水平井水力压裂增产技术中的岩石力学问题
水平井水力压裂数值模拟研究
水平井水力压裂数值模拟研究本文旨在探讨水平井水力压裂数值模拟的方法及其应用。
介绍了水力压裂技术的基本原理和特点，阐述了数值模拟在石油工程领域的应用。
详细阐述了水平井水力压裂数值模拟的关键步骤和模型建立过程，包括网格划分、边界条件设置、材料属性定义等。
通过实际案例分析，验证了数值模拟方法的可行性和有效性。
关键词：水平井；水力压裂；数值模拟；石油工程水力压裂技术是一种广泛应用于石油、天然气等资源开采中的增产技术。
在水平井中，水力压裂能够增加油气田的泄油面积，提高产能，因此具有重要意义。
本文旨在对水平井水力压裂过程中的数值模拟方法进行研究，为实际工程应用提供指导。
水力压裂技术是一种利用高压水流将地层岩石破坏并形成裂缝的增产技术。
在油气田开发中，通过向井孔注入高压水流，使地层产生裂缝，从而提高油气的渗透率和产量。
数值模拟是基于计算机技术的一种模拟实验方法，通过建立数学模型，对物理过程进行仿真，以获得实际工程中的优化方案和参数。
在石油工程领域，数值模拟已成为水力压裂技术的重要研究方向。
（1）建立数学模型：根据物理规律，建立水力压裂过程的数学模型，如流体流动模型、裂缝扩展模型等。
（2）建立计算网格：将井孔及周围地层划分为细小的计算网格，以便进行数值计算。
（3）边界条件设置：确定模型的边界条件，如压力、温度、流量等。
（4）材料属性定义：定义地层及流体的材料属性，如弹性模量、泊松比、黏度等。
（5）模型求解：利用数值计算方法，对数学模型进行求解，以获得水力压裂过程中的各种参数和结果。
通过实际案例分析，对水平井水力压裂数值模拟方法进行验证。
以下是其中两个案例：在某油田的水平井中进行了水力压裂试验，试验过程中应用了数值模拟方法进行指导。
通过模拟计算，获得了最佳的水力压裂方案和参数，如注入压力、裂缝长度、裂缝高度等。
根据这些参数进行实际施工，取得了显著的增产效果，验证了数值模拟的可行性和有效性。
针对不同地层条件下的水平井水力压裂过程进行数值模拟，以研究不同地层条件对水力压裂效果的影响。
川南龙马溪组页岩力学特性及水力压裂机理研究
目录
01 引言
03 水力压裂机理
02
川南龙马溪组页岩力 学特性
04 参考内容
引言
川南龙马溪组页岩是我国西南地区重要的矿产资源之一，具有较高的煤质和油 气储存量。在页岩气和页岩油的开发过程中，力学特性和水力压裂机理是两个 关键问题。本次演示将围绕川南龙马溪组页岩的力学特性及其与水力压裂的关 系进行详细论述。
纳米孔隙结构特征
川南龙马溪组页岩气储层的纳米孔隙结构特征主要包括孔隙度和渗透率两个方 面。根据研究，该储层具有较高的孔隙度，一般在3%~5%之间，渗透率则较低， 大多在10^-3~10^-4md之间。这些孔隙主要是在成岩作用过程中形成的，包括 伊利石、高岭石等矿物晶格间微孔和有机质分解产生的微裂缝等。
抗拉性能是指页岩在横向拉力作用下的稳定性。川南龙马溪组页岩的抗拉强度 也较高，但相较于抗压强度略低。这主要是因为页岩的层状结构在拉力作用下 容易产生裂缝。
剪切性能是指页岩在切向力的作用下发生滑移的性能。川南龙马溪组页岩的剪 切强度较低，容易产生滑移。这主要是因为页岩的层状结构在剪切作用下容易 产生相对位移。
川南龙马溪组页岩力学特性
川南龙马溪组页岩的力学特性是开发页岩气和页岩油过程中需要重点的问题之 一。在页岩气和页岩油的开发过程中，力学特性的好坏直接影响到后续的开采 和生产。川南龙马溪组页岩的力学特性主要包括抗压、抗拉、剪切等方面的性 能。
抗压性能是指页岩在垂直压力作用下的稳定性。川南龙马溪组页岩的抗压强度 较高，具有较好的稳定性。这主要得益于其高密度、高强度矿物组分和复杂的 层状结构。
水力压裂机理
