水力壓裂造縫機理

1、水力壓裂造縫機理水力壓裂裂縫的形成和延伸是一力學行為，水力裂縫的形態(tài)與方位對于有效發(fā)揮壓裂對儲層的改造作用密切相關，必須掌握水力壓裂的裂縫起裂與延伸過程的力學機制。本節(jié)從地應力場分析及獲取方法入手介紹水力裂縫的形成機理、造縫條件、裂縫形態(tài)與方位、破裂壓力預測方法。在致密地層，首先向井內注入壓裂液使地層破裂，然后不斷注液使壓裂縫向地層遠處延伸。顯然，地層破裂壓力最高，反映出注入流體壓力要克服由于應力集中而產生的較高井壁應力以及巖石抗張強度。一旦誘發(fā)人工裂縫，井眼附近應力集中很快消失，裂縫在較低的壓力下延伸，裂縫延伸所需要的壓力隨著裂縫延伸引起的流體流動摩阻增加使得井底和井口壓力增加。停泵以后井筒

2、摩阻為零，壓裂縫逐漸閉合，施工壓力逐漸降低。對于高滲透地層或存在裂縫帶，地層破裂時的井底壓力并不出現明顯的峰值。一、地應力場分析與測量地下巖石的應力狀態(tài)通常是三個相互垂直且互不相等的主應力(principal stress)。地應力場不但影響到水力壓裂造縫過程，而且通過井網與人工裂縫方位的配合關系影響到油藏開發(fā)效果。1地應力場存在于地殼內的應力稱為地應力(in-situ stress)，是由于上覆巖層重力、地殼內部的垂直運動和水平運動及其它因素綜合作用引起介質內部單位面積上的作用力。包括原地應力場和擾動應力場兩部分。前者主要包括重力應力、構造應力、孔隙流體壓力和熱應力等；后者主要是指由于人工擾

3、動作用引起的應力。1）重力應力場是指沉積盆地中的儲層受到上覆巖層重力作用而形成的應力分布。在地層中孔隙流體壓力作用下，部分上覆巖層的重力被孔隙流體壓力所支撐。但由于顆粒間膠結作用，孔隙壓力并未全部支撐上覆地層壓力。terzaghi認為：地層巖石變形由有效應力引起。假設地層巖石為理想的均質各向同性線彈性體，彈性狀態(tài)下垂向載荷產生的水平主應力分量由廣義胡克(hook) 定律計算。e和為巖石力學參數，典型值見表6-1。它們與巖石類型和所受到的圍壓、溫度有關。表6-1 常見巖石的泊松比與楊氏模量巖石類型楊氏模量，104mpa泊松比巖石類型楊氏模量，104mpa泊松比硬砂巖4.40.15礫巖7.40.2

4、1中硬砂巖2.10.17白云巖4.08.40.25軟砂巖0.30.20花崗巖2.06.00.25硬灰?guī)r7.40.25泥巖2.05.00.35中硬灰?guī)r0.27頁巖1.03.50.30軟灰?guī)r0.80.30煤1.02.00.30因巖體水平方向上應變受到限制，即 ex=0，ey=0。砂巖的泊松比一般在0.150.27之間。泊松比越大，水平主應力越接近垂向應力。考慮孔隙流體壓力后的地層水平主應力。2) 構造應力場構造應力場是指構造運動引起的地應力場增量。它以矢量形式迭加在地層重力應力場中，使得水平主應力場不均勻。一般而言，在正斷層和裂縫發(fā)育區(qū)是應力釋放區(qū)，例如，正斷層中的水平主應力可能只有垂向應力的1/

