本科畢業(yè)設計水力壓裂裂縫控縫高技術應用分析

1、水力壓裂裂縫控縫高技術應用分析摘要:壓裂裂縫高度的估計和確定目前已經(jīng)成為壓裂過程中最為關鍵的技術之一。因為裂縫高度在垂向上的過度延伸不僅僅會降低裂縫的長度和寬度甚至會導致多余水和氣的產(chǎn)出。而裂縫的長度和寬度變小使得壓裂后油井的產(chǎn)量遞減快，增產(chǎn)有效期短，影響最終采收率，導致壓裂效果不好。如果裂縫延伸進周圍的水層或氣層，會導致油井產(chǎn)出多余水和氣，導致壓裂失敗。目前國內(nèi)外有很多控制裂縫高度的技術在油田實施，取得了很好的效果。而出于經(jīng)濟上的考慮，壓裂施工前估計裂縫高度并判斷是否需要控制裂縫高度是非常重要的。本文在研究國內(nèi)外資料的情況下總結(jié)，分析了裂縫高度的主要影響因素，并對其中最為重要的三個因素（地應

2、力，楊氏模量，界面滑動）進行了詳細的分析和總結(jié)。在查閱國內(nèi)外大量資料的情況下，嘗試弄清楚各個因素對于裂高度影響的作用機理。在巖石力學性質(zhì)理論相結(jié)合的基礎上，我們得到以下的結(jié)論。其中，一般情況下地應力對于裂縫高度的影響最為明顯。并且通過對地應力分布進行分析，可以直接預測裂縫高度。楊氏模量和界面滑動對于裂縫高度的影響次之。本文的主要目的是為了在壓裂施工前采用一個簡單的方法估計裂縫的大概高度，并根據(jù)地層情況判斷是否需要控制裂縫高度。為施工人員提供一個參考。由于目前壓裂施工控制裂縫高度可以通過建立三維裂縫延伸方程和模型，并采用相關軟件來計算實現(xiàn)。所以本文對此沒有做詳細的探討。關鍵詞：水力壓裂；控縫高；

3、巖石性質(zhì)Analysis of hydraulic fracture height control technologyAbstrct :Fracture and determine the estimated height of fracturing process has become one of the most critical technologies.Because the height of the vertical cracks over extended not only reduce the length and width of ,but also lead to ex

4、cess water and gas output.The length and width of cracks smaller makes the production of oil wells decline fast.after fracturing . If the crack extends into the surrounding water layer or gas layer,will lead to excess water, oil and gas production, leading to fracture failure.There are many cracks a

5、t home and abroad control the implementation of high technology in the field and achieved good results.A high degree of fracturing and crack the pre-construction estimates to determine whether the need to control fracture height is very important.Based on the study summed up the case of domestic and

6、 international data, analysis of the main factors affecting fracture height, the most important of the three factors (stress, Young's modulus, interface sliding) carried out a detailed analysis and summary.Access to large amounts of data in the case of domestic,try and find out the various facto

7、rs on the mechanism of high-impact fracture.According to the theory of mechanical properties of rock,we get the following conclusions.Stress fracture height for the most obvious effects and through the distribution of stress analysis,can predict fracture height.Young's modulus and interfacial fr

8、acture height of sliding for the second.The main purpose of this paper is to use in the fracturing before the crack of a simple method to estimate the approximate height and ground conditions to determine whether under the control of fracture height. Provide a reference for construction personnel. C

9、ontrol of cracking due to the current high degree of fracturing can be three-dimensional fracture propagation through the establishment of equations and models, and uses software to calculate the implementation. Therefore, this article does not do detail.Keywords: hydraulic fracturing; control slot

