地层破裂压力计算方法研究进展及应用

2020-03-02张广权王丹丹

科技创新导报 2020年23期

张广权王丹丹

摘要：地层破裂压力预测不仅是钻井工程设计的基础，更是油气田经济高效开发的保障。影响破裂压力的因素较多，与地层岩石弹性性质、孔隙压力、裂缝发育状况以及地应力等因素有关。国内外在该参数的计算方面研究较多，很多研究人员提出了很多不同的计算方法，并且大量应用于现场实践中。国外具有代表性的两种模式为Hubbert-Willis模式和Haimson-Fairhurst模式、三种计算方法包括伊顿法、史蒂芬法、安德森法。国内主要有以黄荣樽为代表的一系列学者，通过改进模型、增加参数，建立了适合我国复杂地区的计算方法。经过大量的实践和应用表明，地层破裂压力的预测在钻井工程和储气库评价和建设过程中起着极其重要的作用，是一个非常重要、不能忽视的参数。

关键词：地层破裂压力孔隙压力地应力储气库钻井工程

中图分类号：TE142 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）08（b）-0024-05

Abstract： Prediction of formation fracture pressure is not only the basis of drilling engineering design， but also the guarantee of economic and efficient development of oil and gas fields. There are many factors that affect the fracture pressure. It is related to the elastic property of rock， pore pressure， fracture development and in-situ stress. In terms of calculation methods of formation rupture pressure， many domestic and foreign scholars have proposed calculation methods， and they are widely used in field practice. During which， there are two representative models abroad： Hubbert-Willis model and Haimson-Fairhurst model， and three representative calculation methods， including Eaton method， Stephen method， and Anderson method. By improving the model and adding parameters， a series of domestic scholars， represented by Huang Rongzun， have established a calculation method suitable for Chinas complex areas. A large number of practices and applications have shown that the prediction of formation fracture pressure plays an extremely important role in the evaluation and construction of drilling engineering and gas storage， and is a very important parameter that cannot be ignored.

Key Words： Fracture pressure; Pore pressure; Geostress; Gas storage; Drilling engineering

地層破裂压力在油田开发过程中应用越来越广泛，该参数在油田上应用较为广泛，多应用于钻井、压裂、试油等工艺技术，以及在地下储气库选址、建设过程中，该参数尤为重要，关系到储气库能否安全平稳运行。地层破裂压力可用于有效预防钻采工程施工中的井喷、井漏、坍塌等事故的发生方面。另外，在储气库圈闭密封性评价方面，地层破裂压力大小决定了极限库容量和极限注气压力大小，是储气库评价和建设的核心参数。随着国内储气库的大规模建设，强注强采引起的储气库能否安全运行问题越来越受重视。地下储气库圈闭密封性评价是一项系统性工程，既要考虑油气藏成藏期的圈闭静态密封性，又要考虑强注强采、交变载荷下圈闭的动态密封性。其中，储气库最关键的参数上限压力既不能太低，影响库容，也不能太高，以免出现安全问题。其上限压力的确定核心是在保证盖层和断层完整的前提下，确定气藏圈闭极限承压能力，即地层破裂压力。由此可见，地层破裂压力预测对于钻井工程施工和储气库建设安全以及设计的必要性和重要性，地层破裂压力是当前地下相关工程设计的关键指标之一。国内外在该参数的计算方面研究较多，很多研究人员提出了很多不同的计算方法，并且大量应用于现场实践中。

1 地层破裂压力定义及影响因素

1.1 地层破裂压力定义

地层破裂是指地层在受到压力上限时产生裂纹或破裂的现象。地层破裂压力指地层在承受压力达到某一极限时会使地层破裂，此压力极限值称为地层的破裂压力。从压裂工程方面来讲，地层破裂压力为使地下岩石产生裂缝时的压力。从储气库方面来讲，储气库的极限库容压力即为地层破裂压力，当注入压力超过极限库容压力时，盖层、断层即发生破裂或滑动。

