石油钻井地层破裂压力试验报告
地层破裂压力计算模型及分析
地层破裂压力计算模型及分析
朱义东;张伟;刘伟新;杨勇
【期刊名称】《石油地质与工程》
【年(卷),期】2013(027)002
【摘要】针对目前地层破裂压力预测方法存在的局限性,通过统计分析表明1.5倍静水柱压力和2.2倍静水柱压力可作为预测地层破裂压力的参考值,储层垂直深度与地层破裂压力在3 000 m上下呈现不同关系特征,并引入地层压力系数参数和非线性回归方法共建立了三种地层破裂压力计算模型,经实例证实计算模型具有可信性.模型只需平均地层压力和储层垂直深度参数,满足油藏方案设计和施工精度要求,简单易行,现场实用性较强.
【总页数】3页(P92-94)
【作者】朱义东;张伟;刘伟新;杨勇
【作者单位】中海石油深圳分公司研究院,广东广州510240;中海石油深圳分公司研究院,广东广州510240;中海石油深圳分公司研究院,广东广州510240;中海石油深圳分公司研究院,广东广州510240
【正文语种】中文
【中图分类】TE249
【相关文献】
1.地层破裂压力预测模型精度对比分析 [J], 金镭;章光;李玉涵
2.地层破裂压力液压试验数据拟合分析 [J], 杨明合;孙婷;杨虎;陈伟峰;文乾彬;石建
刚
3.泥页岩地层破裂压力计算模型研究 [J], 严向阳;胡永全;李楠;申贝贝
4.油气井压裂时地层岩石新的破裂压力计算模型的建立 [J], 边芳霞;林平;王力;王智博;邓志英
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破裂压力计算概述
破裂压力计算概述1引言1.1破裂压力概念地层破裂压力(P B)定义为使地层产生水力裂缝或张开原有裂缝时的井底压力,要实现水力加砂压裂的前提条件是应该有足够的地面泵压使井底目的层地层开裂。
实际生产中通常用破裂压力梯度G B(地层破裂压力P B与地层深度H的比值)表示破裂压力的大小,破裂压力梯度值G B一般由压裂实践统计得出。
地层破裂压力与岩石弹性性质、孔隙压力、天然裂缝发育情况以及该地区的地应力等因素有关。
在压裂施工中的地层破裂压力还可以这样来理解就是裂缝即将开启而未开启时的井底压力；在压裂施工作业中，如果起泵初期压力有比较明显的降落时，那么我们就可以确定出破裂压力来这一数值可用下面这一关系式来描述：地层破裂压力=裂施工作业初期的最高套管压力+层中部的液柱压力1.2破裂压力的获取途径水力压裂是油气井最常用的一种增产措施，而地层破裂压力是压裂设计和施工工艺的一项重要参数，确定该参数正确与否，将关系到能否保证压开地层等问题。
该参数的获取有两种途径：一是进行室内岩石力学实验或井场水力压裂施工；二是从测井资料中提取。
目前，用测井资料估算砂泥岩剖面地层破裂压力的方法与技术较为成熟。
由于碳酸盐岩地层原生孔隙很小，次生孔隙的发育使岩石的刚性大大减弱，并呈现出明显的非均质性与各向异性，同时不同的构造部位受构造应力作用的强度难以确定，最小水平主应力和岩体抗张强度的度量较难，造成用测井资料计算的地层破裂压力精度较低。
碳酸盐岩地层破裂压力与测井响应具有密切的关系。
利用能够反映碳酸盐岩地层基本特性和岩石力学性质的测井信息，预测碳酸盐岩地层的破裂压力是一种经济、简便的可靠途径。
1957年，Hubbert和Willis根据三轴压缩试验，首先提出了地层破裂压力预测模式即H-W模式。
到目前为止，国内外提出了许多预测地层破裂压力的方法。
比较常用的有Eaton法，Stephen法，黄荣樽法等。
1997年Holbrook发表了适于预测张性盆地裂缝扩展压力的一种方法。
地层破裂压力梯度
