地层破裂压力计算

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本文摘要：（由ai生成）

地层破裂压力是钻井液密度选择的关键，决定了压裂液密度。预测模型考虑地层压力、有效应力等因素。实测可通过漏失试验法，结合密度测井数据确定最大、最小水平主地应力。计算与可视化操作简便，常用工具提供操作界面。漏失试验、DFIT和步进速率测试有助于确定破裂压力和裂缝闭合压力，对石油工程至关重要。

什么是地层破裂压力？

在井下一定深度出露的地层，承受流体压力的能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。

地层破裂压力是井身结构设计的重要参数，是钻井液密度选择的上限。钻井时采用的钻井液密度如果超过破裂压力当量密度（=破裂压力/(gh)），地层将会被压裂，导致钻井液漏失。

地层破裂压力是压裂设计的重要参数，是压裂液密度选择的下限。压裂时，只有当压裂液密度大于地层破裂压力当量密度时，地层才会被压裂。

常用地层破裂压力预测模型有哪些？

地层破裂压力计算模块提供了以下模型：

（1）休伯特和威利斯（Hubbert & Willis）模型

由休伯特和威利斯最早在SPE会议上提出，他们认为地层破裂压力等于地层压力加上地层有效应力的三分之一到二分之一，公式简单有效。

（2）马修斯和凯利（Mathews & Kelly）模型

考虑了系数在不同地区上的差异性，可能会超出三分之一到二分之一的范畴。

（3）伊顿（Eaton）模型

有一定的理论背景，基于弹性力学理论，考虑了水平最小主应力与上覆岩层压力间的关系，引入了拟泊松比表达式作为系数。

（4）黄荣樽模型

石油大学黄荣樽教授提出，考虑了三个主应力的影响，引入构造应力系数。同时，也考虑了岩石的抗拉强度。

地层破裂压力计算与可视化操作步骤：

地层破裂压力云计算与可视化模块提供了常用破裂压力计算工具，操作界面如下图所示：

具体操作步骤如下：

（1）选择计算方法

从左下角的选择框内，选取用户所采用的计算方法，不同计算方法对应的输入参数略有差异。

点击“计算方法选择”可以选择如下图中所示的四种算法，右侧两栏内可输入相应的K值及St值。其中K值为构造应力系数，St值为破裂地层的岩石抗拉强度。选择伊顿法、休伯特和威利斯法时不需要输入其他值；选择马修斯和凯利法时只需要输入K值；选择黄荣樽法时需要同时输入K值和St值。

（2）数据导入

点击“导入数据”，导入计算所需测井数据文件（CSV格式，可从Excel文件另存为CSV逗号分隔文件）。数据文件根据页面所显示的顺序排列，以下图为例，第一列是垂深，第二列是上覆岩层压力，第三列是地层压力，第四列是泊松比（注：不同方法输入要求略有不同）。

数据导入后会依次显示在列表中，用户可以点击“+”查看。

（3）计算结果可视化

点击“计算”，可以得到计算结果及数据图示。以伊顿法为例，结果图示中包含了输入的上覆岩层压力、地层压力、泊松比以及计算所得的地层破裂压力四条数据曲线。

（4）结果数据导出

点击“导出数据”，可将计算获得的结果文件（CSV格式，Excel文件另存为CSV逗号分隔）下载至本地。导出的文件中共有五列数据，分别为垂深、上覆岩层压力、地层压力、泊松比及地层破裂压力。

地层破裂压力怎么测？

可以通过漏失试验法（地破试验）实测地层破裂压力。排量泵入钻井液，开始立管压力与泵入量呈线性关系，说明地层完好。当泵入量达到一定数值（PL）时，曲线由线性关系变成非线性关系，地层产生微裂缝，这一转换点是地层漏失压力对应的点。再继续增大泵入量，曲线达到顶点（Pf），地层破裂，产生大的压裂裂缝并逐渐扩展，钻井液大量进入裂缝中，立管压力下降，该点是地层破裂压力所对应的点。由于曲线中是地面的立管压力，换算成当量密度后，还需要加上钻井液密度，才等于地层漏失压力或者地层破裂压力，公式见下图。可以理解为，地层漏失压力或地层破裂压力等于地面表压（立管压力）加上钻井液液柱压力。

上覆地层压力可以由密度测井数据求得。通过破裂压力试验测得地层的破裂压力pFBP、裂缝闭合压力pFCP和裂缝重张压力pRP，结合地层孔隙压力的测定，即可以确定出地层某深处的最大、最小水平主地应力：

破裂压力

之前，我们应用固体力学来确定岩石在水平方向上的应力状况。那么，知道岩石上的应力如何告诉我们地层将如何破裂?我们又要回到固体力学。记住这句话:裂缝将垂直于最小主应力。如果你很难理解这是什么意思，请参考下图，然后我想你会明白的:

