井控技术

井控技术

油气井压力控制是指用合理的钻井液密度，允许的起下钻速度，以及井控设备和装置等控制地层——井眼压力系统处于平衡或近平衡状态。使之在钻井、完井、固井过程中不发生溢流(井喷)或井漏事故，从而实现安全，快速，低成本钻进。这项技术是国内外钻井科技工作者长期经验总结和研究的结果，是科学钻井的重要标志之一。

油气井压力控制是安全、快速、低成本钻井的前提条件。无控制的钻井、固井、完井作业，或者压力控制不当都会造成两种极端危险的情况，即井喷或井漏。前者是井内任一井深处液柱压力小于地层孔隙流体压力,地层流体无控制地向井内流入的现象；后者是井内任一井深处液柱压力大于地层压力或地层破裂压力，井内流体无控制地向地层流入的现象。这两种情况都会给钻井、固井、完井作业带来难于估量的损失。如处理不当还会诱发其他复杂情况，如压差卡钻、井塌等，严重时可以使井眼报废.

搞好油气井压力控制不仅是快速、安全、低成本钻井的需要，也是保护油气层、防止油气层污染的需要。钻井实践表明，采用平衡钻井与井控技术,不仅可以提高钻进速度，而切可以控制钻井液不会侵入地层孔隙之中，从而防止油气层被堵塞。

要成功地进行油气井压力控制，首要条件是必须准确掌握所钻井的地层压力和地层破裂压力的分布规率。然后根据这些资料设计合理的井身结构，钻井液密度，允许的起下钻速度以及相应的技术措施，才能顺利地钻成一口井。

为此，本章要介绍地层压力和地层破裂压力的预测，合理井身结构设计，地层——井眼压力系统的平衡关系，合理钻井液密度及允许起下钻速度的确定。还要介绍溢流或井喷的处理——压井技术。

1.地层压力和地层破裂压力评价(预测)

由上述可知，所钻井的地层压力和地层破裂压力是井控设计的基础资料。这是因为地层压力和地层破裂压力与井筒中的钻井液柱压力构成了一个所谓地层——井眼压力系统。这个压力系统中各种压力的大小决

定了这个系统的平衡关系。井控的最终目的是控制这个压力系统的各种压力处于平衡或近平衡状态，即井筒中任一井深处的液柱压力必须大于该处的地层压力而小于地层破裂压力。

1.1地层——井眼压力系统的概念

从平衡的观点出发，地层——井眼是一个压力体系，构成这个压力系统的各种压力有地层压力、静液柱压力、波动压力、循环压力、上覆岩层压力及地层破裂压力等，下面分别介绍这些压力。

1.1.1 静液柱压力

静液柱压力是指井内各种流体重量产生的压力，其大小与流体的密度和计算点的井深有关。如用

h

P表示静液柱压力,则,

P h =.00981.W

f

.D (1-1)

式中

P

h

—静液柱压力，MPa；

W

f

—流体密度，g/cm3 ；

D—计算点的井深，m。

通常，把单位长度井深液柱压力的增量叫静液压力梯度，用G

h

表示，则静液压力梯度为：

G

h =.00981.W

f

(1-2)

式中,

G

h

—静液压力梯度，MPa/m.

上式表明，静液压力梯度只与流体的密度有关，而与井深无关。地层流体静液压力梯度与溶解在地层流体中的固体(各种盐)和气体的浓度有关。正常地层流体静液压力梯度分两类，一类是淡水和淡盐水,其

G

h =.00981MPa/m，另一类是盐水，其G

h

=.0105MPa/m；对钻井液，固

井液，完井液等，静液压力梯度与它们的密度有关，可用(2)式计算。静液压力梯度在井控中的一个重要应用是确定合理的钻井泥浆密度。

1.1.2上覆岩层压力

在某一沉积深度处岩层受到的上覆压力是指该深度以上岩石骨架(基质)和孔隙流体总重量所产生的压力，用P v表示，则：

P v =.00981∫W v .dD (1-3)

