地层破裂压力和地层坍塌压力预测新算法

地层破裂压力和地层坍塌压力预测新算法分析两者的区别，在这里我们首先引入有效应力的概念。岩石的本体变形，结构有效应力决定岩石的结构变形。s

.Pp

(1)Peff

)s

.Pp

（2））c c

.Pc p

(3)式中：

seff

c

.Pc p

（4）——上覆地层压力；——岩石骨架应力；s——岩石接触应力；cPeff——岩石本体有效应力；seff——岩石结构有效应力；——岩石孔隙度；（=）c cP——岩石空隙流体压力。Pp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。wHw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。wHws

.pc

)(h

.p c p

r2)(

.pc

)(h

.p c p

3r

)coseff 2

r2 2 r4（5）式中s ——距井轴r距离并与 按逆时针方向成角处的周向结eff H构有效应力。 (1H A)(P0b

.PC

).PC

（6）h——岩石泊松系数；

(1

B)(P0b

.PC

).PC p

（7）A，B——构造应力系数（断块内部，它是一个常数，且不随地层深度变化；PP ——地层孔隙流体压力；PP0b——上覆地层压力。需要说明的是，上述式和式式（如下）是有区别的： (1H A)(P0b

.Pp

).Pp（8） (1h

B)(P0b

.Pp

).Pp（9）式中：——有效应力系数；石的结构变形。本体变形对应岩石的压缩变形过程，其孔隙度保持恒定不变，结构变形则对应岩石的压实变形过程，其孔隙度要发生变化。式和式

1m ，m、

分别为岩石骨架压缩率有发生结构变形。=0.2，H=5000m，A=1，B=0.5，地层流体压力梯度w ob G =12Mpa/km，上覆地层压力梯度G =0.15.则在w ob 效应力和径向结构有效应力分布规律。通过对厚壁圆筒在内压作用下周向应力和径向应力分布规律的分析：PRPR (P

)R2R2 1 i i o o R2R2o i式中：

o i o .R2R2 ro i

（10）P Pi，o——分别为厚壁圆筒所受内压和外压；R Ri，o——分别为厚壁圆筒内径和外径。从应力分布图（上图）对上述两种作用的周向结构有效应力分布进行叠加我们可以得到：s .ps

mw)(mw

.ph c p

r2 .pw) H c

)(

.p) rh c p w

)cos2Pr2eff 2

r2 2P

r4 r2（11）（m——井筒液柱压力）R Pr2o(式（10）在o

趋向于无穷大时可简化得到s iw 。)eff r2同样假设：cw G=12Mpa/km，上覆地层压力梯度G=23MPA/km，泥浆附加密度0.1g/cm3,=0.15.cw 在=0°和180°方向，井壁上最大周向结构有效应力（拉正压负：

s .p).p)p （12）effmax H c p h c p m在=90°和270°方向，井壁上最小周向结构有效应力（拉正压负：

s .p).p)p （13）effmin h c p H c p m（： （pm

pp

121 （14）则在=0180°方向，井壁上最大周向结构有效应力（拉正压负：seffmax

(H

.pc

)3(h

.pc

)pm

（pm

pp

11

.pc

p )p（15）在=90270（拉正压负s

effmin

(h

.pc

)3(H

.pc

)pm

（pm

pp

11

.(pc

p )p破裂压力和坍塌压力破裂压力井壁上总的最大周向结构有效应力：

12

（16）seffmax

(H

.pc

)3(h

.pc

)pm

（pm

pp

1

.pc

p )p当结构有效应力达到岩石的抗拉应力强度时，岩石即破裂，此时（17）s （17）effmax f于是，结合式（17）和式（18）可得岩石破裂压力计算公式：p pf m

h

H 1

c

pp

（18）式中：

c12c 。2 1坍塌压力由库尔—摩尔强度准则可知，岩石破坏的条件是： 1 3

cot2(45

)2

cot(45 ) （19）2由上述井壁处周向结构有效应力分析可知，在=90°和270°方向，井壁上最小周向结构有效应力（拉正压负：

12seffmins

(h

.pc

)3(H

.pc

)pm

（pm

pp

1

.pc

p )p即：在在=90°和270°方向，井壁上周向结构有效应力为最大正应力（取上式的负值，井筒液柱压力pm为最小正应力3。 1

.pc

)(h

.pc

)pm

（pm

pp

121

.(pm

p )p（20