地层破裂压力梯度地层破裂压力梯度是指地下岩石或土层在垂直方向上的压力变化率。
在地球内部，地质力学过程会导致地层破裂和变形，这些力学过程对于石油、天然气勘探和开采等领域具有重要意义。
地层破裂压力梯度的研究可以帮助我们了解地下岩石的力学性质以及地质构造的演化过程。
在地质构造中，地层破裂压力梯度是一个重要的参数，它决定了岩石的破裂强度和变形能力。
了解地层破裂压力梯度可以帮助我们预测地震的发生，评估地下水资源的储量和分布，以及优化石油、天然气等资源的勘探和开采方案。
地层破裂压力梯度的大小与地下岩石的物理性质、地质构造和地下应力状态等因素有关。
一般来说，地层破裂压力梯度会随着深度的增加而增大。
这是因为地下岩石受到上方岩石的压力作用，导致岩石内部的应力逐渐增大。
当地下岩石的应力超过其承载能力时，就会发生破裂。
地层破裂压力梯度的大小还受到地层的岩性、韧性和渗透性等因素的影响。
一般来说，岩石的压力梯度与其岩性和韧性呈正相关关系，而与其渗透性呈负相关关系。
岩性和韧性较高的岩石可以承受更大的压力，而渗透性较高的岩石则会减小地层破裂压力梯度。
地下应力状态也是影响地层破裂压力梯度的重要因素。
地下应力是地质构造过程中形成的，它包括地壳的自重应力、板块运动引起的构造应力以及热胀冷缩引起的热应力等。
这些应力作用于地下岩石上，导致地层破裂压力梯度的形成和变化。
在石油、天然气勘探和开采过程中，地层破裂压力梯度的研究对于确定钻井参数、设计井筒完整性和评估油气藏的储量和产能具有重要意义。
通过测量地层破裂压力梯度，可以评估地下岩石的稳定性，预测井筒的稳定性，避免钻井事故和井壁塌陷等问题的发生。
在地震学研究中，地层破裂压力梯度也是一个重要的参数。
通过研究地层破裂压力梯度的变化规律，可以预测地震的发生和破裂过程，评估地震的破坏程度和危险性，为地震灾害的防治提供科学依据。
地层破裂压力梯度是地下岩石在垂直方向上的压力变化率，对于石油、天然气勘探和开采、地震学研究等领域具有重要意义。
钻井地漏实验
一、关于地层破裂压力试验、地层漏失压力试验、地层承压能力试验。
地破试验：了解套管鞋处地层破裂压力值，为计算出最大允许关井套压，为压井套压控制提供依据。
承压试验：钻开高压油气层前了解上部裸眼地层的承压能力能否承受，下步要提高钻井液密度所带来的液柱压力。
在钻井施工中，通常通过地层强度试验了解地层承压能力的大小，地层强度试验的目的主要有两个：一是了解套管鞋处地层破裂压力值；二是钻开高压油气层前了解上部裸眼地层的承压能力。
试验的方法主要有三种，即地层破裂压力试验、地层漏失压力试验、地层承压能力试验。
1、地层破裂压力试验地层破裂压力试验是为了确定套管鞋处地层的破裂压力，新区第一口探井、有浅气层分布的探井或生产井，必须进行地层破裂压力试验。
试验方法如下：（1）关闭环形空间。
（2）用水泥车以低速（0.8~1.32L/s）缓慢地启动泵向井内注入钻井液。
（3）记录各个时间的泵入量和相应的井口压力。
（4）作出以井口压力与泵入量为坐标的试验曲线，如泵速不变，也可作出井口压力和泵入时间的关系曲线。
进行地层破裂压力试验时，要注意确定以下几个压力值：（1）漏失压力（Pl）：试验曲线偏离直线的点。
此时井内钻井液开始向地层少量漏失。
习惯上以此值作为确定井控作业的关井压力依据。
如图3—9所示。
（2）破裂压力（Pf）：试验曲线的最高点。
反映了井内压力克服地层的强度使其破裂，形成裂缝，钻井液向裂缝中漏失，其后压力将下降。
（3）延伸压力（Ppro）：压力趋于平缓的点。
它使裂缝向远处扩展延伸。