1.2 地层破裂压力影响因素

地层破裂压力与地下岩石的弹性性质、地下孔隙压力、裂缝发育情况以及地应力等有关。地层破裂压力计算过程中，起决定性作用的为岩石本身的弹性性质，主要包括抗拉强度、抗剪强度、抗压强度及泊松比等。其中，抗压强度是通过三轴压缩试验获得，压缩作用下的岩石强度破坏是一个复杂的过程，随着三轴压力的增加，先产生小裂纹，然后形成剪切面，随即压缩破坏突然发生，岩石丧失所有强度。岩石的抗拉破坏能力是通过岩石的单轴抗拉强度测试及声发射监测。一般来说，岩石的抗拉强度很低，仅为岩石抗压强度的1/10。抗剪强度，即当围压或剪应力超过某临界值时，孔隙坍塌引起孔隙度丧失，这是一种不可恢复的变形（即塑性变形）。抗剪强度的获得是通过直剪同步测试渗透率获得。

2 地层破裂压力计算方法

地层破裂压力主要通过室内岩石力学实验和测井资料计算获得。Hubbert和Willis根据三轴压缩试验，首先提出了地层破裂压力预测模式即H-W模式。后续国内外提出了许多预测地层破裂压力的方法，比较常用的有Eaton法，Stephen法，黄荣樽法等[1-3]。

2.1 国外计算方法综述

国内外预测地层破裂压力的模式有很多种，国外具有代表性的两种模式、三种计算方法如下。

2.1.1 Hubbert-Willis模式

1957年Hubbert和Willis根据三轴压缩试验首次提出了地层破裂压力预测模式即H-W模式[1]指出破裂压力等于最小水平主应力加地层孔隙压力Pp，垂直有效主应力等于上覆压力Pv减Pp最小水平主应力在其1/3到1/2范围内，预测公式为：

式中：Pf—地层破裂压力;Pp—地层孔隙压力; Pv— 上覆岩层压力;

2.1.2 Haimson-Fairhurst模式

1967年Haimson与Fairhurst研究了水力压裂裂缝的起裂与延伸规律，在储层均质、各向同性和弹性变形的假定下，他们考虑了水平主地应力在两个方向上不相等和压裂液向地层内达西渗流的影响，结合Biot有效应力原理推导破裂压力预测模型为：

2.1.3 伊顿法

伊顿法是在哈伯特和维利斯（Hubbert-Willis）理论的基础上发展起来的。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。

提出预测破裂压力模式为：

式中，pf为地层破裂压力，MPa;ν为地层岩石泊松比，无因次;σν为上覆岩层压力，MPa;pp为地层孔隙压力，MPa。

伊顿法参数较少，使用简单。这个方法在美国海湾地区应用比较广泛。

2.1.4 史蒂芬法

1982年斯蒂芬（Stephen）提出了再预测破裂压力的模式中考虑构造应力的问题，做了均匀水平构造应力的假设，其预测模式为：

式中，ξ—均匀构造应力系数，可由实测破裂压力推算。

斯蒂芬主张用在常压下测得的动弹模量推算的泊松比值而没有考虑地下岩层围压的作用以及动弹模量和静弹模量之间的差别所应进行的修正。

2.1.5 安德森法

1973年安德森（Anderson）等探索从测井资料中获得足以确定地层破裂压力的系数，考虑了井壁上应力集中的影响，引入Biot弹性多孔介质的应力应变关系在均匀水平地应力的假设下提出模型：

安德森提出用测井资料确定砂岩泥质含量和孔隙度并找出它们与岩层泊松比的关系后才能确定式中的μ值，而对非砂岩地层的破裂压力仍无法预测。

2.2 国内计算方法综述

2.2.1 黄荣樽法

1986年黄荣樽提出了一种新的破裂压力预测方法，他主张地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的[4-5]。利用弹性理论中kursh关于无限平板中的小圆孔周围应力的解，推导出了地层破裂压力公式：