式中

P v—上覆岩层压力，MPa；

W v—上覆岩石体积密度，g/cm3；

dD—微元井深,m。

岩石的密度是岩石骨架密度,岩石空隙度以及空隙流体密度的函数,即

W v =Φ.W

f +(1-Φ)W

r

(1-4)

式中

Φ—岩石空隙度，%；

W f—空隙流体密度,g/cm3 ；

W r—岩石骨架密度,g/cm3 。

同样,上覆岩层压力梯度如下式

G v =.00981∫W v ×dD/D (1-5)

由于压实作用和岩性随井深发生变化，岩石密度也随之变化。所以上覆压力梯度也随井深发生变化。通常，用两种方法可以求得上覆压力梯度随井深的变化关系，一种方法是用密度测井资料，即密度测井曲线，用曲线拟合法求出密度与井深的关系式，然后代入(5)式即可求出任一井深处的上覆压力梯度G v；另一种方法是借用邻井的测井资料或者是已建立的密度拟合公式，这种方法误差较大，一般不采用。目前，一般假设上覆压力梯度随井深是均匀增加的，这样上覆岩层压力梯度的理论值为.0227MPa/m.

1.1.3地层压力

地层压力又叫地层空隙压力，它是指地层孔隙流体所具有的压力，

其大小与地层岩石的生成环境有关。如果地层在生成过程中或生成之后,地层孔隙流体的渗流通道始终保持与地面水源连通，则地层压力只与孔隙流体密度和埋藏深度有关；并处于静水压力平衡状态，地层压力的大小用(1-1)式计算。如果地层流体密度为淡水或淡盐水密度,则为正常地层压力梯度，其值为0.0981—0.0105MPa/m。

在钻井过程中，常常会碰到地层压力梯度远远大于正常地层压力梯度的情况。这是在特殊地质环境中形成的超静液压力的地层压力，叫异常高压地层压力。同时也会碰到低于静水压力的地层压力,称为异常低压地层压力。

上覆岩层压力,地层压力以及岩石骨架（结构）应力之间的关系如下式：

P v =P p +σ(1-6)

式中

P p-地层压力,MPa;

σ-岩石骨架应力,MPa.

上式表明，岩石骨架应力减少，将导致地层压力增加，当σ=0时,地层压力将等于上覆岩层压力。

异常低压是地层压力梯度低于正常地层压力梯度的情况，产生异常低压的原因是：

(1) 生产多年的油气枯竭地层；

(2) 大量开采而又未充分注水补偿压力的油气层；

(3) 地面压头低于井口的地层等。

1.1.4 异常高压

异常高压地层在国内外各大油田普遍存在，从新生代更新统到古生代寒武系，震旦系都不同程度遇到过。

如上所述，正常地层压力的地质环境，可以看成一个"连通"的水力学系统，允许建立或重新建立静力平衡条件；而异常高压地层压力系统实际上是一"封闭"的水力学系统，阻止或极大地限制着地层流体的连通，造成上覆压力部分或全部由地层孔隙流体来承担。在一般情况下，

油气层都是异常高压带，这是由于他们的生成环境所决定的。异常高压的形成机理,至今研究还不十分清楚,但有几种普遍公认观点，它们是：

(1)沉积压实效应；

(2),成岩作用；

(3),密度差效应；

(4) 流体运移作用等。

1.1.4.1沉积压实效应

随着岩石埋藏深度和温度增加，作用到地层孔隙流体上的压力也增加，孔隙空间的体积缩小，孔隙流体处于高温高压作用下，如果地层孔隙渗流通道不能使孔隙流体顺利溢出，则会形成异常高压；如果孔隙渗流通道被堵塞，则上覆压力将部分或全部作用到孔隙流体上，形成更高的异常高压。

