地层破裂压力试验
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。
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P p，则有σz＝σz′＋P p (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。
地层破裂试验.
四、试验程序(续)
7.试验的最高极限泵压是固井后的套管抗内压试验 压力。 如果地层泄漏/破裂试验的泵压已达到极限泵压， 地层还没有泄漏/破裂，就终止试验。这时的极限 泵压，就是地层没泄漏/破裂时的最大试验泵压。 地漏试验/破裂试验压力曲线示意图见图11-1
10
四、试验程序(续)
地漏试验/破裂试验压力曲线示意图
（Psi）
XXX 9-5/8 2725 2725 1.16 47＃，BTC,N80, 3000 7.25 3200 3500
井别
XXX 井眼尺寸 井深 井眼垂深 地层压力梯度 套管抗内压强度 套管鞋静压 返回体积 当量密度 试验日期
平台/钻机 26 2728 2728 1.28 9300 3161 4.25 1.97 XXX
7
四、试验程序
试验程序
1. 对套管进行压力试验后，钻出套管浮鞋及新地 层3-5米。 2. 循环与调整钻井液性能，要求密度均匀和10分 钟的静切力尽可能低。 3. 起钻头进入套管鞋内，关环形防喷器。 4. 固井泵向井内注入30桶±泥浆，要求固井泵以 40、80和120升/分的的低泵速循环，记录注入 量及泵压； 5. 固井管线试压到预计使地层破裂的泵压再加 6.89兆帕。 6. 用固井泵以选定的泵速，向钻杆内开始恒定地 泵入，记录泵压、泵入量和时间，并绘制泵压 对泵入量的变化曲线。
6
4. 准备好压力记录纸； 5. 根据作业者做地漏试验的要求，可在泵头 排出端安装合适量程的压力表，便于查看 压力（注意：打紧2”高压由壬头后再装压 力表，拆时，装表时反之。） 6. 通知井队，输送20桶泥浆到固井计量柜， 保持搅拌； 7. 收集数据，如套管数据、套管鞋垂深、井 内泥浆密度，预测地层破裂梯度、破裂压 力等；
地层破裂(漏失)压力试验
四、地层破裂压力试验
数据处理 2、有关参数的计数 地层实际的漏失压力或破裂压力等于地层漏失或破裂时的地面表压加上井内钻井液的静液压力。
2.3、最小水平主地应力 Pmin=PGS+0.00981ρH 式中 Pmin—最小水平主地应力，MPa； PGS—瞬时停泵地面表压，MPa。 2.4、岩石抗拉强度，MPa, St=PGF-PGR 式中： St—试漏层岩石抗拉强度，MPa； PGR—重张时地面表压，MPa。
一、地层破裂压力
地层破裂压力是指某一深度地层发生破碎和裂缝时所能承受的压力。当达到地层破裂压力时，地层原有的裂缝扩大延伸或无裂缝的地层产生裂缝。
一、地层破裂压力
一般情况(遵循压实规律)下，地层破裂压力随着井深的增加而增大。 在钻井时，钻井液柱压力的下限要保持与地层压力相平衡，实现压力控制。而其上限则不能超过地层的破裂压力，以避免压裂地层造成井漏。
五、现场地层漏失压力试验
五、现场地层漏失压力试验
某井试漏时井深1206米，泵排量16.35升∕冲，钻井液密度1.20克∕厘米3
累计泵冲
立压（kPa)
累计泵冲
立压（kPa)
5
836
45
14986
10
2991
50
15015
15
5123
55
15021
20
7264
60
15018
25
9391
试漏前的准备 试漏层段 确定： （SY 5430—92）《地层破裂压力测定套管鞋试漏法 》 试漏层段应选在套管鞋下第一个3～5m厚的易漏层。 井控教科书：当钻至套管鞋以下第一个砂岩层时（或出套管鞋3-5米）， Q/SYCQZ《长庆区域钻井井控实施细则》钻出套管鞋进入地层5 m ～ 15 m， 《长庆油田钻井井控实施细则》钻出套管鞋进入第一个砂层3-5m时
地破压力试验操作程序
地破压力试验操作程序
（1）钻穿水泥塞，钻入套管鞋以下第一个砂层3～5m，充分循环钻井液，使进出口性能趋于一致，然后将钻具上提至套管鞋内。
（2）井内完全灌满钻井液后，停泵关好半封闸板防喷器。
（3）用水泥车低排量(O.8～1.32l／s)由钻杆泵入钻井液。
