地層壓力-地層破裂壓力-地層坍塌壓力預(yù)檢測(cè)

1、地層破裂壓力和坍塌壓力預(yù)測(cè)摘 要地層破裂壓力和地層坍塌壓力是鉆井工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，對(duì)確定合理的鉆井液密度和其他鉆井參數(shù)有重要意義。在參考了一些書籍和相關(guān)論文的基礎(chǔ)上，對(duì)地層破裂壓力和坍塌壓力的預(yù)測(cè)方法做出了較為系統(tǒng)的總結(jié)。地層破裂壓力的預(yù)測(cè)主要有H-W模式和H-F模式，包括伊頓法、黃榮樽法、安德森法等；地層坍塌壓力的預(yù)測(cè)主要基于井壁巖石剪切和拉伸破壞的原理。關(guān)鍵詞：破裂壓力；坍塌壓力；預(yù)測(cè)第一章 前言地層破裂壓力是指使地層產(chǎn)生水力裂縫或張開原有裂縫時(shí)的井底流體壓力。它是鉆井和壓裂設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和依據(jù)。如何準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地層破裂壓力，對(duì)于預(yù)防漏、噴、塌、卡等鉆井事故的發(fā)生及確保油氣井壓裂增產(chǎn)施工的成功

2、有著重要的意義。地層坍塌壓力是指隨著鉆井液密度的降低，井眼圍巖的剪應(yīng)力水平不斷提高，當(dāng)超過巖石的抗剪強(qiáng)度時(shí)，巖石發(fā)生剪切破壞時(shí)的臨界井眼壓力。它的確定對(duì)于確定合理的鉆井液密度和鉆井設(shè)計(jì)及施工有重要意義。地層三項(xiàng)壓力研究歷史及發(fā)展現(xiàn)狀：² 八十年代以前，地層孔隙壓力以監(jiān)測(cè)為主，地層破裂壓力預(yù)測(cè)處于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫A段，如馬修斯-凱利模式、伊頓模式等。沒有地層坍塌壓力的概念。² 八十年代，提出了地層坍塌壓力的概念，從理論上對(duì)地層三個(gè)壓力進(jìn)行了公式推導(dǎo)。² 九十年代以來，一般根據(jù)巖石力學(xué)的基本原理由地應(yīng)力和地層的抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)地層的破裂壓力，進(jìn)入實(shí)用技術(shù)開發(fā)階段。目前，地層三項(xiàng)壓

3、力預(yù)測(cè)技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的重視，也從各個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了研究和應(yīng)用：l 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究方法（研究院）l 地震層速度法（石大北京）l 常規(guī)測(cè)井資料法（華北鉆井所、石大）l 頁巖比表面積法（Exxon)l 人造巖心法(Norway)l 巖屑法(Amoco、石油大學(xué)）l LWD、SWD法（廠家）l 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒ǎ║SA)第二章 地層三項(xiàng)壓力預(yù)測(cè)機(jī)理2.1 地應(yīng)力模型1、各向同性模型利用電纜地層測(cè)試或壓力恢復(fù)測(cè)試資料，在不考慮構(gòu)造應(yīng)力影響情況下，各向同性模型計(jì)算水平應(yīng)力公式為： （2-1）式中：PR 泊松比；Pob 上覆巖層壓力； Pp 孔隙流體壓力； Biot 常量。2、各向異性模型 （2-2）第三章 地層

4、破裂壓力預(yù)測(cè)方法3.1 地層破裂壓力預(yù)測(cè)常用方法為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地層破裂壓力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多不同的數(shù)學(xué)模型和方法，它們都各有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。 在破裂壓力預(yù)測(cè)模型中，常使用的有H-W模式和H-F模式。3.1.1 H-W模式1、休伯特&威斯利方法1957年休伯特和威斯利根據(jù)巖石水力壓裂機(jī)理和實(shí)驗(yàn)做出推論，在發(fā)生斷層作用的地質(zhì)區(qū)域，地下應(yīng)力狀態(tài)以三維不均勻主應(yīng)力狀態(tài)為特征，且三個(gè)主應(yīng)力相互垂直。最大主應(yīng)力1為垂直方向，大小等于有效上覆巖層壓力（即骨架應(yīng)力），最小主應(yīng)力3和中間應(yīng)力2在水平方向相互垂直。則地層破裂壓力應(yīng)當(dāng)滿足： （3-1）休伯特&威斯利方法從理論和技術(shù)上為監(jiān)測(cè)地層壓力

