第二節(jié)地層破裂壓力

1、第二節(jié)地層破裂壓力在井下一定深度裸露的地層，承受流體壓力的能力是有限的，當液體壓力達到一定數(shù)值時會使地層破裂，這個液體壓力稱為地層破裂壓力(Fracturepressure)，一般用Pf表示。使用最廣泛的地層破裂壓力預測是Hubbert-Willis模式和Haimson-Fairhurst模式。破裂壓力數(shù)據(jù)應(yīng)用于鉆井、修井、壓裂、試油井下測試等井下工藝技術(shù)，鉆井大多數(shù)是在裸眼中進行的，所以破裂壓力數(shù)據(jù)在鉆井方面尤為重要，它是鉆井之前的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，套管強度計算、鉆井液密度設(shè)計等鉆井工程設(shè)計內(nèi)容的關(guān)鍵參數(shù)，特別是在一個新的區(qū)塊開發(fā)之前，破裂壓力這一數(shù)據(jù)為就重中之重了。它決定著在這一新的區(qū)域內(nèi)的所

2、有鉆井方案是否正確，并能否順利執(zhí)行和能否順利完成。壓裂作業(yè)時，地層破裂力學模型如圖1.1所示。此時，地層裂隙受地應(yīng)力與壓裂液共同作用?？紤]深層水力壓裂主成垂直裂縫，且裂縫穿透整個煤層。地應(yīng)力與壓裂液應(yīng)力的最終有效合應(yīng)力在裂隙壁面上是拉應(yīng)力，當其合成應(yīng)力強度因子K達到臨界值時，裂隙就開始失穩(wěn)延伸。精品地層的破裂壓力對鉆井液密度確定、井身結(jié)構(gòu)和壓裂設(shè)計施工等有著重要的指導作用。從上世紀五六十年代，國內(nèi)外就開始對地層破裂壓力進行了研究，并取得了一系列的成果。H-W模型1957年Hubbert和Willis根據(jù)三軸壓縮試驗首次提出了地層破裂壓力預測模式即H-W模式指出破裂壓力等于最小水平主應(yīng)力加地層孔

3、隙壓力Pp,垂直有效主應(yīng)力等于上覆壓力Pv減Pp最小水平主應(yīng)力在其1/3到1/2范圍內(nèi),預測公式為：Pf11PvPpPp4-632什。式中：Pf地層破裂壓力；Pp地層空隙壓力；i上覆巖層壓力；模型中上覆壓力梯度為1的假設(shè)顯然不符合實際，最小水平主應(yīng)力為1/3到1/2垂直有效主應(yīng)力范圍的假設(shè)通常也帶來偏低的結(jié)果。1967年Matthews和Kelly在H-W模式中引入了骨架應(yīng)力系數(shù)Ki:PfPpKi(Pv-Pp)4-7|地層正常壓實時，Ki反映了地層實際骨架應(yīng)力狀況其值由區(qū)塊內(nèi)已有破裂壓力資料確定，Ki系數(shù)曲線的繪制需要大量實際壓裂資料，限制了此方法的應(yīng)用。1968年P(guān)ennebaker指出上覆

4、壓力梯度是不斷變化的，并將其與地質(zhì)年代聯(lián)系了起來。他根據(jù)聲波時差資料建立了一組上覆壓力梯度與深度的關(guān)系曲線，這是第一次在破裂壓力預測技術(shù)中引入測井手段。Pennebaker將Ki定義為泊松比和時間的函數(shù)，并指出Ki隨深度和地質(zhì)年代的變化而變化。1969年伊頓(Eaton)提出上覆巖層壓力梯度不是常數(shù)而是深度的函數(shù)，可由密度測井曲線求得，并把(4-7)式中的Ki值具體化為u/(1-u)，u為地層的泊松比。提出預測破裂壓力模式為：PfPp(Pv-Pp)4-81-然而這個卩值并不是真正的巖石泊松比它隱含了眾多Eaton未想到的參數(shù)1973年Anderson考慮了井壁應(yīng)力集中的影響引入Biot彈性多孔