10、height; rock property目錄1 緒論11.1 概述11.2 垂向裂縫和水平裂縫的形成11.3 裂縫在垂向上過度延伸的危害及控制裂縫高度的意義22 縫高影響因素分析42.1 概述42.2 地層的應力差42.2.1 背景資料42.2.2 理論證明及裂縫高度理論計算方法52.2.3 油層在不同應力場下裂縫高度72.3 楊氏彈性模量82.3.1 平均模量地層中裂縫延伸情況82.3.2 不同楊氏模量下裂縫延伸情況92.4 界面滑動（剪切裂縫）112.5 小結(jié)123 巖石力學基礎和裂縫高度估算153.1 概述153.2 引言153.3 地應力的測量和計算153.3.1 應力定義153.3

11、.2 地應力的測量163.3.3 計算應力184 實例分析224.1 地層情況及測井數(shù)據(jù)224.2 計算地層巖石物性參數(shù)224.3 地層應力計算235 裂縫高度的測量255.1 引言255.2 溫度測井255.3 放射性測井和噪聲測井265.4 直接測量265.5 新技術276 國內(nèi)外控縫高技術介紹286.1 人工隔層技術286.2 變排量壓裂技術296.3 注入非支撐劑段塞控制縫高技術306.4 調(diào)整壓裂液的密度控制縫高技術306.5 冷卻地層控制縫高技術306.6 酸和低排量工藝技術誘發(fā)地層破裂技術306.7 用低粘度，低排量和70/140目砂來控制裂縫的高度技術306.8 利用地應力高的

12、泥質(zhì)隔層控制裂縫高度技術316.9 利用施工排量控制縫高度技術31參考文獻32致謝341緒論1.1概述在壓裂設計中了解垂直裂縫高度的知識非常重要，裂縫高度對裂縫長度有著顯著的影響。從油田實際的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，縫長與縫高成反比。在很多情況下，作業(yè)全過程中縫高不是保持不變而會延伸。在此情況下，需要發(fā)展估計縫高的方法。而實際壓裂過程中裂縫在垂直方向上過度延伸會產(chǎn)生很嚴重的后果。所以需要在壓裂前判斷是否需要控制裂縫高度。1.2 垂向裂縫和水平裂縫的形成在地層中造縫，形成裂縫的條件與地應力及其分布、巖石的力學性質(zhì)、壓裂液的性質(zhì)及注入方式等密切相關。一般情況下，地下巖石由于埋藏在地下深處，所以承受著很厚的上

13、覆巖層的重力，而且又受到鄰近巖石的擠壓，地層中的巖石處于壓應力狀態(tài)，作用在地下巖石某單元體上的應力為垂向主應力P1，及水平主應力P2。垂向主應力即該深度以上覆蓋地層所形成的壓力水平應力一部分是由垂向應力誘導產(chǎn)生，如果水平應力僅由垂向應力誘導產(chǎn)生，那么在各個方向上應該相同。水平應力的另一來源是構(gòu)造應力，由于受構(gòu)造運動等方面的影響，兩個水平應力一般并不相等，根據(jù)其大小分別稱為最大水平主應力和最小水平主應力。埋藏在地下深處的巖石，具有彈性與脆性。油層在形成裂縫時，首先發(fā)生彈性變形，當超過彈性限度后，油層才開始發(fā)生脆性斷裂。如果巖石單元是均質(zhì)的各向同性材料，當已知地層中各應力的大小，油層裂縫的形成即巖

14、石破裂時，首先發(fā)生在垂直于巖石最小主應力軸的方向或油層最薄弱的地方。裂縫的形態(tài)與方位油層通過水力壓裂后形成的裂縫，有兩種形態(tài)：即水平裂縫和垂直裂縫。裂縫的形態(tài)，取決于地應力中垂向主應力與水平主應力的相對大小。裂縫方位垂直于最小主應力軸。（1）水平裂縫。如果垂向主應力小于水平主應力時，將產(chǎn)生水平裂縫，且裂縫方位垂直于軸。（2）垂直裂縫。當垂向主應力大于水平主應力時，則產(chǎn)生垂直裂縫。而裂縫方位又取決于兩個水平主應力的大小。裂縫垂直于最小水平主應力，而平行于最大水平主應力。圖1-1水平裂縫和垂直裂縫產(chǎn)生原理示意圖圖1-1顯示裂縫面上不同大小的水平及垂直應力的影響，經(jīng)驗告知，深于305610m通常形成