5、奠定了基礎(chǔ)。但是由于很少在正斷層區(qū)域鉆井，因此該理論在工業(yè)應(yīng)用中收到限制。2、馬修斯&凱利方法1967年馬修斯和凱利選擇最小破裂壓力等于地層壓力與上覆巖層壓力之和，并與克服骨架應(yīng)力有關(guān)。則有： （3-2）式中：Gf地層壓力梯度，MPa/m；Ki骨架應(yīng)力系數(shù)，無因次；骨架應(yīng)力，Mpa。3、伊頓法伊頓在1969年發(fā)表了更合適的計(jì)算地層破裂壓力的方法。把上覆巖層壓力梯度作為一個(gè)變量來考慮，并引入泊松比： （3-3）研究發(fā)現(xiàn)，由于上覆巖層壓力梯度的變化，巖石的泊松比隨深度成非線性變化。在破裂壓力的計(jì)算中，若能求得上覆巖層壓力的準(zhǔn)確增量，可提高破裂壓力的計(jì)算精度。4、黃榮樽法石油大學(xué)黃榮遵教授在

6、總結(jié)分析國(guó)外各種計(jì)算底層破裂壓力方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮各種影響因素，進(jìn)行了嚴(yán)格的推導(dǎo)和室內(nèi)試驗(yàn)，提出了預(yù)測(cè)底層破裂壓力的新模式： （3-4）式中：KSS構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，無因次；Srt巖石的抗拉強(qiáng)度，Mpa。黃榮遵法認(rèn)為地層的破裂是由井壁上的應(yīng)力狀態(tài)決定，并考慮了非均勻地應(yīng)力場(chǎng)的作用和地層的抗拉強(qiáng)度影響。5、Holbrook法Holbrook法適用于膠結(jié)較差、巖層的抗拉強(qiáng)度可以忽略、井眼與地層間的連通性好的砂巖地層，其計(jì)算公式為： （3-5）6、安德森法安德森法考慮井壁上應(yīng)力集中的影響，假定無構(gòu)造應(yīng)力，地層抗張強(qiáng)度為零，取均勻水平應(yīng)力的條件，且認(rèn)為砂巖中的泥質(zhì)含量對(duì)泊松比及砂巖的變形有明顯影響：

7、（3-6）安德森方法首次提出由測(cè)井資料計(jì)算破裂壓力，避免了反算過程需要大量實(shí)際壓裂資料和模型缺陷帶來誤差，但其均勻水平地應(yīng)力的假設(shè)不符合多數(shù)地區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)。3.1.2 H-F模式Haimson與Fairhurst認(rèn)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(huì)改變井壁應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力超過井壁巖石抗張強(qiáng)度時(shí)地層被壓裂。在儲(chǔ)層均質(zhì)各向同性和彈性變形的假定下，考慮了水平主地應(yīng)力在兩個(gè)方向上不相等和壓裂液向地層內(nèi)達(dá)西滲流的影響。 結(jié)合有效應(yīng)力原理推導(dǎo)破裂壓力預(yù)測(cè)模型為： （3-7）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: （3-8）3.1.3 液壓實(shí)驗(yàn)法液壓實(shí)驗(yàn)法，