1.1.4.2 成岩作用

所谓成岩作用是指岩石的矿物颗粒在地质演变过程中所发生的物理化学作用。页岩和碳酸盐岩在高温高压下会发生晶体结构上的变化，如粘土中的蒙托石可以变成伊理石，碌泥石和高岭土；蒙托石在高温高压下先是失去孔隙中的自由水，而层间结构中的束服水，只有当温度达到200—300F o时才能被释放出来。一般层间束服水的密度要比孔隙中的自由水密度大得多，当它们变成自由水时体积要增大，如果上覆岩层渗透性很低,则释放层间水有助于形成异常高压。同样,在碳酸岩盐中，饱和结晶析出自由水时，如果地层渗流通道不能让孔隙水以自然压实的速度溢出时,也会形成异常高压地层。

1.1.4.3 密度差效应

在倾斜构造上，如果地层孔隙流体密度比该地区正常地层孔隙流体密度小时，则在这个构造的上倾部分会产生异常高压。一般在钻进具有大倾角，陡构造天然气层时会碰到这种情况。这是由于地层上倾部分和下倾部分的孔隙流体密度不同造成的，故叫密度差效应.

1.1.4.4 流体的运移作用

孔隙流体由油气层向上流动到浅层地层时,会使浅层地层变成异常

高压，流体的这种运移途径可以是天然的,也可以是人为的。即使流体运移停止了,也要相当长的时间才能使压力上升的浅层段泄压恢复到正常压力值。这种情况一旦出现,会发生意想不到的浅层井喷。特别是在一些老油田的上部地层中常常出现这种情况。

1.1.5 地层破裂压力

地层破裂压力是指地层岩石抵抗破坏能力之大小度量，实质上反映的是地层岩石的强度。在钻井过程中能使地层破裂的外力是钻井液柱压力，波动压力以及井口施加的回压。当其这些压力大于地层岩石的屈服强度或使原有的地层裂缝张开延伸形成新的裂缝时，这个压力就是该地层的破裂压力。

因此，在钻井过程中由钻井液柱压力，波动压力以及井口施加的回压所产生的井内压力必须小于地层破裂压力，而稍大于地层孔隙压力。

同样，我们把单位长度井深地层破裂压力的增量叫地层破裂压力梯度。一般，地层破裂压力梯度随井深增加而增加。

由上述可知，井下各种压力构成了一个地层——井眼压力系统，这个系统的各种压力必须服从一定的平衡关系，否则将失去平衡而发生溢流或井漏以及井塌。为此，必须准确地预测地层压力和地层破裂压力。

1.2 地层压力的预测

所钻井的地层压力已成为当今深井设计和施工必不可少的一项关键参数。近几十年来，国内外有大量文献介绍异常高压的预测和计算，大多数检测和估算异常高压的方法是根据地层的沉积压实理论得出的，即异常高压地层都是欠压实地层，与同一深度正常地层压力的地层相比，具有较高的孔隙度和渗透率。因此,任何反映孔隙度和渗透率变化的测量方法，都可以用来预测异常高压地层。

根据沉积压实理论可知，如果地层压力是正常的，则地层的孔隙度和渗透率随埋藏深度和压实作用的增加而减少。任何偏离这个正常趋势的现象，就意味着可能进入异常压力过渡带。根据孔隙度随深度的变化曲线，有两种方法可以用来定量预测地层压力：第一种方法是假设具有相同孔隙度的地层，其有效岩石骨架应力是相同的。因此，在深度D处

的异常高压地层的骨架应力σ是与深度较浅的D n处的正常地层压力地层的骨架应力σn 相同的，它们的孔隙度测定值应当是相同的。这样，可利用上覆压力，地层压力与岩石骨架应力的关系,可求出异常高压来，即，

σ=σn=P vn—P pn (1-7)

式中

σ,σn —分别为深度D和D n 处的岩石骨架应力；

P vn —井深D n处的上覆压力；

P pn—井深D n处的正常地层压力；

而井深D处的异常高压等于：

P pd=P vd —σ (1-8)

式中

P pd —井深D处的异常高压；

P vd —井深D处的上覆压力。

第二种方法是用孔隙度随深度的变化曲线计算地层压力，它是通过统计分析法建立地层压力的计算式，即曲线拟合法。

预测和计算异常高压的技术,通常可分为三种：即钻前预测法，随钻检测法，钻后测试法三种。

1.2.1 钻前地层压力预测

钻前地层压力预测是建立在邻井相关数据和地震资料基础上的，对开发井主要是放在收集已钻井所获得的资料上，对探井则主要是利用地震资料和相邻构造上的资料进行统计分析。这里着重介绍利用地震资料预测地层压力。