5、3，而在逆斷層或褶皺地帶的水平應力可以大到垂向應力的3倍。通常，構造應力場只有兩個水平主應力，屬于水平的平面應力狀態(tài)，而且擠壓構造引起擠壓構造應力，張性構造引起拉張構造應力。3) 熱應力場熱應力場是指由于地層溫度變化在其內部引起的內應力增量，與溫度變化量和巖石性質有關。油田開發(fā)中的注水、注蒸汽和火燒油層等可以改變油藏的主應力大小，甚至主應力方向。將油藏邊界視為無窮大，考慮其側向應變受到約束，溫度變化引起的水平應力增量dsx，dsy 2地應力場確定地應力場確定包括地應力大小和方向。主要手段主要有：1) 水力壓裂法微型壓裂(mini-frac)壓力曲線計算應力場。2)實驗室分析方法應用定向取心技術

6、保證取出巖心樣品的主應力方位與其在地層中主應力方位一致。巖心從地下三向壓應力狀態(tài)改變到地面自由應力狀態(tài)，根據巖心各方向的變形確定主應力方位和數值。(1) 滯彈性應變恢復（asr）基于巖心與其承壓巖體發(fā)生機械分離后所產生的應力松弛，按各個方向測量應變并確定主應變軸。并假定主方向與原位應力主軸相同，按已知的彈性常數和上覆巖層載荷情況間接計算應力值。(2) 微差應變分析（dsca）從井底取出的巖心由于應力釋放和應變恢復會發(fā)生膨脹，產生或重新張開微裂縫?；趹兯沙谧鳛椤皯κ贰焙圹E的思想，應變松弛形成的微裂縫密度和分布與巖心已經出現的應力下降成正比。通過描述微裂隙分布橢球，即可揭示以前的應力狀態(tài)。根

7、據和這些微裂縫相關的應變推斷主應力方向，并從應變發(fā)生的最大方向估算出最小主應力值。3) 測井解釋方法利用測井（主要是密度測井、自然伽瑪測井、井徑測井和聲波時差測井以及中子測井、自然電位測井等）資料，首先基于縱橫波速度與巖石彈性參數之間的關系解釋巖石力學參數，再結合地應力計算模式獲得連續(xù)的地應力剖面。4) 有限元模擬根據若干個測點地應力資料，借助于有限元數值分析方法，通過反演得到構造應力場。強烈取決于根據研究工區(qū)所建立的地質模型、數學力學模型和邊界條件。此外，測定地應力方向的常用方法還有聲波測定、井壁崩落法、地面電位法、井下微地震法和水動力學試井等方法。3人工裂縫方位在天然裂縫不發(fā)育的地層，壓裂

8、裂縫形態(tài)取決于其三向應力狀態(tài)。根據最小主應力原理，水力壓裂裂縫總是產生于強度最弱、阻力最小的方向，即巖石破裂面垂直于最小主應力方向。當sz最小時，形成水平裂縫（horizontal fracture）；當sy最小時，形成垂直裂縫(vertical fracture)。對于顯裂縫地層很難出現人工裂縫。而微裂縫地層可能出現多種情況，人工裂縫面可以垂直于最小主應力方向；也可能基本上沿微裂縫的方向發(fā)展，把微裂縫串成顯裂縫。二、破裂壓力地層巖石破裂前，井壁最終應力場為鉆孔應力集中、向井筒注液產生的應力、注入壓裂液徑向濾失誘發(fā)應力的迭加。基于最終應力分布結合巖石破裂準則確定破裂壓力計算公式。1井壁最終應力

9、分布1）井筒應力分布對于裸眼井，記井眼半徑為rw。鉆井完成后地層中應力分布可視為無限大均質各向同性巖石平板中有一圓形孔眼時的應力狀態(tài)，。記壓應力為正、張應力為負，根據彈性力學理論計算圖中任意點 (r ,q) 處的應力分布。 離井壁越遠，周向壓應力迅速降低，徑向壓應力逐漸增加；而且大約幾個井徑之后，周向壓應力降為原地應力，徑向應力增加到原地應力。實際上，由于巖石的抗壓強度比抗張強度大得多，而且鉆井孔眼引起的應力集中使得井壁處應力大于原地應力，因此，水力壓裂造縫時主要關心的應是井壁處的周向應力sq。通常記sxsy，則當q=0 或180，井壁處周向應力最小。 sqmin = 3sy-sx當q=90或