15、垂直裂縫。垂直裂縫通常由于上層或下層較高的側(cè)應力而阻滯或停止延伸。1.3裂縫在垂向上過度延伸的危害及控制裂縫高度的意義裂縫在垂向上過度延伸容易產(chǎn)生很多不利的影響。通過查閱資料，將垂直裂縫過度延伸的危害歸納為下面五個方面：（1）壓開油水層如果目的層上下有水層時，裂縫穿透含水層會導致油氣井水淹，降低油氣藏的采收率。對于有含有氣頂?shù)挠筒兀瑝洪_后還存在“引氣入井”的危險，如圖1-2所示。圖1-2（2）裂縫長度變短同樣施工規(guī)模下，裂縫在垂向上過度延伸會降低裂縫的長度，裂縫長度過短壓裂后產(chǎn)量遞減快且增產(chǎn)有效期短，影響壓裂效果。圖1-3裂縫長度和高度的模擬計算所繪制出來的關系圖由圖中可以看出裂縫高度與裂縫長

16、度大約成反比關系。（3）支撐劑下沉當裂縫在垂向上過度延伸，特別是裂縫過度的向油氣層下部地層延伸時，支撐劑由于重力的作用會向裂縫的下部沉降。如果大部分支撐劑分布在油氣層的下部地層，只有極少部分分布在目的層段，將會大大影響壓裂效果。（4）破壞開發(fā)層系對于分層開采的油藏而言，如果裂縫過度延伸將目的層鄰近不屬于同一開發(fā)層系的油層一起壓開，將破壞開發(fā)層系。（5）砂堵裂縫垂向上過度延伸，動態(tài)裂縫寬度會急劇變窄。中高砂比甚至低砂比就可能產(chǎn)生嚴重的砂堵，從而造成施工失敗12。由此可見，壓裂施工前，如果對于垂直裂縫高度沒有進行判斷和預測，盲目進行壓裂不僅可能影響產(chǎn)量和壓裂效果甚至可能造成壓裂失敗和地層的損害。而

17、裂縫高度的預測和判斷在一定的條件下是可以實現(xiàn)的。盡管目前由于理論不夠完善，技術不夠先進，及現(xiàn)實數(shù)據(jù)不全等原因?qū)α芽p實際高度不能夠做到精確預測，但是在壓裂前對裂縫高度進行近似的估計是非常必要的。如果估計的裂縫高度延伸出目的層進入周圍的水層或氣層及其他生產(chǎn)層系，那么在壓裂設計中就要考慮采用控縫高技術3。由于技術限制，理論不夠完善及地層的復雜性等各種原因，裂縫高度的預測往往和實際有不小的差距。所以壓裂過程中，只要有條件就要對實際的壓裂裂縫高度進行監(jiān)測。將實際的裂縫高度與預測值對比，不斷完善裂縫高度計算的理論。2 縫高影響因素分析2.1 概述水力壓裂時，為了防止裂縫在垂直方向上的過分延伸，溝通上下油其

18、層或水層，同時也為了提高壓裂液和支持接的利用率，降低壓裂成本，提高油氣井的生產(chǎn)能力，國內(nèi)外的許多學者，專家對控制水力壓裂裂縫高度這一課題進行了長期不懈的努力，進過文獻查閱表明，油氣層與上下隔層的地應力差、巖石彈性模量、界面剪切裂縫等因素對裂縫高度影響最為明顯。很多學者建立了不同的模型和理論來解釋和預測地層裂縫高度。但是實驗室數(shù)據(jù)，理論計算值跟井場實際測量值之間依然存在很多矛盾。對于裂縫高度的影響因素國外研究很多，爭議也比較多。國內(nèi)對這方面的研究雖然結(jié)論相對統(tǒng)一，但是具體機理解釋太過籠統(tǒng)，各種分析不夠詳盡。對于裂縫高度影響因素大多關注理論分析，對實際井的分析還不夠。對于各影響因素對于裂縫高度的影