水力压裂是页岩气和页岩油开发中的重要技术手段，其作用是通过压裂液的注 入，使页岩产生裂缝，以增加储层渗透性，从而提高产气量和产油量。水力压 裂的机理主要包括以下三个方面：
中石油页岩气开发中的几个岩石力学问题
摘要 页岩气是一种重要的非常规油气资源，未来发展前景广阔。中石油在四川盆地的页岩气勘探开发实践中 形成了一套综合地质评价技术，页岩气开发技术进步显著。同时，在页岩气的实际开发过程中发现了一系列亟 待解决的岩石力学问题：(1) 水平井井眼方向问题。由于四川盆地地质构造复杂，目前的垂直于水平最大主应力 方向的水平井井眼方向给施工带来一系列工程问题，并且这种井眼方向与页岩气形成复杂裂缝的设计相矛盾； (2) 压裂液液量问题。压裂液的渗吸、置换和增能作用，要求尽可能加大压裂液液量；(3) 储层保护问题。在页岩 气开发过程中应该正确的认识页岩储层中的储层保护问题，鼓励页岩储层的渗吸作用；(4) 套管变形问题。套管 变形问题形势严峻，造成的经济损失严重。解决这些工程中的关键问题可以进一步增加页岩气产量，降低生产 成本，具有重要的意义。
石油科学通报 2019 年 9 月 第 4 卷第 3 期：223-232
中石油页岩气开发中的几个岩石力学问题
石林1,2*，史璨2，田中兰1，张矿生3
1 中国石油钻井工程研究院，北京 102206 2 中国石油大学 ( 北京 ) 石油工程学院，北京 102249 3 中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，西安 710018 * 通信作者，shilindri@
1 China Petroleum Drilling Engineering Research Institute, Beijing 102206, China 2 College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China 3 Oil & Gas Technology Research Institute of Changqing Oilfield Branch Company, CNPC, Xi’an 710018, China
水力压裂力学第二版
水力压裂力学第二版水力压裂力学是研究岩石力学行为和水力压裂过程的一门学科，是采矿工程和地球科学领域的重要内容之一。
水力压裂技术是一种通过应用高压水将石油、天然气或地热能资源中的裂缝扩大，增强岩石导流性的方法。
本文将介绍水力压裂力学的基本原理、应用领域和研究进展。
水力压裂力学的基本原理是利用高压水将岩石内部的裂缝扩大，并增加岩石的导流性。
高压水通过裂缝进入岩石内部，从而形成一个水力压裂模型。
在水力压裂模型中，高压水作用于岩石裂缝，使裂缝张开，并产生应力和位移。
这些应力和位移会导致岩石内部的破坏，从而形成新的裂缝和孔隙。
水力压裂力学通过数值模拟和实验研究，探索了水力压裂过程中岩石的力学行为和裂缝扩展机制。
水力压裂力学广泛应用于能源勘探、水资源开发和地质灾害控制等领域。
在能源勘探方面，水力压裂技术可以提高油气田的产量和开采效率。
通过水力压裂，可以将原本不可开采的油气资源从岩石中释放出来。
此外，水力压裂技术还可以应用于地下水资源的开发和管理。
通过水力压裂，可以增加水井的产能，提高地下水的开采效率。
此外，水力压裂技术还可以用于地下水位的调控和地下水污染的修复。
当前水力压裂力学研究领域的进展是力学模型的改进和优化。
由于岩石的力学行为和裂缝扩展机制非常复杂，传统的力学模型无法准确描述水力压裂过程。
因此，研究人员正在开发新的力学模型和数值模拟方法，以更好地理解和预测水力压裂的效果。
此外，研究人员还在研究水力压裂过程中的岩石破坏机制和裂缝传播规律，以进一步提高水力压裂技术的效果和可控性。
总之，水力压裂力学是研究岩石力学行为和水力压裂过程的重要学科。
水力压裂力学的研究对能源勘探、水资源开发和地质灾害控制等领域具有重要意义。