8、也稱漏失實(shí)驗(yàn)，是在下完一層套管，注入完水泥和鉆過水泥塞之后進(jìn)行的。液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)地層的破裂壓力易發(fā)生在套管鞋處，因套管鞋處的地層壓實(shí)程度比下部地層差。液壓實(shí)驗(yàn)法的步驟如下：a) 循環(huán)調(diào)節(jié)鉆井液性能，保證鉆井液性能穩(wěn)定，上提鉆頭至套管鞋內(nèi)，關(guān)閉防噴器。b) 用較小排量（0.66-1.32L/s）向井內(nèi)注入鉆井液，并記錄各個(gè)時(shí)期的注入量及立管壓力。c) 作立管壓力與累計(jì)泵入量的關(guān)系曲線，如圖3-1所示。d) 從圖上確定各個(gè)壓力值，漏失壓力為開始偏離直線的壓力，其后壓力繼續(xù)上升；e) 壓力上升到最大值，即為開裂壓力；最大值過后壓力下降并趨于平緩，稱為傳播壓力。f) 求地層破裂壓力當(dāng)量密度： （3-9）圖

9、3-1 典型液壓實(shí)驗(yàn)漏失曲線液壓實(shí)驗(yàn)法適用于砂泥巖為主的地層，對(duì)石灰?guī)r、白云巖等硬地層的液壓實(shí)驗(yàn)有待于進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)壓力不應(yīng)超過地面設(shè)備和套管的承載能力，否則可提高實(shí)驗(yàn)用鉆井液密度。3.1.4 地層破裂壓力預(yù)測(cè)的其他模型1、地層破裂壓力的多元回歸模型根據(jù)地層破裂壓力和巖石力學(xué)參數(shù)的關(guān)系可從測(cè)井資料提取E、K、u 參數(shù)值, 結(jié)合所對(duì)應(yīng)的地層深度和實(shí)測(cè)地層破裂壓力值，建立的地層破裂壓力預(yù)測(cè)模型。該統(tǒng)計(jì)模型形式簡(jiǎn)單直觀,易于使用,地層破裂壓力Pf與E、K、u參數(shù)之間的關(guān)系簡(jiǎn)單明確。2、建立地層破裂壓力BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測(cè)地層破裂壓力涉及“學(xué)習(xí)建?！焙汀皡?shù)預(yù)測(cè)”兩個(gè)過程。

10、其選用由輸入層、隱含層和輸出層所組成的3 層BP網(wǎng)絡(luò)算法參主要包括學(xué)習(xí)率(A)、沖量系數(shù)(B)、絕對(duì)誤差(ED)、全局代價(jià)函數(shù)值(ED2)及迭代次數(shù)(Tn)等。3.2 特殊條件下的地層破裂壓力預(yù)測(cè)3.2.1、淺部地層破裂壓力研究國(guó)內(nèi)外學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工程師在預(yù)測(cè)淺層破裂壓力時(shí)通常沒有充分考慮井眼形態(tài)和地層的強(qiáng)度各向異性。這就導(dǎo)致了下列工程問題：二開底部地層為維持井壁穩(wěn)定或控制溢流，提高鉆井液密度而導(dǎo)致上部地層發(fā)生井漏；淺部地層造斜，發(fā)生意料不到的井漏；淺部油層壓裂作業(yè)中，由于不能掌握起裂形態(tài)，常常導(dǎo)致壓裂失敗。假設(shè)地層是均勻各向同性、線彈性多孔材料，并認(rèn)為井眼周圍的巖石處于平面應(yīng)變狀態(tài)，則垂直縫

11、破裂壓力： （3-10）水平縫破裂壓力： （3-11）則，地層破裂壓力： 3.2.2、高溫高壓地層破裂壓力預(yù)測(cè)方法高溫高壓地層膠結(jié)疏松,安全鉆井液密度窗口窄,鉆井及固井過程中極易發(fā)生井漏,造成一系列井下復(fù)雜情況和事故,嚴(yán)重影響鉆井進(jìn)程及固井質(zhì)量。導(dǎo)致高溫高壓地層破裂漏失的主要原因之一是鉆井過程中井壁上往往難以形成致密的低滲泥餅,鉆井液及其濾液向地層滲流,在井周形成滲流附加應(yīng)力場(chǎng),導(dǎo)致井周有效周向應(yīng)力和地層破裂壓力降低另外,高溫高壓地層在鉆井及循環(huán)過程中,井壁溫度降低, 井周地層產(chǎn)生收縮應(yīng)力,也會(huì)導(dǎo)致地層破裂壓力降低。因此,為解決高溫高壓地層的井壁穩(wěn)定性問題,準(zhǔn)確確定安全鉆井液密度窗口,必須綜合