19、響分析比較簡單，概括，涉及具體某些井發(fā)生的情況還不能夠清楚的解釋。下面將對裂縫高度的影響因素的作用機理進行分析。2.2 地層的應力差過去人們一直認為地應力是影響垂直裂縫高度最重要的因素，理想的裂縫高度等于目的層的厚度，裂縫在垂向上過度延伸會帶來很多不利影響。壓裂的目的是在地層中形成一條具有一定幾何形態(tài)和導流能力的裂縫。因為裂縫在地層中的張開與擴展主要受地應力場、流體場和溫度場的控制。而地應力場對裂縫的形成和形態(tài)的影響尤為顯著。對于壓裂改造形成垂直裂縫的井而言，人們希望裂縫高度能夠控制在油氣層內(nèi)。長期實踐中發(fā)現(xiàn)，很多時候裂縫都會穿過目的層而進入鄰近的隔層內(nèi)。影響裂縫高度的諸多因素中，地應力的影響

20、尤為顯著35。2.2.1 背景資料Perkings和Kern，Harrison等人早就提出儲層與邊界層之間的應力差對遇到裂縫擴展有重要的影響。他們的觀點得到了理論，實驗以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的支持，這些都表明地應力差是控制裂縫高度的最重要的因素4。在一個裂縫可以挖開進行觀察的坑道實驗中，清楚地顯示了地應力顯著比巖石性質(zhì)起更重要的作用。在靠近不同物質(zhì)性質(zhì)的接觸面和應力差異的地方打水平孔，用染色的水壓開裂縫。如圖所示，裂縫向上延伸進硬的，高強度，高模量的地層，但是他們不能向下延伸，通過薄的高應力層。應力差異的重要性很清楚地可在20個單獨的壓裂試驗中看到，這里沒有一個試驗能看出是物質(zhì)性質(zhì)（模量和強度）起主要影

21、響的。實驗室實驗同樣也證明了這種特性。兩種物質(zhì)接觸面附近的裂縫行為并沒有顯示因物質(zhì)性質(zhì)不同而產(chǎn)生的明顯影響，而應力顯著的差異卻能阻礙甚至中止裂縫增長。由于邊界層常常是軟的，富含粘土的物質(zhì)多具有高應力的頁巖組成，因此這對水力裂縫垂向控制是很有利的。這種軟的，富含粘土的物質(zhì)之所以具有高應力是因為它近似于水靜力平衡狀態(tài)，水平應力應該接近于上覆巖石應力。理論證明及裂縫高度理論計算方法地應力差異的重要性能夠用一個簡單的力平衡的例子來說明。圖2-1如考慮圖2-1是一對稱的情況，2=3，b2=b3=h2，且忽略巖石的彈性和巖石的強度。設裂縫處于平衡，這樣壓力產(chǎn)生的內(nèi)力和由應力產(chǎn)生的外里相等，于是能用來估算裂

22、縫高度。結(jié)果得到：2Pa=1h+22a-h （2-1）重新排列得到2a=h（-Pnet） （2-2） 式中，=2-1，Pnet=p-1。這樣如果凈壓力等于應力差的一半，裂縫的高度就加倍。這種簡單的方法對舉例說明或心算是有用的，但在壓裂設計時，還必須用更復雜的分析.如果忽略物質(zhì)性質(zhì)的變化。并且假定在水力裂縫中垂直方向的壓力分布是常數(shù)，那么就可在應力層的介質(zhì)中計算裂縫高度。這種計算雖然簡單但很重要，它是由Simonson4等人對于對稱幾何形狀提出的，但很容易推廣到更復雜的情形?；旧希@種分析是在應力分層的介質(zhì)中，對于裂縫內(nèi)部壓力給定的情況下計算水力裂縫的平衡高度。在裂縫的頂部和底部計算應力強度因