当前水力压裂力学研究的进展是改进和优化力学模型，以更好地理解和预测水力压裂的效果。
煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用
煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用摘要：煤矿井下水力压裂技术是非常重要的，该技术主要是坚硬顶板弱化和高应力巷道围岩卸压。
针对煤矿水力压裂理论，结合国内的真三轴水力压裂试验，对压裂技术进行数据分析和研究。
另外，根据水力压裂技术的过程及在围岩控制过程中的数据探讨和分析。
关键词：煤矿水力压裂技术围岩控制水力压裂技术一直是煤矿井下的重要施工技术，尤其是在围岩控制方面起到非常重要的作用。
根据下面对水力压裂技术的分析以及相关应用的探索，同时涉及水力压裂技术的设备进行着重分析强调，可以让相关人员更能抓住该技术的使用重点。
除了围岩压裂的原理、参数，还需要对机具与施工工艺及压裂进行效果检测，还要根据岩体物理力学性质和岩体结构对施工方向和应力范围进行数据分析。
一、水力压裂技术及其理论研究水力压裂技术是从1950年研发出来的，直到现在，该技术已经逐渐发展和成熟，作为常规低渗油气增透技术，在很多领域深受欢迎，例如非常规油气开采、页岩油气开发、煤层气开发、地应力测量、地热资源开发、核废料处理、CO2封存等领域，具有广泛的工业价值。
本文也是针对煤矿井下领域的研究，水力压裂技术的应用效果主要体现在围岩控制和低渗透煤层的增透这两个领域。
主要是针对回采工作面坚硬难垮顶板控制、高应力巷道围岩卸压及冲击地压防治。
这种技术的实质是在钻孔中注高压水，在坚硬顶板中形成裂缝而弱化顶板，使其能及时垮落。
但在试验初期，由于对水力压裂技术缺乏深入的认识，施工机具也存在较大问题，致使该项技术在很长一段时间内没有得到推广应用。
水力压裂技术理论国内外的学者都曾在油气系统地面钻井压裂、煤炭行业中应用过程中进行深入的分析，但在该技术上仍有很大的分歧，在水力压裂效果上不尽如人意。
随着我国煤炭技术的发展以及煤炭行业的技术设施的配备，水力压裂技术也得到了大范围推广应用，促进了水力压裂技术理论的进一步研究。
二、水力压裂技术设备及压裂效果分析下面分析压裂机具与设备，我们以煤炭科学研究总院开采研究分院开发的水力压裂机具为例进行介绍。
浅析水平井分段压裂工艺技术及展望
浅析水平井分段压裂工艺技术及展望摘要：随着油田开发进入后期，产油量下降，含水量大幅上升，开采难度增大。
大力开采低渗透油气藏成为增加产量的主要手段。
而水平井分段压裂增产措施是开采低渗透油气藏的最佳方法。
水平井分段压裂技术的应用可以大幅提高油田产量，增加经济效益，实现油气的高效低成本开发。
本文介绍国内水平井分段压裂技术，并对水平井分段压裂技术进行展望。
关键词：水平井；分段压裂；工艺技术1水平井技术优势目前水平井已成为一种集成化定向钻井技术，在油田开发方面发挥着重要作用。
通过对现有文献进行调研,发现水平井存在以下技术优势：水平井井眼穿过储层的长度长，极大地增加了井筒与储层接触面积,提高了储层采收率;仅需要少数的井不但可以实现最佳采收率，而且在节约施工场地面积的同时降低生产成本，以此提高油田开发效果；水平井压力特征与直井相比，压力降低速度慢,井底流压更高，当压差相同时，水平井的采出量是直井采出量的4~7倍;当开发边底水油气藏时，若采用直井直接进行开采虽然初期产量高但后期含水上升快，而水平井泄油面积大，加上生产压差小,能够很好的控制含水上升速度,有效抑制此类油藏发生水锥或气锥;能够使多个薄层同时进行开采,提高储层的采出程度。
2水平井压裂增产原理水平井压裂增产的过程:利用高压泵组将高黏液体以大大超过地层吸液能力的排量由井筒泵送至储层，当达到地层的抗张强度时，地层起裂并形成裂缝,随着流体的不断注入，裂缝不断扩展并延伸,使得储层中裂隙结构处于沟通状态,从而提高储层的渗流能力，达到增产的目的。