（4）每泵入20L钻井液，静待2min或一直等压力趋于稳定。
（5）记录泵入钻井液累计量Q与相应的立管压力Pd。
（6）重复4、5步骤直到压力偏离最高压力并逐渐下降趋于平缓，进行瞬时停泵，记录瞬时停泵压力。
（7）当压力达到井口承压设备中的最小额定工作压力或套管承受的压力达到套管最小抗内压强度的80％时仍未被压裂，应停止试验。
（8）将原始数据录入井史，绘制压力Pd—Q曲线，确定出地层漏失压力PL和破裂压力P1。
（9）打开节流阀泄压,打开闸板防喷器。
（10）求出破裂压力的当量钻井液密度。
ρf＝ρm试＋PL/0.0098Hf
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—地层漏失时的井口压力，MPa；
Hf—套管鞋处垂深，m。
程序是可以查标准的，需要注意的以下几点
一是泵的排量一定要小。
2楼说的0.8-1.32完全适合。
二是地层的不同，有些地层做不出来的，脆性地层只做承压试验，应有所区别。
三是最好实现自动化。
试压泵连接打印机，打印初试验曲线。
防止作弊。
第四章 地层破裂压力试验
最大允许关井套压与井内钻井液密度 的关系
地层最大破裂压力MPa
5
M 表示钻井液密度为1.4最大允许 关井套压为5MPa
1.4
最
1、确定最大使用的泥浆密度。 、确定最大使用的泥浆密度。 2、实测地层破裂压力。 、实测地层破裂压力。
Gf =
pf Hf
Gf---地层破裂压力梯度，Mpa。
确定最大允许钻井液密度ρmmax 通常表层套管安全附加压力Sf=0.06g /cm3, 技术套管Sf=0.12g /cm3, 则表层套管以下:ρmmax=ρmf-0.06g /cm3, :ρ 技术套管以下:ρmmax=ρmf-0. 12g /cm3。
图3--13
pf
从图上
确定以下各压力值：
PL---漏失压力，单位为Mpa； Pf---破裂压力，单位为Mpa； 计算有关数值： 计算地层破裂压力Pf。 Pf = PL+0。0098ρmHf 。 ρ 式中 Pf---地层破裂压力，Mpa； PL---漏失压力，Mpa； Hf---套管鞋处垂深，m。 计算地层破裂压力梯度Gf
2）实验步骤 井眼准备---钻开套管鞋以下第一个砂层 后，循环钻井液，使钻井液密度均匀稳定。 上提钻具，关封井器。 以小排量,一般以0.8--1.32L / s的排量缓 慢向井内灌入钻井液。 记录不同时间的注入量和立管压力。 一直注到井内压力不在升高并有下降 (地层已经破裂漏失),停泵,记录数据后,从节 流阀写泄压。 从直角坐标内做出注入量和立管压力的 关系曲线。如图
地层破裂压力实验图说明
地层破裂压力试验方法一、地层破裂（漏失）压力概念二、确定地层破裂压力的方法三、地层试漏曲线分析四、地层破裂（漏失）压力计算五、地层破裂（漏失）压力试验目标一、了解地层破裂（漏失）压力概念，会分析地层试漏曲线。
二、掌握地层破裂（漏失）压力试验方法及步骤及曲线绘制。
三、掌握地层破裂（漏失）压力及允许关井套压计算方法。
地层破裂压力是指某一深度地层发生破碎和裂缝时所能承受的压力。
当达到地层破裂压力时，地层原有的裂缝扩大延伸或无裂缝的地层产生裂缝。
一、地层破裂压力一般情况(遵循压实规律)下，地层破裂压力随着井深的增加而增大。
在钻井时，钻井液柱压力的下限要保持与地层压力相平衡，实现压力控制。
而其上限则不能超过地层的破裂压力，以避免压裂地层造成井漏。
一、地层破裂压力地层漏失压力是指某一深度的地层产生钻井液漏失时的压力。
对于正常压力的高渗透性砂岩、裂缝性地层以及断层破碎带处，往往地层漏失压力比破裂压力小得多，而且对钻井安全作业危害很大。
一、地层漏失压力习惯上以地层漏失压力作为确定井控作业的关井压力依据。
这样更加趋于安全。
一、地层漏失压力1、预测法——应用经验公式预测地层破裂压力，作为钻井设计的依据。
2、验证法——在下套管固井后，必须进行试漏试验，以验证预测的破裂压力。
二、确定地层破裂（漏失）压力的方法在做地层破裂压力试验时，在套管鞋以上钻井液的静液压力和地面回压的共同作用下，使地层发生破裂而漏失1、漏失压力（PL）从图中可以看到：一开始，立压变化几乎与注入量成一直线关系，这说明井下尚无漏失现象。
但从L点发生转折，试验曲线偏离直线，呈曲线变化，但压力继续上升。