10、270，井壁處周向應力最大。 sqmax = 3sx-sy對于套管完成井，考慮到水泥環(huán)與巖石的力學性質比鋼材與巖石的力學性質差別小得多，可按雙層厚壁圓筒的彈性力學理論計算井筒周圍的應力狀態(tài)。2）向井筒注液產生的應力分布為了在井壁的薄弱處人為誘發(fā)裂縫，需要向井筒注入高壓液體使井底壓力迅速提高。將裸眼井筒周圍巖石系統視作具有無限壁厚、且承受內外壓力的厚壁圓筒，按彈性力學理論計算其應力分布注入壓裂液在井壁周圍各個方向上所產生的應力均為張應力，因此，向井筒注液有利于撕開地層。同時，注液產生的應力沿井軸半徑逐漸衰減， 在井壁處產生的張應力近似為注液壓力，離井軸越遠，應力越小。3）注入液徑向滲入地層引起的

11、應力注入液徑向滲入近井筒地帶產生另外一個應力區(qū)，增大了井壁周圍巖石應力。4）井壁最終應力分布地層巖石破裂之前井壁周圍應力為上述幾種應力迭加，總存在兩個方向（如果sx sy，在q=0，180方向）受到的周向應力最小可見，離開井壁較遠處，周向應力仍為壓應力，但在井壁附近為張應力，因而，水力壓裂能夠形成人工裂縫。 2. 水力壓裂造縫條件巖石破壞準則是衡量有效主應力間的極限關系。超過該極限值，就出現不穩(wěn)定或破壞。巖石破裂準則很多。水力壓裂中常用最大張應力準則，認為施加于裂縫壁面的總有效應力一旦達到物體的抗張強度st地層就會破壞。令孔隙彈性常數為1，分別研究裸眼井水力壓裂中垂直裂縫和水平裂縫形態(tài)相應的造

12、縫條件。地層破裂極限條件下的注入壓力即為地層破裂壓力(fracture pressure)。 1) 形成垂直裂縫如果注入壓裂液濾失到地層，井壁上有效周向應力為周向應力與注液壓力pi之差，即由最大張應力準則，當井壁巖石的周向應力 達到井壁巖石水平方向的最小抗張強度 時，巖石將在垂直于張應力方向脆性斷裂而形成垂直裂縫。2）形成水平裂縫當注入壓裂液向地層濾失，將增大垂向應力。其增量與水平方向應力增量相同，綜合前述推導分析可得：無論是形成垂直裂縫或水平裂縫，壓裂液向地層濾失時，由于流體傳遞了該壓力而使破裂壓力有所降低。但壓裂液向地層濾失增加了地層污染可能性。3 破裂壓力梯度破裂壓力梯度(fractur

13、e pressure gradient)定義為地層中某點破裂壓力與該點深度的比值，1) 理論計算。忽略構造應力和巖石抗張強度影響。對于均勻水平應力場，假設孔隙彈性常數為1， 忽略了構造應力和巖石抗張強度影響，因而與實際情況存在一定差異。2）統計方法。油田使用的地層破裂壓力梯度通常是根據大量的壓裂實踐統計出來的。一般范圍在1525 kpa/m之間，個別地區(qū)可達36 kpa/m。根據破裂壓力梯度可以大致估算壓裂裂縫形態(tài)。當f 2225 kpa/m, 形成水平裂縫。三、降低破裂壓力的途徑當地層破裂壓力較高，通過優(yōu)化施工參數、壓裂管柱和壓裂液性能，壓裂泵車仍無法有效破裂地層時必須設法降低地層破裂壓力。主要途徑包括：1. 改善射孔參數應力場與地應力狀態(tài)(大小、方向)、射孔孔眼參數（直徑、孔深和孔密）、射孔壓力、孔眼方向與地應力方向的夾角等有關。因此，優(yōu)化射孔參數、改進射孔工藝可以降低破裂壓力。2. 酸化預處理主要機理是溶解膠結物成分而降低巖石膠結強度