水平井压裂增产原理主要包括以下四方面:增加了井筒与储层的接触面积，提高了原油采收率;改变了井底附近渗流模式，将压裂前的径向流改变为压裂后的双线性流，使得流体更容易流人井筒，降低了渗流阻力;沟通了储层中的人造裂缝和天然裂缝，扩大了储层供油区域，提高了储层渗流能力。
降低了井底附近地层污染，提高了单井产量。
3国内水平井分段压裂技术3.1水平井套管限流压裂对于未射孔的新井，应采用限流法分段压裂技术。
水平井压裂工艺技术
水平井压裂工艺技术1. 引言水平井压裂工艺技术是一种常用于油田开发的工艺方法，通过在地下水平井中注入高压液体和固体颗粒，以增加井壁与油层之间的接触面积和裂缝的数量，从而提高油气开采率。
本文将对水平井压裂工艺技术进行详细介绍。
2. 水平井压裂原理水平井压裂是基于岩石力学及流体力学原理，通过在水平井中引入高压液体，使岩石产生裂缝，并在裂缝中注入固体颗粒以保持裂缝的持久性。
其主要原理包括以下几点：•应力超出岩石破裂强度: 通过增加井内压力，使岩石超过其破裂强度，从而产生裂缝。
•固体颗粒填充: 在裂缝中注入固体颗粒，以阻止裂缝的闭合，保持裂缝的持久性。
•液体射孔: 在井脚附近进行液体射孔，使液体与油层接触面积增加，通过喷射作用形成径向裂缝。
•裂缝扩展: 扩大裂缝面积，增加岩石与流体的接触面积，提高油气开采效率。
3. 水平井压裂工艺步骤水平井压裂工艺的实施需要经过以下步骤：3.1 井筒设计井筒设计是水平井压裂工艺中的关键步骤。
设计人员根据油田地质特征和开采需求，确定井深、井径、压裂层位置等参数，选择合适的井筒设计方案。
3.2 固定套管固定套管是为了确保井壁的稳定性和防止井筒坍塌而进行的操作。
在水平井压裂工艺中，需要使用高强度套管并通过水泥固定，以确保井筒的完整性和稳定性。
3.3 液体射孔液体射孔是将高压液体注入到井脚附近岩石中，通过喷射作用形成径向裂缝的过程。
在水平井压裂工艺中，液体射孔是实施压裂的前提条件。
3.4 压裂液注入压裂液注入是水平井压裂工艺的核心步骤。
在该步骤中，高压液体被注入到井筒中，压力超过岩石破裂强度，使岩石产生裂缝，并将固体颗粒混入液体中以保持裂缝的持久性。
3.5 压裂结束与产能测试在完成压裂液注入后，需要进行压裂结束与产能测试。
通过对产出的油气进行采集和分析，评估压裂效果以及井的产能，并进行相应的调整和优化。
4. 压裂液组成与性能压裂液是水平井压裂过程中使用的液体。
根据不同的需求和地质条件，压裂液可以选择不同的组成和性能。
水平井压裂段间窜流机理及防窜方法研究
水平井压裂技术是各个油气田开发过程中的重要增产措施之一，通过压裂可以增大泄流面积，从而提高单井油气产量。
吉林油田主力油藏埋藏较浅，属致密砂岩油气藏，具有显著的低孔、低渗透特性，需要开展水力压裂储层改造技术提高油田产量。
但水平井多级压裂施工时，保证各个压裂段间不发生窜流是成功改造储层、实现油气井高效开发的必要前提。
吉林油田扶余等地区由于水平段较长、产层较多，为最大限度实现产能化，采用分段分层压裂工艺技术，但是，由于油层埋藏浅、地层硬度低、井筒周边天然裂缝发育，压裂过程中经常出现层间窜流，导致压裂施工失败，本文通过对影响水平井压裂窜流的固井质量原因及压裂工艺原因进行分析，提出具体的措施，减少水平井窜流情况发生。
1 水平井压裂窜流影响因素1.1 一二界面胶结质量对窜流的影响一、二界面胶结处是封固系统的薄弱环节，由于复合材料之间进行胶结时，界面存在疏松过渡层，过渡层的强度远低于材料本体的强度，导致胶结处薄弱且易发生破坏；另一方面固井作业后残留的泥饼附着在井壁或套管壁上，导致界面胶结强度降低，容易发生破坏。
因此，保证一二界面胶结质量对防止窜流具有重要意义。