23、子，讓它等于材料的斷裂韌性，從而根據(jù)應力場確定裂縫的高度，裂縫的位置或中心。對圖中所示的幾何形狀，裂縫頂端的應力強度因子能由下式確定：K1top=1a-aaP（y）a+ya-ydy （2-3）正如Rice給出的。這里，a是裂縫半高度，P（y）張開裂縫內(nèi)部凈壓力分布。凈壓力分布是py=p-3對于-ay-b （2-4）py=p-1對于-b3y-b2 （2-5） py=p-2對于b2ya （2-6） 附加的約束是：b3=h-b2 （2-7）等式的積分和在裂縫底部得到的類似的積分式產(chǎn)生兩個方程，用這兩個方程求解裂縫高度。把兩個方程相加、相減后得到的形式是：K1ctop+K1cbottom2a=2-1s

24、in-1（b2a）+3-1×sin-1b2a-2+3-2p2 （2-8）K1cbottom-k1Ctop2=2-1a2-b22-3-1a2-b32 （2-9）在解這兩個方程時，一般來說，給出壓力p，一個方程就可以用來計算裂縫高度，但這需要兩個方程的反復迭代解4。在對油田實際壓裂效果的研究基礎上。D M Talbot 認為 1.4- 4.8 MPa 的地層應力障礙可有效的減緩或停止裂縫高度的生長1。油層在不同應力場下裂縫高度在水力壓裂過程中，水力裂縫最先在底層最小水平主應力剖面的最小應力段開始產(chǎn)生起裂縫。裂縫高度也在最低應力段擴展，裂縫高度的升高或降低的動態(tài)變化也是隨著地層剖面上最小水

25、平主應力的變化而變化。當裂縫中的壓力值大于某一段的最小水平主應力值時，裂縫將穿透這一層，當裂縫中壓力值小于某一層的最小水平主應力值時，裂縫將不能夠穿過這一層。由此可見地層最小水平主應力在垂直剖面上的大小變化直接影響裂縫高度。油層和隔層地應力在垂相剖面上的變化情況主要有4種：油層在低應力區(qū)，油層在較高應力區(qū)，油層在高應力區(qū)，油層在高低應力交界。（1）油層在低應力區(qū)油層在地應力區(qū)，隔層在高應力區(qū)裂縫高度將被限制在地應力區(qū)如圖2-2所示。圖2-2（2）油層在較高應力區(qū)此時裂縫高度將穿過較高應力區(qū)進入低應力區(qū)如圖2-3所示。圖2-3（3）油層在高應力區(qū)油層處在高應力區(qū)，在這種情況下進行壓裂施工，油層部

26、分將很難壓開，施工將進行的非常困難，有時可能壓穿所有低應力區(qū)，裂縫高度將很難控制。如圖2-4所示。圖2-4（4）油層在高低應力交界處當油層處于高低應力交界處時，若高低應力區(qū)應力差別較大，那么裂縫在低應力層中，若應力差別不大，那么裂縫在低應力區(qū)易被壓開，高應力區(qū)不易被壓開。如圖2-5所示。圖2-5在構(gòu)造穩(wěn)定的地區(qū)，水平應力一般小于垂向應力；在構(gòu)造活動比較強烈的地區(qū)和盆地的周邊地區(qū)，水平應力一般大于垂向應力。垂向應力主要與埋深有關，隨深度呈線性增長。水平地應力也隨埋深增加而增大，一般情況下水平應力的兩個主應力分量一大一小具有明顯的方向性，最大主應力和最小主應力相差1.43.3倍4；在一個相當大的區(qū)

27、域內(nèi)，最大主應力方向是相對穩(wěn)定的，并與區(qū)域控制的構(gòu)造變形場一致。當垂向應力小于兩個水平應力時，壓裂后形成水平縫；當垂向應力大于兩個水平應力時，壓裂后形成垂直縫。2.3楊氏彈性模量2.3.1 平均模量地層中裂縫延伸情況縫高隨彈性模量的增加而增加，是由于在相同的排量，濾失速度下，楊氏模量越大，裂縫越窄，裂縫將向縫高方向發(fā)展，以滿足液體體積平衡的要求。這一結(jié)論的前提條件是假設了在一個平均的地層楊氏模量下的裂縫延伸情況。隨著壓裂技術應用的越來越普遍，平均地層楊氏模量這一假設受到了挑戰(zhàn)。越來越多的人開始研究裂縫在不同楊氏模量地層中的延伸情況。2.3.2 不同楊氏模量下裂縫延伸情況最近有研究表明楊氏模量對

