地层破裂压力计算综述

地层破裂压力计算综述 ,西南石油大学 ，成都 ,610500 摘 要 ,地层破裂压力是钻井和压裂设计所 需的基础参数之一 ，准确地预测该参数对于预防钻井事故及确保压裂成 功具有重要意义 。 对预测破裂压力的主要模型进行分 析 ，指出了破裂压力预测技术中一些亟待解决的问题 。 关 键 词 ,破 裂 压 力 ,预 测 ,模 型 中 图 分 类 号 ,文 献 标 识 码 ,文 章 编 号 ,,,P631.8 A 1673-1980201101-0036-04 地 层 正 常 压 实 时 ，反映了地层实际骨架应力 地层破裂压力定义为使地层产生水力裂缝或张 K i 开原有裂缝时的井底流 体 压 力 ，它是钻井和压裂设 状况，其值由区块内已有破裂压力资料确定 。 K系数 i计的基础和依据 。 如 何 准确地预测地层破裂压力 ， 曲线的绘制需要大量实际压裂资料 ， 限制了此方 法 对 于 预 防 漏 、喷 、塌 、卡 等 钻 井事故的发生及确保油 的应用 。 [3] 气井压裂增产施工的成功有着重要的意义 。 1968年 ，Pennebaker指出上覆压力 梯 度 是 不 断 变化的 ，并将其与地质年代联系了起来 。他根据声波 1 破裂压力预测技术发展现状 时差资料建立了一组上覆压力梯度与深度的关系曲 为 准 确 地 预测地层破裂压力 ，国内外学者提出 线， 这是第一次在破裂压力预测技术中引入测井手 了许多不同的数学模型 和 方 法 ，它们都各有其优点 。 将定义为泊松比和时间的函数 ，并段PennebakerK i 和 局 限 性 。 在 破 裂 压 力 预 测 模 型 中 ，使 用 最 广 泛 指出随深度和地质年代的变化而变化 。K i 的 [4] 年 ，1969Eaton将上覆压力梯度定 为 变 量 ，在 是Hubbert-Willis模式和Haimson-Fairhurs模t式。模式中正式引入泊松比。 他 指 出 由 垂 直 应 力H-Wν 1.1 H-W模式及其发展 引起的水平应力总量是岩石泊松比的函数 ， 表示 为1957年 ，Hubber和tWillis根据三轴压缩试验 ，首 ν [1] ，由此得 ,次提出了地层破裂压力预测模式即 HW模 式 ，指 σ= σ- Hv1)ν 出破裂压力等于最小水平主应 力加地层孔隙压力 ν P)P"!+PP= vp pf P，垂直有效主应力等于上覆 压 力 P减 P，最 小 水 平pvp1)ν 3 2 1 1 反算出了美国墨西哥湾区的 “泊 松 比 ”Eaton 主应力在其 到 范围内 ，预测公式为 , 1 1 并 !"绘制了它与深度的关系曲线 。 指 出 ，不 同 地 区~P)PEaton P= +P! " vp fp3 2 的 “泊 松 比 ”随深度的变化 趋势是不一样的 ，应 与 的假设显然不符合实 模 型 中 上 覆 压 力 梯 度 为 1当 地资料进行比对校正 。然而这个ν值并不是真正的1 1 际，最小水平主应力 为 到 垂直有效主应力范围 岩 3 2 [5] 年 ，考 虑 了 井壁应力集中的影 石泊松比 ，它隐含了众多Eaton未想到的参数 。1973Anderson 的假设通常也带来偏低的结果 。响 ，引 入 Biot弹 性 多 孔 介 质 的 应 力 、应 变 关 系 ，在 [2]1967年，Matthew和sKelly在H-W模式中引入了 均 匀水平地应力的假设下提出模型 , 骨架应力系数K, i2ν ""!!P)PP )αP P= P=K+P +αPv p vp ff pp i1)ν 收 稿 日 期 ,2010-05-30 作 者简介 ,周 拿 云(1986- )，男 ，四 川 南 充 人 ，西南石油大学在读硕士研究生 ，研究方向为油气田增产改造技术 。 式 中 为 系 数 ，根据试验结果提出对多 项 的 认 识 不 同 。 对地下应力 状 况 认 底 是 各 家 对α Biot Terzadhi λ 识[6] 数沉积岩可取α=1，上式可简化为, 越 深 ，考 虑 因 素 越 多 ，对 λ项 拆 解 越 科 学 ，则 模 型 2ν P)P!"P= +P vp fp预 测的准确度也就越高 。 1)ν 1.2 H-F模式及其发展Anderso指出可由测井n资 料确定砂岩泥质含量 与H-W模 式 不 同 ，Haimso与nFairhurs在t1967年 和孔隙度 ，并建立它们与泊松比的关系 ，这是首次提 [8] 研 究 了 水 力 压裂裂缝的起裂与延伸规律 ，他 们 认 出由测井资料计算破裂压力 。 