利用地震资料预测地层压力，必须确定平均声速随井深的变化关系。一般用声速的倒数或声波时差来表示这种关系，所谓声波时差是指声波在地层中传播单位长度井深所需的时间，其单位为μs/m，声波时差是

与孔隙度有关的参数，它与孔隙度的变化关系如下：

Φ(1-9)

T=T ma(1-Φ)+T f

l

式中

T—声波时差,μs/m；

T ma —岩石骨架中的声波时差,μs/m；

T fl —孔隙流体中的声波时差，μs/m；

Φ—岩石孔隙度%。

由于在孔隙流体中的声波时差比在固体中的声波时差大得多，故地层中的声波时差是随空隙度的增大而增大的。正常地层压力情况下，孔隙度随井深增加而减少。所以，声波时差也应随井深增加而按某种规律减少，如线性关系或指数关系等。如果实测出来的声波时差曲线不符合这种正常变化趋势曲线，声波时差明显大于正常趋势线的预测值时，则表明出现了异常高压地层。一般岩石骨架和孔隙流体的声波时差如表一所示。

表一、一般岩石骨架材料与声波时差的关系

1.2.2 随钻检测地层压力

随钻检测地层压力是指在钻井过程中利用钻井参数的变化来预测地层压力。在正常压力和异常压力过渡带之间钻进时，由于岩石性质和钻头性能的变化，常常可以提供地层压力变化的许多消息。为了检测这些变化，必须使用随钻检测仪表连续测量并采集这些与钻头使用性能有关的参数。除此之外，还要用特殊的泥浆录井仪将洗井液性能有关的参数和返出的岩屑的各种变量进行检测。目前，井下数据传输的最新技术可以将钻井过程中井下地层参数连续录取，这就是随钻预测地层压力。目前，随钻预测地层压力的方法有:

(1) 钻井参数分析；

(2) 泥浆录井数据分析；

(3) 岩屑录井分析等。

1.2.2.1 钻井参数分析

钻井参数分析是指钻井过程中，钻头性能和地层特性的变化要引起钻参数的变化，通过地面观测这些参数的变化，可以预测地层压力的变化，这些参数包括:(1)钻速,(2)转速,(3)大钩负荷,(4)转盘扭矩等。由于钻井液性能，泵压和排量对钻速有影响，也要随钻检测。因为钻速随地层类型不同会发生明显变化，所以，利用钻屑录井资料可以预测地层压力。这是由于当地层类型不变时，钻速一般随井深增加而减少。但进入异常高压过渡带时，这个正常趋势便会改变。在进入异常高压过渡带以前，常常会碰到致密的硬地层，如石灰岩，页岩等。其钻速低于正常钻速。一般认为这种地层的渗透率极低或不渗透，称为所谓盖层，在盖层的下方，即为异常高压地层。在高渗透层过渡带钻速增大原因是：(1)井底压差减少，岩石受到的压持效应减少；(2)欠压实作用使岩石强度降低；(3)欠平衡作用使钻速提高。应用钻井数据分析地层压力有以下

方法：

(1)机械钻速法

如上所述,当钻井件一定时，影响机械钻速的因素主要是井底压差。钻进异常高压带时，井底压差减少，机械钻速增加；而在正常地层条件下，机械钻速随井深增加而减少。利用这个特点，可定性预报异常高压，如图１所示。

图１机械钻速法原理

除了地层类型和地层孔隙压力外，还有许多影响钻速的因素，他们是：(1)钻头类型和直径；(2),喷咀直径；(3)钻头磨损；(4)钻压和转速；(5)泥浆性能；(6)水力因素等。所以，只靠钻速数据来检测地层压力变化往往是困难和不可靠的。因而，必须结合其他的地层压力检测方法，才能有效地检测地层压力。