12、考慮溫度和井壁滲流等因素的影響。依據(jù)井壁拉伸破裂強(qiáng)度準(zhǔn)則和RH=-St井壁應(yīng)力，并帶入考慮滲流時(shí)井壁上空隙壓力表達(dá)式可得到高溫高壓底層破裂壓力表達(dá)式：（3-12）由于鉆井及循環(huán)過程中井壁和地層溫度及孔隙壓力不斷變化, 井壁和地層應(yīng)力狀態(tài)也隨時(shí)變化, 井壁應(yīng)力狀態(tài)沒有解析解. 為了研究溫度壓力影響下的井壁穩(wěn)定規(guī)律, 必須進(jìn)行數(shù)值求解, 因此根據(jù)以上模型需要借助高溫高壓地層破裂壓力預(yù)測(cè)軟件。第四章 地層坍塌壓力預(yù)測(cè)方法4.1 考慮滲透作用時(shí)的地層坍塌壓力適用于滲透性好的地層，考慮鉆井液向地層中的滲透，把井壁近似看作滲透井壁。此時(shí)地層坍塌壓力的計(jì)算公式為： （4-1）4.2 拉伸崩落條件下的坍塌壓力

13、適用于井筒鉆井液壓力小于地層孔隙壓力時(shí)的過渡帶欠壓實(shí)超壓低滲泥頁巖。 （4-2）井壁坍塌受剪切和拉伸崩落兩種坍塌機(jī)理控制，地層坍塌壓力當(dāng)量密度應(yīng)取兩者中的較大值，即。第五章 總結(jié)在此次研究性學(xué)習(xí)中，通過課本、文獻(xiàn)以及石油與天然氣標(biāo)準(zhǔn)等資料，對(duì)“地層破裂壓力和坍塌壓力的預(yù)測(cè)”做了較為詳細(xì)的學(xué)習(xí)與總結(jié)，并對(duì)其預(yù)測(cè)方法做了較為系統(tǒng)的整理。地層破裂壓力的預(yù)測(cè)方法較多，隨著認(rèn)識(shí)的發(fā)展研究人員不斷增加新的影響因素并提出針對(duì)性的模型，目前以形成了H-W模式和考慮滲流的H-F模式，包括馬修斯-凱利法、伊頓法、安德森法等一系列的方法。地層坍塌壓力的概念由于提出的時(shí)間較晚，所獲得的相對(duì)資料較少，主要總結(jié)了考慮滲流

14、作用和拉伸崩落條件下的坍塌壓力。通過此次研究性學(xué)習(xí)，對(duì)所研究的內(nèi)容有了更深刻的認(rèn)識(shí)，鍛煉了自己的檢索能力和寫作論文的能力。此次研究性學(xué)習(xí)是非常系統(tǒng)的一次，也是大學(xué)生活中最正規(guī)、最完善的一次課余學(xué)習(xí)。從論文選題到論文形成經(jīng)歷的時(shí)間也比較長(zhǎng)，對(duì)于最后能堅(jiān)持下來，并在這個(gè)過程中得到老師的詳細(xì)指導(dǎo)和認(rèn)真的檢查，我感到非常幸福。最后，非常感謝金老師在此次研究性學(xué)習(xí)期間的辛勤付出，老師嚴(yán)謹(jǐn)負(fù)責(zé)的態(tài)度是我們學(xué)習(xí)的榜樣！參考文獻(xiàn)1 周拿云，楊兆中. 地層破裂壓力預(yù)測(cè)技術(shù)綜述. 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2011, 13(2): 36-39.2 何謀軍等. 地層孔隙壓力、破裂壓力、坍塌壓力預(yù)測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中的應(yīng)用. 第十二屆石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)術(shù)論壇論文.3 李敏等. 巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)與地層破裂壓力預(yù)測(cè)研究. 石油鉆采工藝. 2009, 31(5) 4 SY/T XXXX-XXXX. 地層孔隙壓力、破裂壓力和坍塌壓力預(yù)檢測(cè)方法.5 鄧金根等. 高溫高壓地層破裂