式中参数如下：

μ—地层泊松比;Pf—地层破裂压力;Pv—地层上覆岩层压力;Pp—地层孔隙压力;T=3α-β 非均质地质构造应力系数;α，β —水平两个主应力方向构造应力系数;St—地层抗拉强度。

2.2.2 刘翔法

2008年刘翔在国内外相关应力分析研究的基础上，运用解析方法研究了射孔后孔眼围岩的地应力分布，通过应力分布计算，结合抗拉破坏准则，对垂直射孔井水力压裂破裂压力进行了分析，得到了孔眼围岩应力分布和垂直射孔井水力压裂破裂压力的定性认识[6]。由弹性力学理论，最大拉伸应力为：

結合岩石拉伸破坏准则，引入有效应力，得到破裂压力的计算公式：

式中，T 岩石的抗拉强度，MPa;σФ孔眼围岩周向应力，MPa;σzz 孔眼围岩轴向应力，MPa;ηp 孔隙压力贡献系数，无量纲;pp 原始孔隙压力，MPa。

2.2.3 樊洪海法

2009年樊洪海提出的是一种利用现场实测数据的方法，通过实测数据反算计算公式中的参数，然后计算破裂压力[7-9]。在资料不全的情况下用此方法简单实用，现场应用亦很方便。主要过程如下：

式中，K即水平有效应力与垂直有效应力的比值，称为侧压力系数。上覆岩层压力可由密度测井资料获得，待定参数K值的求取，主要是通过试验和测试分析得到，另外是借鉴同区域或邻区的地应力的试验测试数据。波松比的计算可以算出该深度的侧压力系数。通过以上方法可以得到一组侧压力系数K 值，结合已经计算出来的上覆岩石压力和孔隙压力就可以计算出破裂压力。

2.2.4 任岚法

2009年任岚等人提出了一种全新的岩石破裂压力计算方法。该方法考虑岩石变形与流体渗流的全耦合作用，采用有限元法数值计算技术，能模拟计算流体向地层渗滤情况下井眼周围地层有效应力的时空分布。克服了传统破裂压力解析计算方法的许多不足;实现了岩石破裂压力数值计算的突破和计算精度的提高，为水力压裂时岩石破裂压力的计算找到了新的理论和方法[10-11]。计算模型为：

4 结语

（1）国内为外预测地层破裂压力的模式有很多种，具有代表性的两种模式、三种计算方法。国内主要有以黄荣樽为代表的四种方法。各种方法都有各自的适用性，在使用过程中，要根据地区的实际资料，选用不同的模型。

（2）地层破裂压力在钻井过程中有着重要的指导作用，在储气库建设和运行方面，地层破裂压的大小直接影响储气库的最大库容量。地层破裂压力在钻井工程和储气库评价和建设过程中是一个非常重要的参数，关系到钻井和储气库能否安全运行。

参考文献

[1] ZHANG J. Pore pressure prediction from well logs： Methods，modifications，and new approaches. Earth-Science Reviews，2011，108（1）：50-63.

[2] HONGHAI F，ZHI Y，RONGYI J.An integrated application of reducing uncertainties for 3D pore pressure prediction： a case study，SPE130390，2010.

[3] 王爽涛，汝智星，魏亮，等.深层砂岩储层破裂压力研究[J].中外能源，2019，24（4）：38-45.

[4] 黄静，马帅，李文拓，等.乐东A区块高温高压井漏失问题及井壁强化技术研究[J].重庆科技学院学报：自然科学版，2019，21（6）：51-55.

[5] 马妮，林正良，胡华锋，等.页岩地层的破裂压力地震预测方法[J].石油物探，2019，58（6）：926-934.

[6] 刘云芳.平桥地区钻井复杂情况地层压力分析[J].江汉石油职工大学学报，2018，31（6）：26-28.

[7] 李斌.TS区块煤层压力预测研究[J].石化技术，2019，26（2）：93-96.

[8] 陶永富，乔梁，张华琴，等.地层破裂压力的影响因素综述[J].内蒙古石油化工，2019，45（1）：49-51.