(2) 钻压指数法

为了消除上述因素对钻速的影响，国外有人提出了用钻速方程进行修正，这就是众所周知的国内外普遍使用的钻压指数法,即"d"指数法。1965年Bingham提出的钻速方程如下:

R=k.N(W/D b )d (1-10)

式中,

R—机械钻速；

N—转速；

W—钻压；

D b—钻头直径；

d—钻压指数；

K—比例系数或可钻性系数。

当钻井条件一定时,上式可简化为

R=N(W/D b )d (1-11)

1966年乔登和雪莱应用Bingham模式，通过计算d指数来估计钻压，转速和钻头直径的变化对标准化钻速的影响。将(11)式的两边取对数,并采用法定单位后得

d=lg(.0547R/N)/lg(.0684W/D b ) (1-12)

式中,

R-机械钻速,米/小时;

N-转速,转/分;

W-钻压,千牛;

D b-钻头直径,毫米;

d-钻压指数.

由上式可知，0.0547R/N<1，所以，lg(.0547R/N)的绝对值与机械钻速R成反比。因此，机械钻速与d指数成反比。正常情况下d指数随井深增加而增加，在异常高压过渡带，d指数随井增加而减少。如图2所示：

图2 d指数原理

用钻压指数法预测地层压力，只适用于沉积岩地层，对其他地层必须进行修正。

(3) 修正"d"指数法d c

由于泥浆密度的改变会影响井底压差，从而影响机械钻速。所以,泥浆密度要影响d指数。为了排除这个影响，1971年瑞姆和马克林登提出用修正d指数来校正泥浆密度的影响，其经验公式为

d c =w n ×d/W m (1-13)

式中,

d c—修正d指数；

w n —正常地层压力梯度的当量泥浆密度，g/cm3 ；

w m —实际循环的泥浆密度，g/cm3 .

由图3看出,dc指数可以更清楚地划分异常高压地层。

dc

力带

带

压力带

图3.dc指数原理

(4)标准钻速法

1967年维德莱因和贝尼首次提出用"标准化钻速"法检测地层压力。1980年普雷蒂斯进一步发展了这种方法，它是将影响机械钻速的各种变量标准化，从而消除这些因素对机械钻速的影响。如果由实际钻速计算作出的标准化钻速曲线对于钻头牙齿磨钝趋势线有任何偏离，则表明井底压差发生了变化。因为井内作用于地层的液柱压力在较短的井段内可认为是不变的，因此，压差的变化也就指示出地层压力的变化。其标准化钻速方程如下:

V mn=V mo(P n-P th)/(P o-P th).(N n/N o)λ

(P bn .Q n )/(P bo .Q o ) （1-14）

式中

V m -机械钻速,m/h;

P-钻压,KN;

P th-门限钻压,KN;

N- 转速,rpm;

λ-转速指数;

P b-钻头压力降,MPa;

Q-排量,l/s.

下标n,o分别为标准化值和实际值.

1.2.2.2 泥浆录井资料分析

连续检测进出口泥浆性能变化的各种信息称为泥浆录井。通过这些信息资料可以了解到钻井过程中钻井液中地层流体的组份和浓度，特别是各种烃类的含量，氯根含量，泥浆的稠度系数和流性指数等的变化。进一步分析对比这些信息，可以了解地层压力可能变化的情况。另外，泥浆出口的温度和密度的变化也可用来检测地层压力，因为进入异常高压带地温梯度升高，地层流体侵入使泥浆密度降低。

1.2.2.3 岩屑录井分析

钻井过程中从泥浆振动筛处收集好某井段的新鲜岩样以确定岩性,称岩屑录井。将收集的岩屑洗净后在显微镜下进行观察，确定所含矿物的种类。一部分岩屑要放在洗滴剂或煤油中，使岩屑进一步分离并筛选出存在的微化石。对矿物和化石的分析可以对所钻地层进行识别。有时可以从本地区已钻井的资料来识别位于某个标准层下面的异常高压层。因为标准层可从它所含有的特殊化石进行辨认。钻井液中页岩岩屑的形状，尺寸及数量的变化也可以作为异常地层压力的标志。当钻井液的密度保持不变时，由于异常高压过渡带的地层压力增大，则井底压差便连续减少。此时,页岩岩屑会变得更长，更薄，多菱角数量增多。当钻进低渗透泥页岩时，如果钻井液柱压力小于地层压力，则大块的页岩片便

