地層破裂壓力.doc

第四節(jié) 地層破裂壓力一、地層破裂壓力的重要性為了合理進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（套管層次、下入深度）和制定鉆井施工措施，除了掌握地層壓力梯度剖面外，還應(yīng)了解不同深度處地層的破裂壓力。在鉆井中，合理的鉆井液密度不僅要略大于地層壓力，還應(yīng)小于地層破裂壓力，這樣才能有效地保護(hù)油氣層，使高低壓油氣層不受鉆井液損害，避免產(chǎn)生漏、噴、塌、卡等井下復(fù)雜情況，為全井順利鉆進(jìn)創(chuàng)造條件，以獲得高速、低成本、安全高效鉆井。地層破裂壓力還是確定關(guān)井極限套壓的重要依據(jù)之一。二、影響地層破裂壓力的主要因素地層的破裂壓力首先取決于其自身的特性。這些特性主要包括地層中天然裂縫的發(fā)育情況，他的強(qiáng)度（主要是抗拉伸強(qiáng)度）及其彈性常數(shù)（主要是泊松比）的大小。地層中孔隙壓力的大小也對其破裂壓力有很大的影響。一般來說，地層的孔隙壓力越大，其破裂壓力也越高。從力學(xué)角度看來，地層的破裂是地層受力作用的結(jié)果，除了流體壓力的作用外，也和地層中存在的地應(yīng)力大小有很大的關(guān)系。在地下埋藏著的巖層中，由于受其上方覆蓋巖層的重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，作用著地應(yīng)力。這種地應(yīng)力在不同的地區(qū)和不同的油田構(gòu)造斷塊里是不同的。通常，三個(gè)主方向上的地應(yīng)力是不相等(如圖1-4-1)。即有： xyz (4-1)1、上覆巖層壓力圖中z表示上覆巖層壓力（有時(shí)也用P0表示）,它是由深度H以上巖層的重力產(chǎn)生的。如果地層孔隙壓力是Pp，則有 zzPp (4-2)式中，z稱為“有效上覆巖層壓力”。它表示扣除孔隙壓力的影響后，直接作用在巖層骨架顆粒上的應(yīng)力。也稱為骨架應(yīng)力。2、水平地應(yīng)力根據(jù)該地區(qū)有無受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的形態(tài)，可將水平地應(yīng)力分為三種情況。(1)未受到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)過的沉積較新的連續(xù)沉積盆地，屬于水平均勻地應(yīng)力狀態(tài)。其水平地應(yīng)力只來源于上覆巖層的重力作用。設(shè)地下巖層為各向同性，均質(zhì)的彈性體，則根據(jù)地層在水平方向上的應(yīng)變受到約束的條件可以導(dǎo)出：x=y=*z（1） (4-3)式中：x、y水平方向的兩個(gè)有效的主地應(yīng)力，且有xxPp (4-4) yyPp (4-5)式中：z有效地上覆巖層壓力,MPaPp孔隙壓力,MPa地層的泊松比，0x=y(2)受到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，但構(gòu)造力在水平各個(gè)方向上均相同。因此仍屬于水平向地應(yīng)力狀態(tài)。其應(yīng)力可表達(dá)為：xy（1）z (4-6)式中:均勻地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。根據(jù)各地對地應(yīng)力測試的結(jié)果，上述兩種情況是比較少見的。(3)最普遍的情況是，構(gòu)造應(yīng)力在兩個(gè)水平主方向上是不相等的。有兩種情況，一種是: xyz (4-7)這意味著水壓裂縫是水平的。而對我國的大多數(shù)油田，地應(yīng)力的實(shí)測表明是另一種情況：xzy （48）也就是說，最大和最小地應(yīng)力都是作用在水平方向上。而垂直的有效上覆巖層壓力為中間值，對于這種應(yīng)力狀態(tài)，地層的水壓裂縫的形態(tài)為垂直的?？梢詫⑺较虻膬蓚€(gè)主應(yīng)力表達(dá)為：x（1）zy（1）z（47） zzPp式中：和稱為水平方向的兩個(gè)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。目前對于地層破裂的起因有兩種基本不同的看法：一種觀點(diǎn)認(rèn)為地下巖層充滿著層理，節(jié)理和裂縫，井內(nèi)流體壓力只是沿著這些破裂面侵入，使其張開。因此，使裂縫張開的流體壓力只需克服垂直于裂縫面的地應(yīng)力。另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為地層的破裂取決于井壁上的應(yīng)力集中現(xiàn)象。增大井內(nèi)的流體壓力會(huì)改變井壁上的應(yīng)力狀態(tài)，此應(yīng)力超過井壁巖石強(qiáng)度時(shí)，地層便被壓裂。但是井壁上的應(yīng)力是和地應(yīng)力密切相關(guān)的，地層的破裂壓力和所產(chǎn)生的裂縫的方向都受到地應(yīng)力的影響和控制。不論哪種觀點(diǎn)，對于確定地層破裂壓力來說，地應(yīng)力都是極為重要的。因此，我們在討論地層破裂壓力時(shí)，必須了解油田構(gòu)造地下的應(yīng)力分布情況。三、地層破裂壓力的預(yù)測方法迄今為止，國內(nèi)外預(yù)測地層破裂壓力的模式有很多種，我們在這里只給大家介紹具有代表性的三種方法。1、伊頓法這個(gè)方法在美國海灣地區(qū)應(yīng)用比較廣泛。它是在哈伯特和維利斯理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它堅(jiān)持第一種觀點(diǎn)。