 王攀. 地层破裂压力和地层坍塌压力预测新算法. . 2010, 05

[8] 程远方. 地层三项压力预测、监测技术的研究现状和发展趋势. 石油大学（华东）钻井工程研究室.

[9] 管志川， 陈庭根. 钻井工程理论与技术. [D]. 东营： 中国石油大学 (华东), 2006.

14