地层破裂压力

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，σ

z′＋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，0бy′≧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