28、裂縫影響的作用機理比較復雜，對于不同的地應力和地層情況,模量差對裂縫高度的影響有很大的差異。隨著測斜儀和微地震技術的發(fā)展，得到了很多實際的壓裂過程中裂縫高度的實際尺寸。將這些實際尺寸預測的尺寸相比較我們發(fā)現(xiàn)實際裂縫的高度要比建立的模型所預測的裂縫高度小的多10。一般來說對裂縫與界面層的相對位置而言，考慮以下兩種情況的影響:一種是裂縫接近界面層，一種是裂縫穿過界面層，當裂縫從低模量層接近高模量層時，應力強度因子減小，理論上當裂縫的尖端接近界面時，應力強度因子接近于零值，在這種情況下，裂縫很可能在沒傳遞到高模量地層時，高模量地層已經(jīng)產(chǎn)生裂縫。實踐和井場數(shù)據(jù)表明裂縫可以越過界面向高模量地層傳播。當裂

29、縫從高模量地層向低模量地層傳播時，應力強度因子擴大到無限大，因此裂縫容易向低模量地層延伸，但是一旦裂縫尖端延伸到低模量地層，那么裂縫向低模量地層延伸能力就降低了。表2-1中間層模量高，外部層模量應力差/MPa楊氏模量（6.895GPa）（頂層/中間層/頂層）縫高/m縫長/m縫寬/cm凈壓力/MPa10.34255/5/532.309265.1760.4067.31610.34251/5/118.898270.6620.6153.82710.34250.5/5/0.517.37427604540.5792.1936.8955/5/558.522247.1930.3005.9306.8951/5/

30、121.336264.2620.6383.9236.8950.5/5/0.518.288272.1860.6102.2683.44755/5/5254.508186.2330.1933.4483.44751/5/144.806235.0010.4852.9303.44750.5/5/0.522.250258.7750.6482.324表2-1中表明,外部低模量地層中的裂縫比平均模量地層中的裂縫受到更多的限制(即縫高較小,而縫長較長)。當外部地層的模量比中間層小510倍時,裂縫的高度明顯地減小。以前許多研究考慮的是相反的情形,即中間層的模量低而外部層的模量高。這些研究表明外部高模量阻礙了縫高的增

31、長,因此容易邏輯性地得出外部低模量會增強裂縫的延伸的結(jié)論。事實上,外部低模量不是增強而是阻礙了裂縫高度的發(fā)育,這種影響與直覺是相反的。外部地層低模量限制縫高發(fā)育的主要原因是裂縫寬度變形和流體壓力的耦合效應。注入速率一定,流體壓力由裂縫寬度和縫內(nèi)的流體流量決定，在層狀地層中,裂縫寬度不僅依賴于局部模量,也受到臨近地層模量的影響。當外部地層模量低于中間地層模量時,中間層的裂縫寬度較寬。較寬的裂縫對流體流動的阻力較小,因此流壓較低。在相同應力差的條件下,低的凈壓力產(chǎn)生的裂縫高度更低一些,因為水力壓裂施工通常都是采用恒定的注入率。這項研究中得到的結(jié)果比基于穩(wěn)定內(nèi)壓得到的結(jié)果更有意義。裂縫的尖端越過交界