他的避免了反算 为裂缝的产生是由井壁应力集中所引起 ， 增大井 内 过程需要大量实际压裂资料和模型缺陷带来误差的 流体 压 力 会改变井壁应力状态 ，当应力超过井壁岩 问 题 ，但其均匀水平地 应力的假设不符合多数地区 石抗张强度时地层便 被 压 裂 。 在 储 层 均 质 、各 向 同 的地应力状态 。 [7] 性和弹性变形的假定下 ，他们考虑了水平主地应力 1982 年 ，Stephen 提 出 在 预 测 破裂压力时考虑 在两个方向上不相等和压裂 液向地层内达西渗流 构造应力 ，其公式为 , 的 影 响 ， 结 合Biot有效应力原理推导破裂压 力 预 测 2ν !"+ζ P)PP= +P! "vp fp模 型 为 , 1)ν σ)3σ+S 12tP= f式中为构造应力系数 ，由实测破裂 压 力 推 算 。ζ 该 模 1)2υ 2)α型 把 构 造 应 力 从 法 所 谓 的 “泊 松 比 ”中 分 离 Eaton1)υ 了 模式与模 式 最 明是否考虑渗流作用是H-WH-F 出来，在计算时就可以直接使用实测的泊松比值 ，不 显的区别 。需要靠实测破裂压力来反算 。然 而Stephen采用声波 2000年， 李传亮根据多孔介质双重有效应力理 法在常压下测得的弹性 模量推算泊松比 ，忽 视 了 地论，发展了H-F模式, 层高温高压作用对弹性 模量的影响及动 、静 弹 性 模 1)2υ 3σ)σ+σ)φP 21tp量的差别 。 1)υ P= f 以上模型都忽视了岩石抗张强度对破裂压力的 1)2υ 1+φ )φ c 影 响 。 由 于 各 种 “应 力 系 数 ”以 及Eaton法 中 的 1)υ “泊 松 比”都由实测破裂压力反算 ，使这些参数在李传亮的模型将模式与模 式 统 一 了 起H-WH-F 数值上包 含了一些超过其本身定义的物理意义 。 再 来。2002年，他又给出了射孔完井条件下的破裂压力 [10]加上客观 误差的存在 、主观的影响 ，这些不够完计算模型, 善的模型 和 方 法 尤 其 是 Eaton法便有条件地得出了1)2υ 3σ )σ +σ )φ P3 1 t p 较符 合 工 程实际的结果 ，得到了广泛的运用 。 1)υ P = f [6] 1)2υ 1984年 ，黄 荣 樽综 合 考虑三个主地应力 、井 壁 1+φ)φ c1)υ 应 力 集 中 、地 下 非 均 匀 分布的构造应力以及岩石抗 式中,定义为触点孔隙度 ， 可由镜下观察确 定 ，也φ 张强度S，提出了著名的黄氏模型 , ct 2ν !" +k P)PP= +P+S "!可以用实验或试验结果反求。 利用测井资料获得连续 vp fpt1)ν 的岩石力学参数剖面， 再选用适当的模型预测地层破 式 中 ，、为 水 平主方向上的两个地质构造 k=3β)ααβ 裂压力，是目前最常用且较精确的方法。 然而，怎样获 应力系数 。 由于岩石所处的应力状态对其泊松比有 取连续的触点孔隙度参数剖面， 还是个尚未解决的问 明 显 的 影 响 ，应 在 模 拟 原地情况的前提下测定岩石 题，它在一定程度上给这类模型的应用带来了不便。 的泊松比 。 [11] 年 ，李 培 超 对 李 传 亮 的 射孔完井破裂压 2009 以上模型具有与H-W模式相同的数学形式，即,力模型进行了修正 ，引入射孔深度参数 ，最终得到垂 "!P)PP=λ +P vp fp直井射孔完井破裂压力计算公式为 , 式 中 ，系 数与上覆地层密度 、埋 深 、泊 松 比 、构 造 应 λ 1)2υ 9σ)3σ)σ+σ+2υ(σ)σ))φ P 力 等 有 关 ，无 量 纲 。 黄 氏模型也可归为该模式的一 213t12p1)υ P= iS2ν t1)2υ +k 。 各 模 型 的 不 同 归 根 结 种 ，此 时λ= + " ! 4+φ )φ c 1)ν P )P 1)υ 应力集中对破裂压力的影响 。 有待研究。 其他预测模型和方法现有射孔井破裂压力预测公式建立的模型比较 1.3 [12]简单，不足以充分反映地下真实情况 。 近年 来 ，研究 1996年，夏宏泉等人基于灰色GM(0，N)静 态 模 人员通过有限元方法 、真三轴模拟试验 、位移不连续 型 和BP神 经 网 络 模 型 ，提出了灰色神经网络判释法 [13]预测破裂压力 。2004年，聂采军等人用BP神经网络 方法等对射孔完井与 破裂压力的关系展开了研究 ， 得出了许多有价值的结论 ， 但都未提出一个通用的 和多元回归分析法对碳酸盐岩地层实测破裂压力数[14]据进行了统计建模和预测研究 。