故水平均勻地應(yīng)力的值為*z（1），張開垂直裂縫的有效流體壓力應(yīng)為：PfPp=*z（1） （48）于是 PfPp*z（1） （49）或 PfPp*（zPp）（1） （410）上式中是在假設(shè)上覆巖層壓力梯度為0.0231Mpa/m的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場測試所得的地層破裂數(shù)據(jù)代入上式進(jìn)行反算得到的。然后作出這一地區(qū)隨井深變化的曲線。伊頓公式運(yùn)用起來比較簡單，但它只是比較適用于象墨西哥灣這樣的地層沉積較新，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響小的連續(xù)沉積盆地，而對于地層年代較老，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響大的區(qū)域，其預(yù)測效果欠佳。2、史蒂芬法水平均勻構(gòu)造地應(yīng)力的設(shè)想是史蒂芬提出的。但他和伊頓一樣也認(rèn)為破裂壓力只是張開地層中已有裂縫所需的流體壓力，這個(gè)壓力等于垂直裂縫面的水平地應(yīng)力。當(dāng)存在水平構(gòu)造應(yīng)力時(shí)，水平地應(yīng)力可表達(dá)為：xyH=（1）z（411）于是，張開垂直裂縫所需的有效流體壓力應(yīng)為：PfPp（1）z （412）或 PfPp（1）*（zPp） （413）在實(shí)驗(yàn)室里可用聲波法測得動(dòng)態(tài)泊松比，而上述公式中的均為靜泊松比，前者要比后者偏高，因此直接用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地層破裂壓力也有一定的誤差。式中的均勻構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)也可用實(shí)測破裂壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行反算。3、黃榮樽法我國石油大學(xué)黃榮樽教授經(jīng)過研究，提出了一種新的破裂壓力預(yù)測方法，這個(gè)方法與上述兩種不同。主張地層的破裂是由井壁上的應(yīng)力狀態(tài)決定的，而且考慮了地下實(shí)際存在的非均勻的地應(yīng)力場的作用。因?yàn)檫@是反映不同油田斷塊具有不同地層破裂壓力的重要原因，在新方法中還考慮了地層本身強(qiáng)度的影響。通過計(jì)算導(dǎo)出破裂壓力的表達(dá)式為：Pf=2/(1-)-K( zPp)+Pp+St （414）式中 K=3，稱為非均勻的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；、水平兩個(gè)主方向的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)St巖石的抗拉伸強(qiáng)度Pf、St、都可以通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場地層破裂壓力試驗(yàn)獲得，將它們代入上式即可求出構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)K。再結(jié)合有關(guān)公式還可計(jì)算出、。上述理論預(yù)測方法均有一定的局限性，即使條件合適，計(jì)算值與實(shí)際值之間還有誤差。用液壓試驗(yàn)法求地層破裂壓力值，則較為可靠。三、實(shí)測地層破裂壓力的方法：地層破裂壓力試驗(yàn)（漏失試驗(yàn)）法1、試驗(yàn)?zāi)康模?）檢查注水泥作業(yè)的質(zhì)量。每層套管注完水泥并鉆掉水泥塞后，再鉆1米新井眼，進(jìn)行液壓試驗(yàn)，檢查套管鞋處水泥封閉質(zhì)量。（2）實(shí)測地層破裂壓力。鉆至套管鞋以下第一個(gè)砂層即可進(jìn)行液壓試驗(yàn)。因?yàn)樯皫r層的破裂壓力梯度值一般較頁巖層小。液壓試驗(yàn)時(shí)，套管鞋處地層所受靜液壓力梯度比其下部其它地層為大，而套管鞋處地層壓實(shí)程度一般又較其下部地層差，容易被壓漏。故以套管鞋以下第一個(gè)砂層為試壓地層。2、液壓試驗(yàn)步驟和方法（1） 井眼準(zhǔn)備：鉆開套管鞋以下第一個(gè)砂層后，循環(huán)調(diào)整鉆井液性能（尤其是試驗(yàn)密度），使鉆井液密度均勻穩(wěn)定。一般鉆35米，最多不超過10米新井眼。（2） 將鉆頭提至套管鞋內(nèi)，關(guān)封井器（一般關(guān)半封閘板防噴器）。（3） 緩慢啟動(dòng)泵，以小排量0.81.32L/S向井內(nèi)泵入鉆井液（用水泥車或柱塞泵），如排量過大，地層可能突然斷裂，鉆井液很快漏失，難以確定漏失壓力。（4） 準(zhǔn)確記錄不同時(shí)間的泵入量和立管壓力。當(dāng)井內(nèi)壓力不再升高并有下降時(shí)，停泵，記錄數(shù)據(jù)后，從節(jié)流閥泄壓。（5） 在直角坐標(biāo)系中作出立管壓力與泵入量的試驗(yàn)曲線；如果泵速不變，也可作出立管壓力和泵入時(shí)間的關(guān)系曲線。（6） 如圖1-4-2所示，從圖上確定各個(gè)壓力值。漏失壓力P，即開始偏離直線的點(diǎn)所對應(yīng)的壓力值，此點(diǎn)之后的壓力仍然上升；破裂壓力P，即壓力最大值之點(diǎn)，此點(diǎn)之后壓力下降；傳播壓力P，即壓力趨于平緩之點(diǎn)。我們以漏失壓力來計(jì)算地層的破裂壓力。（7） 地層破裂壓力當(dāng)量密度（f）的計(jì)算fm試+PL/0.0098Hf （415）式中: f破裂壓力當(dāng)量密度，gcm3； m試試驗(yàn)所用的