表明此时地层的骨架颗粒开始分离，但未形成裂缝，钻井液开始漏失（但漏速小于注入量）。
试验曲线偏离直线的点，是地层开始漏失的点，这时地层所承受的压力称为地层漏失压力。
三、典型试漏曲线分析2、破裂压力（PF）从图中可以看到：从L点发生转折后，呈曲线变化，但压力仍继续上升，至最大峰值F点后下降，这时地层破裂，形成裂缝，钻井液向裂缝中漏失（漏速大于注入量），其后压力将下降。
地层破裂压力预测技术综述
指 出Ｋ 随 深 度 和 地 质 年 代 的 变 化 而 变 化 。 ，
１ 破 裂 压 力 预 测 技 术 发展 现 状
为 准确 地 预测 地 层破 裂 压 力 ， 内外 学 者提 出 周 了许 多不 同 的数 学模 型 和方 法 ． 们都 各 有 其优 点 它 和 局 限性 。在 破 裂压 力 预测模 型 中 ， 用最 广 泛 的 使
越 深 ， 虑 因 素 越Байду номын сангаас多 ， Ａ 拆 解 越 科 学 ， 模 型 预 考 对 项 则
开 原 有 裂 缝 时 的 井 底 流 体 压 力 ． 是 钻 井 和 压 裂 设 它
地层 正 常 压 实 时 ， 映 了地 层 实 际 骨架 应 力 Ｋ反 状况 ， 其值 由区块 内已有破 裂压力 资料 确定 。 系 数
计 的基 础和 依 据 。如何 准 确地 预 测地 层 破 裂压 力 ， 对 于预 防漏 、 、 、 等钻 井 事故 的发生 及 确保 油 喷 塌 卡
Ｈ － ｖ 由此 得 ： Ｏ ， 此 僭 ： ＝１ － ＂田 一 ，
垂直 有 效主 应 力 等于 上覆 压 力 减 ． 小水 平 ， 最
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主 在 到÷范围 预 式为： 应力 其 １ 内， 测公
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绘 制 了 它 与 深 度 的关 系 曲 线 。 Ｅ ｔ 指 出 ， 同 地 区 ａｏ ｎ 不
／ １
１ 、
地层破裂压力计算方法研究进展及应用
DOI：10.16660/ki.1674-098X.2004-9912-2780地层破裂压力计算方法研究进展及应用张广权 王丹丹(中国石化勘探开发研究院 北京 100083)摘 要：地层破裂压力预测不仅是钻井工程设计的基础，更是油气田经济高效开发的保障。
影响破裂压力的因素较多，与地层岩石弹性性质、孔隙压力、裂缝发育状况以及地应力等因素有关。
国内外在该参数的计算方面研究较多，很多研究人员提出了很多不同的计算方法，并且大量应用于现场实践中。
国外具有代表性的两种模式为Hubbert-Willis模式和Haimson-Fairhurst模式、三种计算方法包括伊顿法、史蒂芬法、安德森法。
国内主要有以黄荣樽为代表的一系列学者，通过改进模型、增加参数，建立了适合我国复杂地区的计算方法。
经过大量的实践和应用表明，地层破裂压力的预测在钻井工程和储气库评价和建设过程中起着极其重要的作用，是一个非常重要、不能忽视的参数。
关键词：地层破裂压力 孔隙压力 地应力 储气库 钻井工程中图分类号：TE142 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2020)08(b)-0024-05 Research Progress and Application of Calculation Method ofFormation Fracture PressureZHANG Guangquan WANG Dandan(Sinopec Petroleum Explorastion and Production Research Institute, Beijing, 100083 China) Abstract: Prediction of formation fracture pressure is not only the basis of drilling engineering design, but also the guarantee of economic and efficient development of oil and