第二節(jié)地層破裂壓力

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(dāng)液體壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)會(huì)使地層破裂，這個(gè)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(yù)測(cè)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(cè)試等井下工藝技術(shù)，鉆井大多數(shù)是在裸眼中進(jìn)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(jì)，套管強(qiáng)度計(jì)算、鉆井液密度設(shè)計(jì)等鉆井工程設(shè)計(jì)內(nèi)容的關(guān)鍵參數(shù)，特別是在一個(gè)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(shí)，地層破裂力學(xué)模型如圖1.1所示。此時(shí)，地層裂隙受地應(yīng)力與壓裂液共同作用。考慮深層水力壓裂主成垂直裂縫，且裂縫穿透整個(gè)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(dāng)其合成應(yīng)力強(qiáng)度因子K達(dá)到臨界值時(shí)，裂隙就開始失穩(wěn)延伸。

圖11壓裂施工地層破裂模型地層的破裂壓力對(duì)鉆井液密度確定、井身結(jié)構(gòu)和壓裂設(shè)計(jì)施工等有著重要的指導(dǎo)作用。從上世紀(jì)五六十年代，國(guó)內(nèi)外就開始對(duì)地層破裂壓力進(jìn)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(yàn)首次提出了地層破裂壓力預(yù)測(cè)模式即H-W模式指出破裂壓力等于最小水平主應(yīng)力加地層孔隙壓力七垂直有效主應(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(yù)測(cè)公式為:Pf=式中：Pf—地層破裂壓力;烏一地層空隙壓力;Pv一上覆巖層壓力;模型中上覆壓力梯度為1的假設(shè)顯然不符合實(shí)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)KPf=Pp+K.（Pv-Pp） 4-7地層正常壓實(shí)時(shí)，K反映了地層實(shí)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，K系數(shù)曲線的繪制需要大量實(shí)際壓裂資料，限制了此方法的應(yīng)用。1968年P(guān)ennebaker指出上覆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(shí)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(yù)測(cè)技術(shù)中引入測(cè)井手段。Pennebaker將K定義為泊松比和時(shí)間的函數(shù)，并指出K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(cè)井曲線求得，并把（4-7）式中的K值具體化為u/（1-u），u為地層的泊松比。提出預(yù)測(cè)破裂壓力模式為：Pf=Pp+昔（Pv-Pp） 4-8然而這個(gè)U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：_ _ 2u，_一、TOC\o"1-5"\h\zPf=aPp+-一（Pv-以尸。） 4-9式中為Biot系數(shù)，Terzadhi根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出對(duì)多數(shù)沉積巖可取a=1上式可簡(jiǎn)化為：2d, 、Pf=Pp+-一（Pv-Pp） 4-10

安德森提出用測(cè)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(duì)非砂巖地層的破裂壓力仍無法預(yù)測(cè)。由于導(dǎo)出（4-10）式時(shí)沒有計(jì)入地下構(gòu)造應(yīng)力的影響，所以這個(gè)預(yù)測(cè)模式亦不具普遍意義。1982年斯蒂芬（Stephen）提出了再預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)模式為：Pf=PPf=Pp+1u+6.P'-Pp)4-11式中：&—均勻構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，可由實(shí)測(cè)破裂壓力推算。斯蒂芬公式只是伊頓公式的改進(jìn)，多了一項(xiàng)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(cè)得的動(dòng)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(dòng)彈模量和靜彈模量之間的差別所應(yīng)進(jìn)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(dǎo)出了地層破裂壓力公式：Pf=PpPf=Pp+(2d+A(P-P)+SV1-d)4-12式中：St一地層抗拉強(qiáng)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(duì)其泊松比有明顯的影響應(yīng)在模擬原地情況的前提下測(cè)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(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)地層便被壓裂。在儲(chǔ)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(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Biot有效應(yīng)力原理推導(dǎo)破裂壓力預(yù)測(cè)模型為：4-131—D

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(jì)算模型為:4-143o-o+o-?12>P21， 1-up4-14Pf ； 1^265成商2002年，他又給出了射孔完井條件下的破裂壓力，計(jì)算模型:2 1-2uD4-15p303-O1+O*4-15P1 1-2u1+也瑚式中甲c定義為觸點(diǎn)孔隙度，可由鏡下觀察確定也可以用實(shí)驗(yàn)或試驗(yàn)結(jié)果反求，利用測(cè)井資料獲得連續(xù)的巖石力學(xué)參數(shù)剖面，再選用適當(dāng)?shù)哪Ｐ皖A(yù)測(cè)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(diǎn)孔隙度參數(shù)剖面還是個(gè)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(duì)李傳亮的射孔完井破裂壓力模型進(jìn)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(jì)算公式為：P=902—3