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Pp，则有
σz＝σ
式中，σz′＋Pp (4-2) 。它表示扣除孔隙压力的影响后，直接作用在岩层骨架颗粒z′称为“有效上覆岩层压力”
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,MPa
Pp—孔隙压力,MPa
μ—地层的泊松比，0
μ／（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。因此仍属于水平向地应力状态。其应力可表达为：
бx′＝бy′＝［ξ＋μ／（1－μ）］бz′ (4-6)
式中:ξ－均匀地质构造应力系数。
根据各地对地应力测试的结果，上述两种情况是比较少见的。
(3)最普遍的情况是，构造应力在两个水平主方向上是不相等的。有两种情况，一种是:
бx′>бy′≧бz′ (4-7)
这意味着水压裂缝是水平的。而对我国的大多数油田，地应力的实测表明是另一种情况：
бx′>бz′>бy′ （4－8）
也就是说，最大和最小地应力都是作用在水平方向上。而垂直的有效上覆岩层压力为中间值，对于这种应力状态，地层的水压裂缝的形态为垂直的。
可以将水平向的两个主应力表达为：
бx′＝［α＋μ／（1－μ）］бz′
бy′＝［β＋μ／（1－μ）］бz′ （4－7）
бz′＝бz－Pp
式中：α和β称为水平方向的两个构造应力系数。
目前对于地层破裂的起因有两种基本不同的看法：
一种观点认为地下岩层充满着层理，节理和裂缝，井内流体压力只是沿着这些破裂面侵入，使其张开。因此，使裂缝张开的流体压力只需克服垂直于裂缝面的地应力。
另一种观点则认为地层的破裂取决于井壁上的应力集中现象。增大井内的流体压力会改变井壁上的应力状态，此应力超过井壁岩石强度时，地层便被压裂。但是井壁上的应力是和地应力密切相关的，地层的破裂压力和所产生的裂缝的方向都受到地应力的影响和控制。
不论哪种观点，对于确定地层破裂压力来说，地应力都是极为重要的。因此，我们在讨论地层破裂压力时，必须了解油田构造地下的应力分布情况。
三、地层破裂压力的预测方法
迄今为止，国内外预测地层破裂压力的模式有很多种，我们在这里只给大家介绍具有代表性的三种方法。
1、伊顿法
这个方法在美国海湾地区应用比较广泛。它是在哈伯特和维利斯理论的基础上发展起来的。它坚持第一种观点。
故水平均匀地应力的值为μ*бz′／（1－μ），张开垂直裂缝的有效流体压力应为：
Pf－Pp=μ*бz′／（1－μ） （4－8）
于是 Pf＝Pp＋μ*бz′／（1－μ） （4－9）
或 Pf＝Pp＋μ*（бz－Pp）／（1－μ） （4－10）
上式中μ是在假设上覆岩层压力梯度为0.0231Mpa/m的基础上，通过现场测试所得的地层破裂数据代入上式进行反算得到的。然后作出这一地区μ随井深变化的曲线。伊顿公式运用起来比较简单，但它只是比较适用于象墨西哥湾这样的地层沉积较新，受构造运动影响小的连续沉积盆地，而对于地层年代较老，构造运动影响大的区域，其预测效果欠佳。
2、史蒂芬法
裂缝所需的流体压力，这个压力等于垂直裂缝面的水平地应力。当存在水平构造应力时，水平地应力可表达为：
бx′＝бy′＝бH′=［ξ＋μ／（1－μ）］бz′（4－11）
于是，张开垂直裂缝所需的有效流体压力应为：
Pf＝Pp＋［ξ＋μ／（1－μ）］бz′ （4－12）
或 Pf＝Pp＋［ξ＋μ／（1－μ）］*（бz－Pp） （4－13）
在实验室里可用声波法测得动态泊松比，而上述公式中的μ均为静泊松比，前者要比后者偏高，因此直接用实验数据计算地层破裂压力也有一定的误差。式中的均匀构造应力系数也可用实测破裂压力数据进行反算。
3、黄荣樽法
我国石油大学黄荣樽教授经过研究，提出了一种新的破裂压力预测方法，这个方法与上述两种不同。主张地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的，而且考虑了地下实际存在的非均匀的地应力场的作用。因为这是反映不同油田断块具有不同地层破裂压力的重要原因，在新方法中还考虑了地层本身强度的影响。
通过计算导出破裂压力的表达式为：
Pf=[2μ/(1-μ)-K]( бz－Pp)+Pp+St （4－14）
式中 K=α－3β，称为非均匀的地质构造应力系数；
α、β—水平两个主方向的构造应力系数
St—岩石的抗拉伸强度
Pf、St、μ都可以通过实验室试验和现场地层破裂压力试验获得，将它们代入上式即可求出构造应
力系数K。再结合有关公式还可计算出α、β。
上述理论预测方法均有一定的局限性，即使条件合适，计算值与实际值之间还有误差。用液压试验法求地层破裂压力值，则较为可靠。
三、实测地层破裂压力的方法：地层破裂压力试验（漏失试验）法
1、试验目的
（1）检查注水泥作业的质量。每层套管注完水泥并钻掉水泥塞后，再钻1米新井眼，进行液压试验，检查套管鞋处水泥封闭质量。
（2）实测地层破裂压力。钻至套管鞋以下第一个砂层即可进行液压试验。因为砂岩层的破裂压力梯度值一般较页岩层小。液压试验时，套管鞋处地层所受静液压力梯度比其下部其它地层为大，而套管鞋处地层压实程度一般又较其下部地层差，容易被压漏。故以套管鞋以下第一个砂层为试压地层。
2、液压试验步骤和方法
（1） 井眼准备：钻开套管鞋以下第一个砂层后，循环调整钻井液性能（尤其是试验密度），使钻
井液密度均匀稳定。一般钻3～5米，最多不超过10米新井眼。
（2） 将钻头提至套管鞋内，关封井器（一般关半封闸板防喷器）。
（3） 缓慢启动泵，以小排量0.8～1.32L/S向井内泵入钻井液（用水泥车或柱塞泵），如排量过大，地层可能突然断裂，钻井液很快漏失，难以确定漏失压力。
（4） 准确记录不同时间的泵入量和立管压力。当井内压力不再升高并有下降时，停泵，记录数据后，从节流阀泄压。
（5） 在直角坐标系中作出立管压力与泵入量的试验曲线；如果泵速不变，也可作出立管压力和泵入时间的关系曲线。
（6） 如图1-4-2所示，从图上确定各个压力值。漏失压力PＬ，即开始偏离直线的点所对应的压
力值，此点之后的压力仍然上升；破裂压力PＲ，即压力最大值之点，此点之后压力下降；传播压力Pｒｏ，即压力趋于平缓之点。我们以漏失压力来计算地层的破裂压力。
（7） 地层破裂压力当量密度（ρf）的计算
ρf＝ρm试+PL/0.0098Hf （4—15）
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。
（８）确定最大允许钻井液密度ρｍｍａｘ。考虑安全附加压力，实际允许的最大钻井液密度应小于地
层破裂压力当量钻井液密度。通常表层套管取安全附加压力Sｆ＝0.06 g／cm3，技术套管Sｆ＝0.12 g／cm3，则：
表层套管以下：ρ
技术套管以下：ρ
ｍｍａｘ＝ρf－0.06，g／cm3 ＝ρf－0.12，g／cm3 ｍｍａｘ