gas fields. There are many factors that affect the fracture pressure. It is related to the elastic property of rock, pore pressure, fracture development and in-situ stress. In terms of calculation methods of formation rupture pressure, many domestic and foreign scholars have proposed calculation methods, and they are widely used in field practice. During which, there are two representative models abroad: Hubbert-Willis model and Haimson-Fairhurst model, and three representative calculation methods, including Eaton method, Stephen method, and Anderson method. By improving the model and adding parameters, a series of domestic scholars, represented by Huang Rongzun, have established a calculation method suitable for China’s complex areas. A large number of practices and applications have shown that the prediction of formation fracture pressure plays an extremely important role in the evaluation and construction of drilling engineering and gas storage, and is a very important parameter that cannot be ignored.Key Words: Fracture pressure; Pore pressure; Geostress; Gas storage; Drilling engineering地层破裂压力在油田开发过程中应用越来越广泛，该参数在油田上应用较为广泛，多应用于钻井、压裂、试油等工艺技术，以及在地下储气库选址、建设过程中，该参数尤为重要，关系到储气库能否安全平稳运行。
第二节地层破裂压力
第二节 地层破裂压力在井下一定深度裸露的地层，承受流体压力的能力是有限的，当液体压力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压力（Fracture pressure ），一般用f p 表示。
使用最广泛的地层破裂压力预测是Hubbert-Willis 模式和Haimson-Fairhurst 模式。
破裂压力数据应用于钻井、修井、压裂、试油井下测试等井下工艺技术，钻井大多数是在裸眼中进行的，所以破裂压力数据在钻井方面尤为重要，它是钻井之前的井身结构设计，套管强度计算、钻井液密度设计等钻井工程设计内容的关键参数，特别是在一个新的区块开发之前，破裂压力这一数据为就重中之重了。
它决定着在这一新的区域内的所有钻井方案是否正确，并能否顺利执行和能否顺利完成。
压裂作业时，地层破裂力学模型如图所示。
此时，地层裂隙受地应力与压裂液共同作用。
考虑深层水力压裂主成垂直裂缝，且裂缝穿透整个煤层。
地应力与压裂液应力的最终有效合应力在裂隙壁面上是拉应力，当其合成应力强度因子K 达到临界值时，裂隙就开始失稳延伸。
地层的破裂压力对钻井液密度确定、井身结构和压裂设计施工等有着重要的指导作用。
从上世纪五六十年代，国内外就开始对地层破裂压力进行了研究，并取得了一系列的成果。