1.1.1 一、二界面胶结强度对水泥环承压能力的影响通过分析水平井压裂时现场数据和岩石力学参数，当二界面胶结强度增大时，界面承压能力随之增加，具有很好的线性关系。
因此，在实际施工中，要想提高界面承压能力，必须提高一二界面胶结强度，并且减小压裂窜流的风险性。
1.1.2 压裂压力对水泥环应力分布的影响压裂过程中，随着压裂液压力不断增大，井筒内压力直接作用于水泥环上，水泥环内部的径向应力、周向应力及剪切应力都增大。
当压裂液压力增大到一定程度，超过水泥石所能承受的最大屈服强度，水泥环发生损坏，造成压裂窜流，压裂施工失败。
1.2 射孔间距对窜流影响压裂过程中，压裂液压力作用于水泥环与套管和地层的两个胶结界面，压裂液压力高于一定值，会在界面处产生裂纹，使界面失效，实际压裂过程中射孔间距不应小于该压裂液压力下的极限射孔间距。
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第23卷 第14期岩石力学与工程学报 23(14)：2455～24622004年7月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July ，20042003年6月20日收到初稿，2003年8月20日收到修改稿。
* 国家自然科学基金项目(50274054)和教育部科学技术研究基金重点项目(01111)资助课题。
作者 陈 勉 简介：男，41岁，现任教授，主要从事石油工程岩石力学方面的研究。
E-mail ：chenmian@ 。
我国深层岩石力学研究及在石油工程中的应用*陈 勉(石油大学(北京)石油天然气工程学院 北京 102249)摘要 论述了深层岩石力学的研究范围、特点，介绍了深层岩石力学的全尺寸钻井模拟试验，地应力、岩石断裂韧性、动静态岩石力学参数获取方法和技术，以及在钻井过程中的井壁稳定预测检测技术、水力压裂的室内物理模拟技术、数值模拟技术等问题的研究进展，并提出了深层岩石力学面临的挑战和需要解决的技术问题。
关键词 岩石力学，深部地层，石油工程分类号 TE 21，TU 45 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)14-2355-08REVIEW OF STUDY ON ROCK MECHANICS AT GREAT DEPTH AND ITSAPPLICATIONS TO PETROLEUM ENGINEERING OF CHINAChen Mian(Institute of Petroleum and Gas Engineering ，University of Petroleum ， Beijing 102249 China )Abstract The scopes and characteristics of rock mechanics at great depth are discussed. This paper introduces the full-scale drilling system ，the measurement of geo-stresses ，rock fracture toughness ，static and dynamic rock parameters ，the advances in techniques of well-bore stability prediction and measurement during drilling ，and physical and numerical simulations of hydraulic fracturing ，in China. The challenges facing rock mechanics at great depth and technical issues to be solved are presented.Key words rock mechanics ，formation at great depth ，petroleum engineering1 引 言在深层岩石力学研究中，所涉及的地层深度大多在2 000～8 000 m 范围内，研究对象以沉积岩层为主体，岩石处于较高的围压(可达200 MPa)、较高的温度(可达200 ℃)和较高的孔隙压力(可达200 MPa)作用下。