开时从井壁上剥落，这种剥落下来的页岩碎片与坍塌的页岩块不同，前者比后者更大更薄更碎，岩屑录井还包括测定页岩岩屑的物理化学性能参数。这些参数的测定值也能反出地层压力梯度的变化。测定与孔隙度有关的的物理量有:(1)容积密度,(2)含水量。页岩岩石的体积密度可用水银泵，泥浆称，变密度液柱计来测量

1.2.3 钻后地层压力测试

钻后地层压力测试是指下套管固井前用电缆测井测出与地层孔隙有关的参数来预测地层压力。用这种方法预测出的地层压力，可以和钻井设计及施工过程中所进行的地层压力预测值进行对比分析。这种压力预测对该地区钻井设计是很有用的。这种测井包括(1)声波时，(2)电阻率，密度测井也有使用过,但用得较少。由于声波的传播时间受其他变量的影响较小，因此，所得到的结果是最准确的.

1.2.3.1 声波时差测井

用声波时差测井数据预测地层压力的方法基本上与前面讲的地震声波时差法相同。其主要区别在于使用测井数据分析时,只用页岩资料。若用地震数据这样做时,要准确地区分出岩性是做不到的。因为只可选择声波时差的平均值。为了用页岩的声波时差建立正常压实趋势的数学模型，需要足够数量的测井数据。用声波时差测井曲线,通过统计分析可以回归出纯页岩骨架的声波时差Tma的拟合方程。如德克萨斯和海湾地区中新统和渐新统页岩骨架声波时差的拟合方程为

T ma =62+202Φ(1-15)

如果被检测地层的页岩声波时差值明显地落在正常压实趋势的上方,则表明它是异常高压地层.

1.2.3.2 电阻率(电导率)测井

几乎每口井都要进行电阻率测井。由于有现成的数据,所以,用测井资料预测地层孔隙压力时,电导率测井是最常用的与孔隙度有关的数据。饱和水地层的电导率R0 和水的电导率R w 的比值一般用"地层因子"F r 来表示,也可用电导率的比值来表示，即：

F r =R0 /R w =C w /C0 (1-16)

式中，

F r-地层因子；

R0-饱和水地层电阻率；

R w-水的电阻率；

C0-饱和水地层电导率；

C w-水的电导率。

地层因子F r 和孔隙度之间关系可用如下经验公式: Φ=F r (-1/m) (1-17)

式中,

m=1.4-3.0,通常取m=2.0。

地层的电阻率和电导率随地层岩性,含盐量,温度以及孔隙度而变化,为了避免岩性变化的影响,基本上选用纯页岩的值。因为石灰岩对所测的电导率影响很大,要避免使用含有石灰石的页岩。在计算地层因子时,可以计入含盐量和温度的变化，这种计算可以使用给定深度处的温度和含盐量的原生地层水电导率或电阻率来实现.

福斯特和瓦伦提出用所测得的自然电位来计算地层水的电阻率。页岩地层因子正常压实趋势线的数学模式为:

ln(F r )=m×K×D-m×ln(Φ0 ) (1-18)

式中，

K-压实系数；

D-井深；

Φ0-孔隙度；

其余同前。

的值应根据所研究的地区,从正常压实地层中得到的电导K 和Φ

率数据的基础上进行选择。如果页岩的电阻率明显地落在相同井深正常

压力趋势线的下方或页岩电导率明显地落在正常趋势线的上方,则表明检测到了异常高压地层。

1.3 地层破裂压力预测

当钻进到异常高压地层或发生溢流时，必须增加钻井液密度，维持井底压力稍大于地层压力以控制地层流体进入井筒。但是，井底液柱压力必须小于套管鞋处地层破裂压力。否则会压裂套管鞋处地层而引起井漏。所以钻井液密度有一个极限值。这就意味着不再下另一层套管，要安全地钻进高压层，钻井液密度就需要有一个最大极限值。

