第四章 地层破裂压力试验
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；
浅析地漏
浅析地漏试验目录1. 试验的目的 (3)2. 地层破裂压力的的影响因素 (3)3. 地层破裂压力试验程序 (3)4. 试验结果 (6)参考文献 .......................................... 错误！未定义书签。
致谢 .............................................. 错误！未定义书签。
1. 试验的目的（1）检测固井质量。
（2）获取实际的地层泄漏／破裂压力，以取得准确的破裂压力原始资料，防止下部地层出现喷、漏的情况，同时确定最大许用当量钻井液密度和井控时的最大许用环空关井压力。
2. 地层破裂压力的的影响因素（1）从力学的角度看来，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，也和地层的地应力大小也有关系，一般来说，三个主地应力中最小的地应力对破裂压力影响很大，最小地应力越高，破裂压力越大。
（2）岩性不同，地应力不同。
一般来说，疏松砂岩地层的地应力较低，地层破裂压力较低，易发生破漏；致密的泥岩地层地应力较高，地层的破裂压力高，不易发生破漏。
（3）一般来说，孔隙度大、渗透率高的地层破裂压力低。
但是对于裂缝性地层，虽然孔隙度低，但是渗透率高，它的地层破裂压力依然低。
（4）泥饼质量太好，地层漏失和破裂压力都会变大。
3. 地层破裂压力试验程序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。
具体程序如下：（1）一般钻出套管鞋进入新地层5m。
（下部井段薄弱位置在套管鞋处，随着地层深度增加下部地层压实程度会增强）（2）循环调整钻井液性能，循环两周，要求密度均匀和10min 的静切力尽可能低。
（若静切力大了，会导致开泵泵压增大，地面读数偏大，不能真实反映地层情况）（3）通水，对固井管线试压。
低压300psi/5min，高压2500psi/10 min。
（注意：检查循环系统以确认转喷器及伸缩节处没有泄漏）（4）起钻头进入套管鞋内，关防喷器,打开补偿器。
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
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。
地层破裂压力测定套管鞋试漏法
SY 5430-92 地层破裂压力测定套管鞋试漏法1主题内容与适用范围本标准规定了用套管鞋试漏法确定地层破裂压力的试漏前的准备工作、试漏程序、试漏数据的采集及处理方法。
本标准适用于石油天然气钻井中地层破裂压力的测定。
2试漏前的准备2.1利用预测模式或邻井资料估算试漏层的破裂压力。
2.2根据2.1条估算结果及钻井液密度,选择合适的泵型和井口装置。
2.3井口安装后, 采用封堵器清水试压, 闸板防喷器以下整体试压到额定工作压力, 稳压时间不少于3min, 允许压降不超过0.7～1.0Mpa。
2.4校验立管和环空压力表。
2.5试漏层段应选在套管鞋下第一个3～5m厚的易漏层。
3 2.6调整钻井液性能, 保证均匀稳定, 以满足试漏施工要求。
4试漏程序3.1钻头提至套管鞋以上, 井内灌满钻井液, 关井。
3.2采用从钻具水眼或环空两种方式中的一种向井内泵入钻井液。
裸眼长度在5m以内的选用0.7～1L/s排量, 超过5m的选用2～4L/s排量。
5 3.3为了求取试漏层最小主地应力和岩石抗拉强度数据，地层压裂后应进行停泵和重张压力测量。
6 3.4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中的最小抗内压强度80%时仍未被压裂, 应停止试验。
7试漏数据的采集4.1日期、时间、井号、井深、套管尺寸及下深、地层及岩性、钻井液密度、注入泵型号、缸套直径及冲数。
4.2每间隔20～50L泵入量或每间隔10～20s（泵速恒定）记录一次相应泵压和注入量或时间。
开始时记录点间隔可大些, 后期应加密记录点。
正循环泵入时, 泵压由立管或井口压力表读数千。
环空泵入时由环空压力表读数。
4.3地层压裂后, 停泵1～2min, 每间隔10～20s记录一次泵压。
4.4待泵压相对稳定后, 重新开泵1～2min, 每间隔10～20s记录一次重张压力。
5 试漏数据处理5.1作图a. 若采集的数据是间隔时间和相应泵压, 作成如图1所示的试漏曲线。
地层压力-地层破裂压力-地层坍塌压力预检测
地层破裂压力和坍塌压力预测摘要地层破裂压力和地层坍塌压力是钻井工程设计的重要依据，对确定合理的钻井液密度和其他钻井参数有重要意义。
在参考了一些书籍和相关论文的基础上，对地层破裂压力和坍塌压力的预测方法做出了较为系统的总结。
地层破裂压力的预测主要有H-W模式和H-F模式，包括伊顿法、黄荣樽法、安德森法等；地层坍塌压力的预测主要基于井壁岩石剪切和拉伸破坏的原理。
关键词：破裂压力；坍塌压力；预测第一章前言地层破裂压力是指使地层产生水力裂缝或张开原有裂缝时的井底流体压力。
它是钻井和压裂设计的基础和依据。
如何准确地预测地层破裂压力，对于预防漏、喷、塌、卡等钻井事故的发生及确保油气井压裂增产施工的成功有着重要的意义。
地层坍塌压力是指随着钻井液密度的降低，井眼围岩的剪应力水平不断提高，当超过岩石的抗剪强度时，岩石发生剪切破坏时的临界井眼压力。
它的确定对于确定合理的钻井液密度和钻井设计及施工有重要意义。
地层三项压力研究历史及发展现状：✧八十年代以前，地层孔隙压力以监测为主，地层破裂压力预测处于经验模式阶段，如马修斯-凯利模式、伊顿模式等。
没有地层坍塌压力的概念。
✧八十年代，提出了地层坍塌压力的概念，从理论上对地层三个压力进行了公式推导。
✧九十年代以来，一般根据岩石力学的基本原理由地应力和地层的抗拉强度预测地层的破裂压力，进入实用技术开发阶段。
目前，地层三项压力预测技术已经得到广泛的重视，也从各个方面对其进行了研究和应用：●室内实验研究方法（研究院）●地震层速度法（石大北京）●常规测井资料法（华北钻井所、石大）●页岩比表面积法（Exxon)●人造岩心法(Norway)●岩屑法(Amoco、石油大学）●LWD、SWD法（厂家）●经验模式法（USA)第二章 地层三项压力预测机理2.1 地应力模型1、各向同性模型利用电缆地层测试或压力恢复测试资料，在不考虑构造应力影响情况下，各向同性模型计算水平应力公式为：()p p b x P P P PR PR αασ+-⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=01（2-1） 式中：PR — 泊松比；Pob — 上覆岩层压力；Pp — 孔隙流体压力；α — Biot 常量。
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。
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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