这与水电站的坝基设计、高边坡稳定、隧道和巷道的开挖及支护、建筑的桩基工程、地下洞室、城市地铁建造等不超过1 000 m 深度的地表或浅层岩石力学问题不同，也不同于以火成岩和变质岩为研究主体，深度超过万米的下地壳、上地幔岩石物理力学问题。
深层岩石力学所涉及的围压可达200 MPa 。
事实上，地层的围压来源于非均匀的原地应力场，若垂向应力源于地层自重，那么应力梯度平均为0.023 MPa/m ，多数地区最大水平应力往往大于垂向应力，且2个水平地应力梯度的比值常达1.4以上。
在山前构造带地区，不但地应力梯度高，而且水平最大、最小地应力的比值也很大。
因此，在研究地应力分布规律(包括数值大小及主方向)时，主要依靠水压致裂、岩石声发射试验、岩石剩磁分析、差应变分析、地震和构造资料反演、测井资料解释等间接方法。
深层岩石力学所涉及的温度可达200 ℃。
一般• 2456 • 岩石力学与工程学报 2004年的地温梯度是3 ℃/100 m，高的可超过4 ℃/100 m，具体的地温梯度往往需要实际测定。
当温度超过150 ℃后，温度对岩石性质的影响是十分显著的。
深层岩石力学所涉及的沉积岩层孔隙和裂隙中高压流体(包括各种液体和气体)的孔隙压力可达200 MPa。
常规的静水孔隙压力梯度为0.01 MPa/m，而异常高压地层的孔隙压力梯度可超过0.02 MPa/m。
深层岩石力学所研究的地层力学性质在高围压、高温度和高孔隙压力状态下，已完全不同于浅部地层，它可能从弹脆性转变成粘塑性，也可能由于高孔隙压力的作用使得原本延性的岩石呈现脆性破坏。
20世纪60年代以来，随着我国大庆油田等油田的开发，岩石力学在石油工程中日益显示了其重要性。
主要研究范围包括：(1) 深层地应力测量理论与技术；(2) 深部地层环境下的岩石力学性质；(3) 岩石应力、渗透性的声学响应特性及岩石物理力学性质的地球物理解释；(4) 构造应力场的数值模拟及其在油气勘探与开发中的应用；(5) 深层岩石中天然裂缝的形态、分布和预测理论；(6) 岩石的固液耦合理论及在油藏工程中的应用；(7) 岩石破坏机理与高效破岩方法研究；(8) 井眼稳定机理与控制技术；(9) 人工裂缝的起裂、扩展及水力压裂工程设计；(10) 弱固结地层的固相产出问题；(11) 地层错动、蠕变与套管损坏问题。
2 深层岩石力学试验技术2.1深层岩石力学参数的室内试验测定岩石的力学特性参数包括强度参数和弹性参数。
涉及的参数主要为抗压强度、内摩擦力、内摩擦角、泊松比和杨氏模量。
目前，岩石力学特性参数的测定主要有2种方法：静态法和动态法。
静态法是通过对岩样进行加载试验测得其变形而得到参数，所得参数为岩石静态力学特性参数。
动态法是通过测定超声波穿过岩样的速度得到参数，所得参数为岩石动态力学特性参数。
根据实际受载情况，岩石的静态力学特性参数更适合工程需要。
迄今为止，岩石的静态力学特性参数的测定方法已比较成熟，有了一套规范的试验程序和数据处理程序。
但静态法需从地下取出待研究井段的岩芯，在室内做单轴或三轴应力试验，其缺点是成本高、时效性差、资料的代表性较差；而动态法利用声波测井资料，可直接求出原地应力下的动态力学特性参数，获得岩层沿深度的连续的力学特性资料。
静态法一般采用常规三轴压缩试验方法。
试验机包括2种：柔性试验机和刚性试验机，柔性试验机适用于金属材料。
由于柔性试验机在试验过程中要储存大量的弹性能量，要得到岩石材料的全应力-应变曲线必须使用刚性试验机。