为了了解防止地层破裂的地下应力状态，就需要研究地质的演变过程。最简单和最常见的地下应力状态发生在相对年轻的沉积岩地层中。随着沉积的不断进行，颗粒间的接触应力不断增加，垂向骨架应力σz 也不断增大，沉积层趋于侧向膨胀。但由于受到周围岩石的阻挡，这种趋势便产生了水平方向的骨架应力，如果把垂直于无剪应力平面上的应力称为骨架主应力，那麽，地下应力状态可通过σx ，σy ，σz来表示。在沉积年代不太久的地层，水平方向的骨架应力σx，σy 近于相等,并且比σz 小得多。如果假设地层是弹性的，根据虎克定律有

εx =σx /E-μ/E.(σy +σx ) (1-19) 式中,

E-岩石杨氏弹性模量；

μ-岩石波松比。

由于受沉积压缩的的岩石水平应变基本上等于零,并且σx,σy近于相等,故有

σx =σy =σh =μ×σz /(1-μ) (1-20)

式中,

σh—表示平均水平应力.

由于被压实的沉积岩的μ值变化范围为0.18—0.27，故水平方向的骨架应力为垂直方向骨架应力的0.22—0.37。如果不假设地层是弹性的,

则实际水平骨架应力应大一些。

水平应力和垂直应力的相对大小，可以根据天然形成的裂缝形式来判断。一般，正断层水平骨架应力比垂直骨架应力小，而在发生过褶皱或逆断层的地层里，水平骨架应力比垂直骨架应力大。定量地用数学模型描述岩石的水力压裂现象是很困难的。在进行深井设计和施工时，掌握地层破裂压力随井深的变化和掌握地层压力随井深变化同样重要。目前预测地层破裂压力的方法包括：(1)预测法，(2)测试法。初始的油井设计应采用预测法所得到的地层破裂压力数据。固井后必须对套管鞋下面的地层进行压力试验，方能继续往下钻进。

1.3.1 地层破裂压力的预测法

对地层破裂压力的预测是建立在实验验证的基础上的，由于地层破裂压力与地层孔隙压力有关，所以在应用预测地层破裂压力关系式之前，必须先预测出孔隙压力，常用的地层破裂压力方程和关系式有(1)休伯特和威利斯方程；(2)马休斯和凯利关系式；(3)潘尼派克关系式；

(4)伊顿关系式；(5)克利斯克曼方程和；(6)马斯芬松和伯瑞关系式。

1.3.1.1 休伯特和威利斯方程

休伯特和威利斯提出了许多至今仍被广泛使用的基本原理。即延伸裂缝所需的最小井眼压力必须大于最小主应力。即，

P f =σmin +P p (1-20)

式中,

P f—地层破裂压力；

Σmin—地层最小主应力；

P p—地层孔隙压力。

由于地层是非均质的和各向异性的，并存在许多节理和层面，地层破裂压力很难精确算。但如果最小主应力发生在水平面上且水平应力σx ，σy 相等，井壁上的集中应力σhw 便是区域水平应力σh 的两倍，因此，在均质各向同性地层中所要求的初始破裂压力为：

P f =σhw +P p =2P h +P p (1-21)

利用摩尔准则,在实验室分析的基础上，休伯特和威利斯得出了在正断层发生的区域里，水平骨架应力是最小应力。他们还指出，在浅的沉积层中，最小骨架应力只是垂直骨架应力的1/3。因此，裂缝的延伸压力近似等于

P f =σmin +P p =Pp+σz /3 (1-22) 而，

σz =P v –P p (1-23)

式中,

P v—上覆岩层压力。

所以,地层破裂压力可表示为

P f =(P v +2P p )/3 (1-24)