岩石预计会垂直破裂。为什么?因为在大多数情况下总水平应力是最小的主应力，即(σx < σz)。当然，如果总垂直应力小于总水平应力，就会发生水平断裂。然而，这是非常罕见的。在浅层地层(< 1500英尺)偶尔也会出现水平裂缝，但在浅层钻井的数量并不多，因此它的重要性不高。如果你还在为这个概念而挣扎，想象自己正处于一块岩石元素的中心，试图逃离它的内部。向各个方向推。哪个方向最容易推开石头?你能从哪条路出去?如果你正确回答了这些问题，你就会明白为什么岩石会垂直于最小主应力而断裂。

那么我们如何预测破裂压力呢?现在我们知道如何计算孔隙压力，上覆应力，有效应力和水平应力，这应该是简单的。地层应力状态及裂缝判据如下图所示:

观察岩石元素，总垂直应力就是覆盖层应力，即σz = σov。记住σov = σeff + Pf，它包含了孔隙压力项。单元上的总水平应力为水平应力与孔隙压力之和，即σx = σH + Pf。当破裂压力Pff大于水平总应力时，岩石将在垂直方向上发生破裂。该标准由以下表达式表示:

我们已经完成了我们所要做的，那就是应用基本概念来计算裂缝压力。当然，还有更复杂的裂缝方程和经验方程用于预测裂缝压力。然而，本文提出的是如何计算地层破裂压力的最基本形式。当你开始你的职业生涯时，只要理解这些概念就会让更难的概念更容易理解。

试井中的水力裂缝

从钻井、完井到提高采收率，了解水力裂缝对石油和地球系统工程的多个应用都很重要。以下现场试验涉及水力压裂，适用于特定应用。

漏失试验

为了测量设定钻井所需的最大泥浆压力所需的裂缝梯度，进行了漏压试验。在裸眼井将前一段套管固井后，使用钻井泥浆进行测试。

漏失测试的执行:

以恒定的速度注入钻井泥浆会导致压力增加到最大值，这取决于近井应力和岩石的抗拉强度(破裂破裂压力FBP)。斜率的变化可能发生在FBP之前，表明空腔体积的变化，即漏失点(LOP)。

裂缝起裂后，裂缝的扩展速度由流体注入速率和裂缝扩展压力(FPP)决定。

泵的关井导致压力在瞬时关井压力(ISIP)处迅速下降。进一步的压力下降源于裂缝中的流体泄漏到岩石中，直到裂缝在裂缝闭合压力(FCP)处闭合。

图中显示了使用另一种标记泄漏点和击穿压力的漏失测试示例。一些研究表明，在测试开始时偏离线性表示小裂缝(FIP)的打开，直到它达到最大压力(UFP)，之后它的传播速度比注入的流体快。“扩展”的泄漏测试需要达到UFP(或FPP)压力。有时，在UFP之前可能会停止漏压试验，以避免井中出现大的裂缝。

瞬时关井压力(ISIP)的测定

关井压力是指由于关闭泵，压力信号随时间逐渐衰减之前的最大压力。

裂缝闭合压力(FCP)的测定

在未套管井眼中，当裂缝仍然开放时，裂缝中的液体会从井筒和裂缝中泄漏。较大的泄漏面(裂缝壁和井)会导致压力快速下降，大约与成正比(其中为关井后的时间)。一旦裂缝闭合(仅从井中泄漏)，压力下降速率就会减慢，并偏离的线性趋势。裂缝闭合压力(FCP)是泄漏状态发生变化时的压力(见图中的例子)。断裂闭合被解释为近似等于最小主总应力S3。

诊断性起裂试验(DFIT)

DFIT试验的目的是确定渗透率，确定孔隙压力，确定最小主应力S3。DFIT测试通常用于致密低渗透储层的完井，然后进行大型水力裂缝处理。该测试涉及较小的井段，压裂液注入量相对较小，约为10美元/桶。注入速率也相对较小，在0.1 ~ 3桶/分钟之间。DFIT测试可以通过已套管井的射孔进行。

DFIT试验的力学原理与漏压试验相似。FCP的测定方法与泄漏试验方法相似。更先进的方法使用“g函数”来确定FCP。g函数是一个无量纲时间函数，设计用于线性化双翼裂缝正常流体泄漏过程中的压力信号。

渐进率测试

步进速率测试有助于确定为持续和长期注入而设计的井筒的最大注入压力。注入流体的例子包括水(液体或蒸汽)、CO$_2$、N$_2$、聚合物混合物、泡沫、天然气和采出水等。目标是确定被称为“地层分离压力”的最大注入压力。

步进速率测试的步骤如下(见图7.8):

隔离注射区。

在相等的时间内以依次较高的注入速度注入液体。建议安排:

STEP TIME:如果k<5md则60分钟，如果k>10 md则15-30分钟

注入速率:5、10、20、40、60、80、100%最大预期注入速率

绘制每步的最大稳定压力P作为注入速率q的函数

地层分离压力由P vs. q的斜率变化来确定

每一个注入步骤都被执行，直到压力信号接近一个渐近响应(顶部和中间的图)。每一步的最大压力P被绘制成注入速率q的函数。P vs. q曲线(底部)的斜率变化决定了地层分离压力(FPP)和地层分离速率(FPR)。斜率的变化是由于注入器的压裂造成的，可以解释为井筒方程中表皮因子s的变化(s>1表示损伤，s<1表示增产)