一般刚性试验机性能精密，造价昂贵，目前，国内引进的美国MTS815，MTS816和Terra Tek岩石力学试验测试系统，具备全面准确的行为控制、测试、数据后处理功能。
温度、压力指标均可满足深层岩石力学基础试验的要求。
2.2静态和动态岩石力学参数的关系岩石力学特性参数的静态值和动态值存在着一定的差异，静态弹性模量普遍小于动态弹性模量，而静态泊松比有的大于动态泊松比，有的小于动态泊松比。
根据实际受载情况，岩石的静态力学特性参数更适合工程需要，利用声波法得到的岩石动态力学特性参数不能直接用于工程分析中。
因此，利用现场提供的纵波测井、密度测井、地层压力、部分岩芯等资料，寻找动、静态力学特性参数之间的关系以及静态参数之间的关系有着积极的意义。
文[1]通过我国各主要油田砂泥岩的三轴试验研究发现，静态泊松比随围压增大而增大，岩石的泊松比、弹性模量同所处的深度有关，并提出了岩石泊松比、弹性模量和强度随地层深度、声波速度变化的规律。
2.3分层地应力[2～7]地层间或层内不同岩性岩石的物理特性、力学特性和地层孔隙压力异常等方面的差别，造成了层间或层内地应力分布的非均匀性。
某些地层特别强烈的地应力各向异性对井壁稳定有着非常显著的影响，层间应力差对水力压裂裂缝的扩展也起着重要的约束作用，同时，对定向钻井和防斜打直也有着重要的影响。
第23卷第14期陈勉. 我国深层岩石力学研究及在石油工程中的应用• 2457 •目前，对于分层地应力主要采用以下几类预测模型：单轴应变模式：假设地层在沉积过程中，水平向的变形受到限制，则水平方向的地应力由上覆压力产生，主要包括如下模型：Mattens-Kelly模型，Terzaghi模型，Anderson模型，Newberry模型。
单轴应变模式没有包括构造应力项，适用于弱构造运动地层。
石油大学“六五”模式：假设地下岩层的地应力主要由上覆岩层压力与水平方向的构造应力产生，且水平方向的构造应力与上覆压力成正比，该模式考虑了构造应力的影响，但没有考虑弹性地层和岩性对地应力的影响。
石油大学“七五”模式：在石油大学“六五”模式的基础上，假设地层为匀质各向同性的线弹性体，并假定在沉积后期地质构造运动过程中，地层与地层之间不发生相对位移，所有地层2个水平方向的应变均为常量。
这种模式意味着地应力与地层的弹性模量和泊松比均有关系，此模式可解释砂岩地层比相邻页岩地层有更高地应力的现象。
2.4深部地层断裂韧性的测量与预测[8～10]断裂韧性又称临界应力强度因子，是裂纹体分析中的关键参量，表征了线弹性裂缝尖端场(应力和应变)的奇异性程度，其数值与裂纹体的几何形状和所受载荷一般无关，因而，是物质材料的一个基本属性。
文[8]根据试件加工的严格要求以及可能存在的问题，专门设计了岩石断裂韧性测试岩芯制作加工装置和断裂韧性试验仪。
文[9，10]深入地研究了断裂韧性与其他物理力学参数间的关系。
因为由测井资料可以得到地层密度、声波时差或声波速度以及泥质含量，再根据上述的试验资料统计关系，岩石的断裂韧性就可以通过声波测井资料、密度测井资料以及伽马测井资料计算得到。
3 全尺寸钻井模拟试验装置的建立研究井底岩石在各种压力作用下的物理机械性能，分析不同钻井参数对钻进过程中水力和机械破岩过程、射流场规律及钻进效果的影响，不断提高钻井技术水平，降低钻井成本，一直是世界各国石油行业追求的目标。
自20世纪50年代以来，对于上述的技术和基础理论，各大石油公司主要采用现场实际钻进试验进行研究和认识。
但由于钻进过程的隐蔽性和复杂性，通常，钻井现场试验只能测得多种工艺参数的综合效果，而且，目前井下地层参数还不能随钻直接测定和控制。
因此，现场试验并不是完全理想的、经济的和科学的试验方法。
为此，国外从20世纪60年代开始研制能模拟井底岩石非自然环境和全尺寸钻头钻进过程的高温高压模拟井筒试验装置。