（4）瞬时停泵压力（Ps）：当裂缝延伸到离开井壁压力集中区，即6倍井眼半径以远时（估计从破裂点起约历时1分钟左右），进行瞬时停泵。
记录下停泵时的压力Ps，此时裂缝仍开启，Ps应与垂直于裂缝的最小地应力值相平衡。
此后，由于停泵时间的延长，钻井液向裂缝两壁渗滤，液压下降。
由于地应力的作用，裂缝将闭合。
（5）裂缝重张压力（Pr）：瞬时停泵后重新启动泵，使闭合的裂缝重新张开。
胜利油田多裂缝理论研究报告
第四章预制定向裂缝压裂裂缝延伸数值模拟水力压裂技术广泛应用于增加石油和天然气的产量，其中水力压裂裂纹延伸研究是水力压裂技术领域的重要课题，近几年来，有关水力压裂理论和数值模拟方面的研究已引起国内许多专家学者的重视，在许多方面做了大量富有成效的研究，然而目前的水力压裂数值模拟研究主要集中在裂纹形态裂纹长、宽、高尺寸等静态参数的研究方面，对压裂裂纹的动态扩展的范围、路径、方向等动态参数、尤其对预制定向裂纹水力压裂延伸数值模拟方面的研究较少。
本章就这一问题进行了研究：（1）对压裂中裂纹的形态等基本理论进行了研究和探讨。
（2）以线弹性断裂力学为基础，建立了预制定向裂纹失稳扩展的判据。
（3）采用B.J.Cater的全三维模型，建立了水力压裂的流固耦合数学模型，利用有限元方法推导了水力压裂数学模型的数值解法。
（4）应用实际工程数据，分别对固井质量完好、固井圈和地层岩石力学性质相同和固井圈和地层岩石力学性质不同两种情况下裂纹延伸情况进行了数值模拟。
一、裂纹形式判断1 岩层中一点应力状态岩层中一点的应力状态如图(4.1.1)所示，iσ（i=x,y,z）主要由以下几部分组成。
xyzxσzσyσ图4.1 .1岩石中一点应力状态示意图(1)原始应力‘i σ：即在自重应力场作用下产生的应力。
设井深为H ，则：⎪⎭⎪⎬⎫=-===HH H z y x γσγμμλγσσ'1'' (4.1.1)式中)1(μμλ-=。
由广义胡克定律，设侧向应变0==y x εε推得；μ为岩石泊松比；γ为岩石密度，一般岩石密度γ在2.1～2.5g/3cm 范围内。
(2)构造应力''i σ：即在地壳构造应力场作用下产生得应力。
一般认为水平应力元大于垂直应力，且水平方向上应不相等，对于接近地表的浅部岩体，可近似取''z σ＝0，在地壳应力松弛区，水平应力较小，则：T y x σσσ=='''' ；''z σ＝0 （4.1.2）(3)孔隙压力（地层压力）S P ：由于岩层中均有一定的孔隙压力，从而使部分上覆岩层压力被多孔介质中的流体压力（孔隙压力）S P 所抵消，故应力分量为：S y x P μμσσ--==1'''''' ；S y P -='''σ （4.1.3）2 水压致裂孔壁岩石的破裂压力（梯度）井壁在水压力P 的作用下（图(4.1.2)），由弹性理论分析知，孔壁周向拉应力θσ＝22r Pa ，当a r =时，P =θσ。
钻井工程钻井工程地质条件—压力PPT课件
说明。
Po = Pp + σ
（1-5）
式中： Po — 上覆岩层压力，兆帕； Pp — 地层压力，兆帕； σ — 基岩应力，兆帕。
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地下各种压力之间的关系
（ Po 、 Pp 和σ之间的关系） Po = （孔隙流体的重力+ 基岩重力 ）/ 面积
Po = Pp + σ
由上式可知,上覆岩层压力由基岩和孔隙流体共同承担。 Po 一定， σ减小， Pp 增大。 当σ→0时， Pp → Po 。
小 的 方 向 ， 或 向 着 低 压 高第渗10页透/共的43方页向 流 动 ， 于 是 便 建 立 了
地层沉降压实保持平衡 的条 件：
