4.4.1 地应力的测定方法
通常地应力的大小可用三个主地应力来表示，即：上覆地层压力梯度、最大水平应力和最小水平应力。由于地质构造运动的方向性，两个水平向的地应力是不同的。
产生区域性地质构造运动的原因是复杂的，而且其作用的大小和方向也是随着时间和地点的不同而不同。造山运动所形成的各类断层可以判断当时地质条件下的构造力的大小和方向。一般来说，逆断层、走滑断层和正断层构造带所对应三个主应力的关系分别为：σH>σh>σv、σH>σv>σh和σv>σH>σh。
上覆地层压力梯度可以采用式（4.1）或式（4.2）求得，两个水平向的主地应力，即最大水平应力σH和最小水平应力σh可通过现场水力压裂试验法或者室内声发射试验法求得。
（1）现场水力压裂试验法测定地应力
现场水力压裂试验法测定地应力是根据试验测得的地层破裂压力、瞬时停泵压力及裂缝重张压力反算地应力。为了能较准确地求得地应力，现场水力压裂试验应遵守以下步骤：
1）下套管固井后，钻开几米裸眼井段。
2）用水泥车以恒定的低速度泵入泥浆，记录井口压力随泵入时间的变化曲线，直至地层产生破裂。
3）地层破裂后，继续向井内泵入流体至裂缝延伸到离开井壁应力集中区，即6倍井眼半径以远（估计从破裂点起越历时3～5min，合300～400L流体），进行瞬时停泵，记录瞬时停泵压力。
4）停泵压力平稳后，重新开泵，记录裂缝重张压力。
典型的水力压裂试验曲线见图4.2所示。从图中可以确定以下压力值：①地层破裂压力（pf）。为井眼所能承受的最大内压力，是地层破裂造成泥浆漏失时的井内液体压力。②瞬时停泵压力（ps）。瞬时停泵，裂缝不再向前扩展，但仍保持开启，此时ps应与垂直裂缝的最小地应力值相平衡，即有ps=σh2。③裂缝重张压力pr。瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝所需的压力pr与破裂压力pf相比，不需要克服岩石的拉伸强度St，因此可以近似地认为破裂层的拉伸强度等于这两个压力的差值，即：
图4.2 水力压裂试验曲线
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）
利用上述3个压力值，根据多孔弹性介质理论可以得到地应力的计算公式为：
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式中：σH，σh分别为最大、最小水平主地应力；pp为地层孔隙压力，MPa；St为地层抗拉强度，MPa；α为有效应力系数；pr为裂缝重张压力，MPa；pf为地层破裂压力，MPa；ps为瞬时停泵压力，MPa。
由于破漏试验要求关井试压直至地层或套管固结的水泥环发生破漏为止，以确定最大的承压能力，许多人担心由此引起不良的后遗症。国内外的实践证明，破漏试验是安全的，且在一定程度上增大了地层的抗压能力。
（2）井壁崩落法测定地应力
以CCSD-1井为例，声波成像测井资料显示，钻孔在1216m深度以下出现钻孔崩落现象，在1216m至5047m的范围内，钻孔断面椭圆长轴平均方位为319.5°±3.5°，与最小水平应力一致，最大水平应力的平均方位为49.5°±3.5°，与钻孔断面椭圆长轴方位垂直成90°（图4.3）。钻孔崩落现象，尤其是在孔深3517m处孔径扩大率达到226%（孔径由Φ157mm扩大到Φ355.6mm）说明，自1216m深度以下，钻井液液柱压力小于孔壁坍塌压力，即钻井液密度小于孔壁坍塌压力当量密度，其主要原因是没有CCSD-1井附近地区的地应力资料，不能科学地设计CCSD-1井各井段的钻井液密度。
图4.3 CCSD-1井井壁崩落法测定地应力
4.4.2 地层坍塌压力梯度及其计算
从力学角度来说，造成井壁坍塌的原因主要是由于井内液柱压力较低，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏所造成的。此时，对于脆性地层会产生坍塌掉块，井径扩大，而对于塑性地层，则向井眼内产生塑性变形，造成缩径。井壁坍塌与否与井壁围岩的应力状态、围岩的强度特性等密切相关。
根据库仑-摩尔强度准则，岩石破坏时剪切面上的剪应力必须克服岩石的固有剪切强度（内聚力）C和作用于剪切面上的内摩擦阻力μσ，即：
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式中：μ为岩石的内摩擦系数，μ=tanφ，φ为岩石的内摩擦角。
通过对井壁围岩应力分析和库仑-摩尔强度准则，可以得出地层坍塌压力的计算公式：
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式中：H为井深；C为岩石的黏聚力；K为系数，；α为有效应力系数；η为应力非线性修正系数；pp为地层孔隙压力。
4.4.3 地层破裂压力梯度及其计算
地层破裂压力是设计套管、泥浆密度、选择允许的裸眼长度的另一个重要依据，其大小与上覆压力、地层孔隙压力、岩石性质、地质年代、埋藏深度等有关。
从力学上讲，地层破裂是由于井内钻井液密度过大，使得井壁围岩所受的周向应力超过岩石的拉伸强度而造成的。钻井液密度增大的过程，井壁围岩所受的周向力由压缩变成拉伸，当这种拉伸力大到足以克服岩石的抗拉强度时，地层即产生破裂造成井漏。当钻井液密度减少时，井漏停止，并出现“井漏反吐”现象。
“井漏反吐”是一种地层开与合的现象，当外压力超过地层破裂压力时，地层开裂，泥浆或其他流体漏失进入裂缝；当外压力低于地层破裂压力时，裂口复原，裂缝内的泥浆或其他流体被挤出。研究表明，最小水平有效应力控制着地下岩石中裂缝的方向，地下天然裂缝或人工裂缝延伸方向一般与最小水平有效应力垂直，是确定地层破裂压力或裂缝传播压力的基础。
根据库仑-摩尔强度准则，可以得出岩石的破裂压力：
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若不考虑地层的渗透作用，则地层破裂压力为：
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由地层坍塌压力和地层破裂压力可以得出保持井壁稳定所需钻井液最低密度（不坍塌）和最高密度（不压裂）范围，即钻孔安全钻井液密度窗口：
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式中：St为地层抗拉强度；其余同前。