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Pp，则有σz＝σz′＋Pp(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。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。1、伊顿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：Pf－Pp=μ*бz′／（1－μ）（4－8）于是Pf＝Pp＋μ*бz′／（1－μ）（4－9）或Pf＝Pp＋μ*（бz－Pp）／（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：Pf＝Pp＋［ξ＋μ／（1－μ）］бz′（4－12）或Pf＝Pp＋［ξ＋μ／（1－μ）］*（бz－Pp）（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：Pf=[2μ/(1-μ)-K](бz－Pp)+Pp+St（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St—岩石的抗拉伸强度Pf、St、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、试验目的（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+PL/0.0098Hf（4—15）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