• 上复岩层沉积的速度 • 地层的渗透率 • 地层孔隙减小的速度 • 孔隙流体排出的能力 思考题 正常沉积压实的地层特征？
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4、异常高压的成因 异常高压的形成是多种因素综合作用的结果，这些因素与地质作用、构
岩石的孔隙度减小，声波速度增大，声波
时差减小。
根据声波时差的数据，可在半对数坐
标纸上绘出曲线，如图1－3。在正常压力
地层，曲线为一直线，称为声波时差的正
常趋势线。
进入异常高压地层之后，岩石的孔隙
度增大，声波速度减小，声波时差增大，
便偏离正常趋势线，开始偏离的那一点就
是异常高压的顶部。
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(4)在Δt－Δtn和Gp关系曲线上读出Δt－Δtn所对应的Gp，用Gp乘以井深H ， 得其深度的地层压力，即
pp＝0.00981 Gp×H 式中：pp － 地层压力，MPa；
Gp － 地层压力梯度当量密度，g/cm3 H － 井深,m。
(1―12)
第四章地层压力检测与地层破裂压力.pptx
则3000米处的压力
p3000=40024.8-9.8(0.095)(4000-3000)=39.08Mpa
5）流体运移作用
从深层油藏向上部较浅层运动的流体可以导致浅层 变成异常压力层。这种情况叫做浅层充压。 如图3-5
6）形成异常高压的其它原因 地面剥蚀； 注水；
盐丘体侵 入形成的 异常高压
原始压力型 异常高压
3）粘土成岩作用
成岩指岩石矿物在地质作用下的化学变化。 页岩和灰岩经受结晶结构的变化，可以产生异 常高的压力。有异常压力，必有上覆压力密封 层。如石膏（caso4 2H2O）将放出水化水而变 成无水石膏（caso4 ）它是一种特别不渗透的蒸 发岩，从而引起其下部异常高压沉积。如图33 所示。
1.4 最大破裂压力当量钻井液密度
2、钻进中检测地层压力
(1)页岩密度法 (2)dc指数法
（1）页岩密度法：
在钻进中，取页岩井段返出的岩屑，测其 密度，做出密度与深度的关系曲线，通过 正常压力地层的密度值画出正常趋势线。 偏离正常趋势线的点，即压力异常点。开 始偏离的部分即为过渡带的顶部。
图3--8
（2）dc指数法
dc指数法：dc指数法是通过分析钻进动 态数据来检测地层压力的一种压力方法。 动态数据中主要是钻速、大钩载荷、转 速、扭矩以及钻井液参数。
见图3-1
图3-1地层压力异常 23 正常孔隙压力
1）压实作用：
随着埋藏深度的增加和温度的增加，孔隙 水膨胀，而孔隙空间随地静载荷的增加而缩小。 因此，只有足够的渗透通道才能使地层水迅速 排出，保持正常的地层压力。如果水的通道被 堵塞或严重受阻，增加的上覆岩层压力将引起 孔隙压力增加至高于水静压力，孔隙度亦将大 于一定深度时的正常值。
应用测井资料计算地应力以及地层破裂压力_以库车坳陷克拉A井解释为例
Ξ应用测井资料计算地应力以及地层破裂压力——以库车坳陷克拉A井解释为例许赛男1、2,黄小平2(11长江大学教育部油气资源与勘探技术重点实验室;21长江大学地球物理与石油资源学院,湖北荆州 434023) 摘 要:在石油勘探开发过程中,人们越来越认识到地应力方向的重要性。
水力压裂缝的延伸方向以及注采井网合理布置等,都和地应力的方向有密切关系。
现今地应力方向及其大小对于钻井工艺设计、储层压裂改造和开发设计等都具有重要意义。
利用D S I测井资料可以获取地层的纵、横波资料,进行岩石机械特性参数计算,依据岩石力学原理,可计算地应力及预测地层破裂压力。