1.3.1.2 马休斯和凯利关系式

钻井实践表明，地层破裂压力梯度随井深增加而增加，对正常压力地层也是如此。(24)式对较深的地层，一般说来是不适用的。马休斯和凯利用下式代替了最小骨架应力是上覆压力的1/3的假设,即

σmin =F a σz (1-25)

式中Fa是骨架应力系数，它是根据正常压力地层的现场实验数据确定的。

1.3.1.3 伊顿关系式

伊顿法假定水平和垂直骨架应力由下式确定

σmin =σx =σy =σh =σz×μ/(1-μ) (1-26) 式中,

μ-波松比由现场数据计算。

σz =p v -P p (1-27)

还有一些方法，请参考有关文献。

1.3.2 地层破裂压力验试

在每次固井水泥浆凝固后，必须进行"漏失试验"，其目的是为了确

定套管鞋以下井眼，水泥和地层间能够安全地承受钻达下一层套管设计深度的井底压力有多大。通常，这种试验是用封井器封住井口，并向井内泵入泥浆，直至达到试验所需要的压力或者开始漏失为止。然后停泵观察10分钟，以测定压力的下降速度。在钻掉水泥塞之前，首先要对套管进行试压，检查套管是否有漏失。钻完水泥塞后，继续钻至套管鞋以下3—5米后，试验水泥环和套管鞋以下的地层的承压能力。钻过破裂压力较低的地层后，也要定期进行漏失试验。在现场一般是测试套管鞋下面第一个砂层。因为砂岩地层的破裂压力梯度往往比页岩层低。典型的漏失试验曲线如图5所示。由图可知，对于给定的钻井液泵入增量，压力的增长是一个常数。因此，在A点以前近似一条直线。在A点地层开始破裂和漏失。A点的压力称为漏失压力。并用于地层破裂压力设计。继续泵入泥浆，使漏失试验进行到足够的时间以保证达到破裂压力。在B点停泵关井，以观察压力下降的速度。这个压力下降的速度反映了漏失速度的快慢。图中还标出了预期的漏失压力线。这对于进行漏失压力试验是很重要的压力

破裂压力 A Pf

B

泵量

图4.压裂实验曲线

地面试验是建立在地层破裂压力预测的基础上的，预期的地层漏失压力由下式给出

P l =P f -.00981w.D+ΔP f (1-28)

式中,

P l-漏失压力，MPa；

D-井深，m；

ΔP f-漏失试验时流动摩阻，MPa。

上式也可用于确定地层漏失压力，由于液压试验时泵速很小，所以，摩阻损失可以忽略不计。由于地层的抗破裂强度完全取决于围岩压缩应力的大小，而抗拉强度很小，可以忽略。所以，不必担心漏失试验会影响地层破裂强度。注意，漏失压力是指地面压力，又称表压。

1.4 井身结构设计

井身结构是指套管的层次和每层套管下入深度以及井眼尺寸和套管尺寸的配合等。他是钻井设计的基础。在经验钻井阶段，由于地层压力和破裂压力不能精确掌握，井身结构只能凭经验确定，到了60年代，随着平衡钻与井控技术的发展，地层压力和地层破裂压力预测越来越准确，使井身结构设计不断科学化。地层压力和破裂压力的一个重要应用是确定井身结构。常用的井身结构套管类型有(1)表层套管；(2)技术套管或中间套管；(3)生产套管；(4)尾管。

前面我们已经讨论过地层——井眼压力系统应维持如下平衡关系P f ≥P m ≥P p (1-29)

式中,

P f-地层破裂压力,MPa；

P m-钻井液柱压力,MPa；

P p-地层压力,MPa。

上式表明，钻井液柱压力应稍大于地层压力以防止井涌，但必须小于地层破裂压力，以防止压漏地层。用压力梯度表示上式，则有：

G f ≥G m ≥G P (1-30)

式中,

G f-破裂压力梯度,MPa/m；

G p-地层压力梯度,MPa/m；

Gm-静液压力梯度,MPa。

在钻井过程中必须遵守上述原则，也是井身结构设计的基础.

1.4.1 井身结构确定的原则和依据