H-W 模型1957年Hubbert 和Willis 根据三轴压缩试验首次提出了地层破裂压力预测模式即H-W 模式指出破裂压力等于最小水平主应力加地层孔隙压力P p ,垂直有效主应力等于上覆压力P v 减P p 最小水平主应力在其1/3到1/2范围内,预测公式为:式中：f P — 地层破裂压力；p P — 地层空隙压力；v P — 上覆岩层压力；模型中上覆压力梯度为1的假设显然不符合实际,最小水平主应力为1/3到1/2垂直有效主应力范围的假设通常也带来偏低的结果。
1967年Matthews 和Kelly 在H-W 模式中引入了骨架应力系数i K ：）（p v i p f P -P K P P += 4-7 地层正常压实时，i K 反映了地层实际骨架应力状况其值由区块内已有破裂压力资料确定，i K 系数曲线的绘制需要大量实际压裂资料，限制了此方法的应用。
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地层破裂压力试验
一、作业应具备的条件
1.凡是下入各层技套后的探井及设计有要求的井，都要做地层破裂压力试验。
2.做地层压力破裂试验前，整套井控设备必须安装完备并试压合格。
3.钻井整套设备运行良好、试压泵（建议用一台水泥车，能够准确记录泵入钻井液的量）能正常工作、及各种仪表灵敏、能准确读数。
4.各岗位人员全部到位，分工明确，联络通畅，配合熟练，为收集且记录好准确、齐全的数据做充分的准备。
二、设备和工具的检查
1．检查所有有关的压力表要完好。
2．检查所有的阀门完好、灵活、不刺不漏。
3.闸门组各闸门开关灵活，不刺不漏。
4.检查远程控制台、司钻控制台，保证工作正常，液控管线不刺
不漏。
5.试压泵（水泥车）性能良好，管线畅通、联接正确。
三、地层破裂压力试验步骤
1.钻穿水泥塞钻开试压地层。
一般钻新井眼3～5m或套管鞋以下第
一个砂岩层，如果没有砂层，最多钻10m新井眼。
2.循环钻井液清洗井眼，将井内钻井液循环均匀后，测量井内钻井
液密度且作好记录。
3.上提钻具使钻头进入套管内关防喷器。
4.用较小排量（0.66～1.32L/S）向井内注入钻井液。
5.计算上顶力（注压时，一定要使上顶力小于井内钻具在钻井液中的重量，否则闸板防喷器的闸板必须封在靠近钻杆公接头处，防止钻具上行）。
6记录各个时间的泵入量和相对应的立管压力值。
7做出液压试验曲线
（以***队承钻的****井地层破裂压力试验为例）
1、组合下钻探到水泥塞面后，钻穿水泥塞后钻进新地层5米，井深1806米处，随后循环泥浆，将井筒清洗干净。
（泥浆循环均匀后测量泥浆性能，此时泥浆密度为1.18g/cm3）
2、起出一立柱，钻头提至套管鞋以内（套管下深1800.82米），接上方钻杆，关半封闸板防喷器，注意绞车刹死，闸板一定要错开钻杆接头处。
3、用试压泵以小排量往井里注入钻井液。
4、记录不同时间的注入量和套管压力。
（用试压泵注压是接在压井管汇上，立管压力与套管压力有滞后效应，如果是正注压就记录立管压力）。
5、重复第4步，没有漏失前立压值应和累计泵入量成线性正比关系，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。
6、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G f、最大允许关井套压[Pa]。
四、计算地层破裂压力
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*9.9/1800.82=1.741g/cm3
地层破裂压力=0.0098*1.18*1800.82+9.9=30.725MPa
最大允许关井套压=30.725-1.18 *0.0098*1800.82=9.9MPa
五、注意事项
1、试验层位应选在钻出套管鞋进入第一个砂层3~5m 时；
2、压力要求应满足：试验最高压力不得高于井口设备的额定工作压力和套管最小抗内压强度的80%；
3、试验前应确保井内灌满钻井液，缩短试验的时间；排量选用0.66~1.32l/s 的小排量；
4、最好使用专用的试压车，能记录时间、泵压、泵入量，后期能直接出图。
5、要读出破裂压力值、裂缝延伸压力、瞬时停泵开始压力、停泵后压力下降的拐点、重新开泵后的裂缝重张压力、裂缝延伸压力等各项数据。