关键词:水力压裂;测井资料;地层破裂压力;地应力 地应力是存在于地壳中的内应力,它是由于地壳内部的垂直运动和水平运动的力及其他因素的力而引起介质内部单位面积上的作用力。
地壳岩石中时时处处都存在地应力。
地壳中不同地区、不同深度地层中的地应力的大小和方向随时间和空间变化而变化构成地应力场。
一般地层深处的地应力可以用三个主应力来表示,一个为上覆地层应力Ρv,一般可认为其为垂直方向。
另两个分别为水平最大应力ΡH和水平最小应力Ρh,这两个水平应力一般不相等。
(由于最小水平应力即为地层的闭合应力,并且压裂的裂缝沿垂直于最小水平应力方向的平面延伸,所以在此主要介绍最小水平应力的计算方法)上覆地层应力可通过密度测井数据来求得。
综合弹性理论,声波测井资料和密度测井资料,得出了连续地应力剖面。
1 地应力研究方法在此利用B i o t(1954)多孔介质弹性形变理论导出的A nders on模型来计算〔1〕。
其计算公式如下:Ρh=(Λ1-Λ)(Ρv-ΑP p)+ΑP p(1)式中:Ρh—最小水平应力;Ρv—垂向应力(上覆岩层压力),由密度测井资料计算得到;P p—孔隙流体压力;Λ—泊松比;Α—B i o t常数。
1.1 岩石各弹性参数的计算1.1.1 横波资料已经给定的情况下,计算上述各弹性参数〔2〕岩石纵波速度V p和横波速度V s与拉梅系数Κ、Λ的关系为:纵波速度:V p=1D TC =Κ+2ΛΘb(2)横波速度:V s=1D T S =ΛΘb(3)根据声波全波列测井资料与密度测井资料可以计算各弹性参数,包括:岩石的剪切模量、泊松比、杨氏模量、体积弹性模量和体积压缩系数。
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地层破裂压力试验报告
步骤：
1、扫水泥塞钻井，钻穿水泥塞后钻进新地层3-5米，井深1835米
处，随后循环泥浆，使进出口泥浆性能趋于一致。此时泥浆密度为
1.18克每立方厘米。
2、起两柱立柱，钻头提至套管鞋内（套管下深1801.95米），关下
半封闸板防喷器，注意绞车刹死，闸板不至于封闭钻杆接头处。
3、泥浆泵缸套直径为180毫米，泵速120冲每分钟时排量为46.6
升每秒，即累计一冲的排量为23.3升。
4、为使压力趋于稳定，每泵一冲静待2分钟后读取立压数据。同时
记录当前累计冲数。
5、实验时，司钻控制泥浆泵，以低泵速泵浆，刚好累计泵冲数加了
1冲时，立刻将泵速调为零，同时记录者秒表开始计时，记到2分钟
时读数立压表并记录序号、累计泵冲数、立压，之后秒表清零。实验
结束后，计算每次的泥浆泵入量。
6、重复第5步，前期立压值应和累计泵入量（累计泵冲数）成线性
正比关系，到达漏失压力时，立压涨幅变缓，之后压力达到最大值后
逐渐下降趋于平缓，瞬时停泵记录瞬时停泵压力。之后重新启动泵，
求出裂缝重张压力。
7、绘制压力、钻井液累计泵入量关系曲线，计算破裂压力当量钻井
液密度、地层破裂压力梯度Gf、最大允许关井套压[Pa]。
计算：
图中漏失压力P1=9.9MPa 破裂压力Pf=12.5MPa，钻井液密度
1.18g/cm³，破裂压力当量钻井液密度=1.18+102*9.9/1802=1.74g/cm3
地层破裂压力梯度Gf=0.0098*1.18+9.9/1802=0.017MPa/m， 最大允
许关井套压[Pa]=（0.017-0.0098*1.18）*1835=9.98MPa。
注意事项：
1、泵速一定要控制好，尽力保证每次泵入量为23.3L。
2、立压数据需要等稳定后读取，读取准确。
3、泄压时注意操作安全。