2 009年，任岚等人 射孔井破裂压力预测模型或公式 。因此，分析对破裂 考虑岩石变形与流体渗 流的全耦合作用 ，采 用 有 限 压力影响较大的射孔参数并引入预测模型 ， 还有 待 元法数值计算技术预测 岩 石 破 裂 压 力 ，在 求 得 破 裂 进一步的深入研究 。 压力的同时求得了岩石的破裂时间 。 以上数学模 型 结论 3 和计算方法预测的地层破裂压力同样具有重要的指 导意义 ，是理论模型的有益补充 。 ,,模 式 和模 式是破裂压力预测中应 1H-WH-F 用最广泛的技术 。灰色理论 、神经网络模型和有限元 破裂压力预测技术发展展望 2 法的引入为破裂压力预测开辟了新的途径 ， 有广 阔 模式中 ，法和黄氏模型应用最广 。的应用前景 许 。 H-WEaton 多学者根据自己的认识和理解 ， 对 模 式 中 的,2,触点孔隙度和线膨胀系数剖面的测定方法 ，H-Wλ 项进行拆解 ，力求引入更多的可知的 、意义明确的参 以及建立包含射孔参数的破裂压力预测模型 ， 有 待 数 ，如构造应力系数 、非 平 衡 因 子 等 ，以 建 立 更 精 确 进一步研究 。 的数学模型来预测破裂压力 。 引入参数不但要有科 ,3,在实际工程应用中 ，应根据油田情况和已有 资 料 ，选取适当的模型 、方 法来预测破裂压力 ，做 到 学 的 依 据 ，还 要 考 虑 经 济 效 益 。 参数过多会使破 裂 压力的求取过程更复杂 ，还可能带来成本的上升和 经济、精确、高效。 误 差 的 增 大 ，在H-W模式的发展过程中应注意把握 参 考 文 献 预测精度和经济效益的平衡 。 [1] HubbertM K, David G W. Mechanicsof Hydraulic Fractur- H-F模式的先进性在于它考虑了渗流作用 ，采 ing[M]. Petroleum T ransactions, AIME, 1957, 210: 用 了Biot修正后的有效应力 。 由 于H-W模 式 的 最 初 153-168. 提出采用的是Terzagh有i 效 应 力 ，对低渗透性多孔介 [2] MatthewsW R, JohnK . How to Predict Formation Pressure 质例如岩石并 不 适 用 ，Anderso通n 过Biot系 数 的 引 入 and Fracture Gradient [J]. Oil&Gas Journal, 1967 (2): 解决了这个矛盾 。 同 样 的 ，黄氏模型中也可以引入 92-106. Biot系数。 李传亮根据双重有效应力原理对H-F模式 [3] PennebakerE S. An Engineering Interpretation of Seismic 进 行 了 改 进 ，其原理和研究思路也是H-W模 式 可 以 Data [R]. Society of Petroleum Enigneers of AIME, 1968, 采用和借鉴的 。 李培超的修正公式考虑的因素还不 SPE-2165. 够全面 ，有待进一步完善 。 [4] EatonB A. Fracture GradientPr ediction and Its Application in Oilfield Operations[J]. JPT, 1969, 21(101) 353: -1360. 随 着 压 裂 作业深度的不断加大 ，研 究 人 员 开 始 [5] AndersonR A, Ingram D S, ZanierA M. Determining Frac- 关注温度对破裂压力的 影 响 ，并在预测模型中引入 ture Pressure Gradient from Well Logs [J]. JPT, 1973,25 热 应 力 项 。 值 得 注 意 的 是 ，由于准确测定地应力有 (11):1 259-1268. 困难，通常采用已施工井的数据来反演地应力 ，然后 [6] 黄 荣 樽 .地层破裂压力预测模式 的 探 讨 J. 华 东 石 油 学 院 []选取合适的模型 ，预 测 相同构造上相近层段的破裂 学 报,1984(4):335-347. 李 培 超射孔完井条件下 地层破裂压力修正公式 上 海[7] StephenR D. Prediction of Fracture Pressufrore Wildcat .