5、介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在均勻水平地應(yīng)力的假設(shè)下提出模型：2PfPp(Pv-Pp)4-91-式中為Biot系數(shù)，Terzadhi根據(jù)試驗結(jié)果提出對多數(shù)沉積巖可取=1上式可簡化為:2PfPp(Pv-Pp)4-101-安德森提出用測井資料確定砂巖泥質(zhì)含量和孔隙度并找出它們與巖層泊松比的關(guān)系后才能確定（4-10）式中的u值，而對非砂巖地層的破裂壓力仍無法預測。由于導出（4-10）式時沒有計入地下構(gòu)造應(yīng)力的影響，所以這個預測模式亦不具普遍意義。1982年斯蒂芬（Stephen）提出了再預測破裂壓力的模式中考慮構(gòu)造應(yīng)力的問題，但又做了均勻水平構(gòu)造應(yīng)力的假設(shè)，其預測模式為：PfPp21-(Pv-Pp)4-11式

6、中：均勻構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，可由實測破裂壓力推算。斯蒂芬公式只是伊頓公式的改進，多了一項均勻構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，但是在水平方向均勻構(gòu)造應(yīng)力的假設(shè)是不符合全世界多數(shù)地區(qū)的地應(yīng)力狀況的。斯蒂芬主張用在常壓下測得的動彈模量推算的泊松比值而沒有考慮地下巖層圍壓的作用以及動彈模量和靜彈模量之間的差別所應(yīng)進行的修正。1986年黃蓉樽考慮到一般地應(yīng)力是不均勻的，在三向應(yīng)力的影響下，考慮井眼周圍處于平面應(yīng)力狀態(tài)，利用彈性理論中kursh關(guān)于無限平板中的小圓孔周圍應(yīng)力的解，推導出了地層破裂壓力公式：PfPp21-k(Pv-Pp)St4-12式中：s地層抗拉強度;k=3a-B非均質(zhì)地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)。由于巖石所處的應(yīng)力狀態(tài)對其

7、泊松比有明顯的影響應(yīng)在模擬原地情況的前提下測定巖石的泊松比。H-F模型與H-W模式不同，Haimson與Fairhurst在1967年研究了水力壓裂裂縫的起裂與延伸規(guī)律，他們認為裂縫的產(chǎn)生是由井壁應(yīng)力集中所引起，增大井內(nèi)流體壓力會改變井壁應(yīng)力狀態(tài)，當應(yīng)力超過井壁巖石抗張強度時地層便被壓裂。在儲層均質(zhì)、各向同性和彈性變形的假定下，他們考慮了水平主地應(yīng)力在兩個方向上不相等和壓裂液向地層內(nèi)達西滲流的影響，結(jié)合Biot有效應(yīng)力原理推導破裂壓力預測模型為：Pf4-13是否考慮滲流作用是H-W模式與H-F模式最明顯的區(qū)別。2000年李傳亮根據(jù)多孔介質(zhì)雙重有效應(yīng)力理論，發(fā)展了H-F模式，計算模型為：1-232-1t-PpPf1-4-1411212002年，他又給出了射孔完井條件下的破裂壓力，計算模型：1-233-1t-PpPf4-151121式中c定義為觸點孔隙度，可由鏡下觀察確定也可以用實驗或試驗結(jié)果反求，利用測井資料獲得連續(xù)的巖石力學參數(shù)剖面，再選用適當?shù)哪Ｐ皖A測地層破裂壓力是目前最常用且較精確的方法。然而怎樣獲取連續(xù)的觸點孔隙度參數(shù)剖面還是個尚未解決的問題，它在一定程度上給這類模型的應(yīng)用帶來了不便。2009年，李培超對李傳亮的射孔完井破裂壓力模型進行了修正，引入射孔深度參數(shù)，最終得到垂直井射孔完井破裂壓力計算公式為