[J]. [11] 工程技术大学学报 ，2009，23(2):157-160. Wells[J]. JPT, 1982, 34(4)863: -872. [12] 夏 宏 泉 ,谈 德 辉 ,梁 常 宝 ,等 .基 于 灰 色神经网络的测井预 [8] Haimson B, Fairhurst C. Initiation and E xtension of Hy- 测地层破裂压力[J].西南石油学院学报,1996,18(4):1-8. draulic Fracturesin Rocks[J]. SPEJ, 1967, 7(3310): -318. [13] 聂 采 军 ,赵 军 ,夏 宏 权 ,等 .地 层 破 裂 压力测井预测的统计 [9] 李 传 亮 ,孔 祥 言 .油井压裂过程中 岩石破裂压力计算公式 的 理 论 研 究[J].石 油 钻 采 工 艺 ，2000，22(2):54-56，83. 模 式 研 究[J].天然气地球科学,2004，15(6):633-636. [10] 李 传 亮.射孔完井条件下的岩 石破裂压力计算公式 [J].石 [14] 任 岚 ,赵 金 洲 ,胡 永 全 ,等 .水 力 压 裂 时岩石破裂压力数值 油 钻 采 工 艺 ，2002，24(2):37-38. 计 算[J].岩石力学与工程学报,2009，28(S2):3 417-3422. Overview on PressurePrediction of Formation Fracture ZHOU Na-yun YANG Zhao-zhong (Southwest PetroleumUni versity，Chengdu 610500) Abstract,Formation fracturing pressure is a basic parameter of drilling and fracturing design. A n accurate predictionof fracturing pressureis of great significance for avoiding drilling accidentand ensuringf racturing stimulation.This paper reviewthes main modelin racturing pressure prediction and pointsout a few problems f calling for solution. ,,, Key wordsfracturing pressurepredictionmodel 上接第 页(21 ) 作 为天然气集输站场这 样比较苛刻的场所 ，其 在 应 ,在组态方面 ，硬点不能通过识别名 道其卡件的部分 用过程中也存在一些缺陷 ，如,系统硬件检测不能在 称来方便组态 ,触摸屏内存容量过小 ，如画面只有 十 几幅，内存过小易使触摸屏出现死机现象 。 触 摸 屏 上 显 示 ，这 样 如 果硬件出现问题不能马上知 Application of RTU in the Gathering and Transferring Station for Natural Gas QI You (PetroChina TarimO ilfield Company，Korla 841000) Abstract,This paper introduces the applicationof remoteterminal unit (RTU) in natural gas gathering and transferring station, and elaborates its hardware structure, software con figuration and the concrete RTU configuration.It also discusses the communication mode and the realizedof procesoftwasres programmingThe . system has already runin s potf or a long time, and woks vweryell. ,,,, Key wordsremote terminal unitnatural gas gathering and tranferrings stationcontrol systemapplication