32、面由高模量地層進入低模量地層時,由于低模量應力強度因子將會減小。盡管在低模量地層裂縫的寬度會更大一些,但是寬度上的增加不足以彌補模量上的減小，因為從高模量地層到低模量地層縫寬是連續(xù)的,并且中間層的高模量會限制縫寬的發(fā)育。事實上,由于裂縫會稍微穿透到外部地層,交界面上的縫寬與模量比的平方根成線性關系。因為應力強度因子正比于外層模量,外部層低模量總的影響表現(xiàn)為外部層較小的應力強度因子。以上的討論是基于二維平面應變假設,三維裂縫的分析顯示了相似的結(jié)果。用三維的分析對穿過雙邊介質(zhì)的扁平形裂縫周圍的應力強度因子進行了計算,盡管低模量地層中裂縫寬度大于高模量地層中的,但是其應力強度因子小于高模量地層的。應

33、力強度因子與斷裂韌性的匹配決定了裂縫高度的增長,由于斷裂韌性明顯不依賴于巖石的類型,在研究變量時我們假定所有層的斷裂韌性都是相同的。在這個工況中,外層較低的應力強度因子意味著裂縫的尖端越過交界面以后裂縫高度的增長很小,如果低模量地層的斷裂韌性較大,而高模量地層的較小,這種影響將會更加明顯;反之,這種影響將會減弱。表2-2中間層模量低，外部層模量高應力差/MPa楊氏模量（6.895GPa）縫高/m縫長/m縫寬/cm凈壓力/MPa10.34250.5/0.5/0.516.764185.6230.9861.53810.34251/0.5/117.374185.6230.9701.98610.3425

34、5/0.5/518.288186.2330.9372.7176.8950.5/0.5/0.517.374184.0991.0011.6826.8951/0.5/0.518.288184.4040.9801.9826.8955/0.5/519.507184.7090.9422.7243.44750.5/0.5/0.519.057180.4221.0041.5583.44751/0.5/121.336181.0510.9731.9583.44755/0.5/530.785181.3560.6452.503我們接下來考慮表2-2中的工況,在這些工況中外部地層的模量高于中間層的。當外層的模量高縫時,裂

35、縫的高度較大。盡管只有在應力差為3.447 5 MPa、模量差為10倍的工況中裂高度的差別才非常明顯,但是得出的所有結(jié)論都與直覺不同,并且與其他研究結(jié)論相反。對于特定的裂縫長度,模量差較大時裂縫的高度則比較小。表2-2中,相同應力差下裂縫的長度幾乎是相同的,并且外層模量較高時裂縫的高度比較大。即使對于中間層部分,若外層模量較高則裂縫的寬度也會受限,即裂縫的寬度相對窄一些,如表所示。給定注入速率,在相同應力差的條件下,流體壓力較高,裂縫的高度也較大。差異的另外一個原因就是縫端越過交界面進入高模量地層以后應力強度因子更大。盡管在外部地層高模量的工況中,裂縫的高度較大,但是由于應力差和高模量的影響,

36、高模量層內(nèi)部裂縫寬度通常都非常小。表2-2顯示的是平均模量和外部層高模量兩個工況中寬度剖面的對比。在外層高模量的工況中增加高度的部分裂縫寬度非常窄。中間層中高模量對裂縫寬度的影響是很明顯的,盡管在中間層(位于正負7.62 m之間)有模量差的工況中壓力高出60%左右,但是最大裂縫寬度幾乎是一樣的。并且在界面(位于正7.62 m和負7.62 m的位置)附近有模量差的工況中的裂縫寬度甚至小于平均模量中的裂縫寬度。2.4界面滑動（剪切裂縫）地應力差可以限制裂縫增長，它是通過在高應力區(qū)夾緊裂縫的頂端和減少裂縫寬度來實現(xiàn)的。模量差異通過減少裂縫寬度從而限制流體流動來減緩裂縫在油層以外的延伸。這兩種情況在它

37、產(chǎn)生明顯影響前，裂縫已穿過進入了遮擋層。當存在剪切裂縫，發(fā)生界面滑移時，能立即終止裂縫延伸。因此很顯然，當界面發(fā)生滑動時，它是最有利的遮擋層5。Anderson、Tenfel和Clark以及Tenfel研究了界面的容量問題1113，發(fā)現(xiàn)它被作用于界面上的摩擦剪應力所控制。當摩擦力小的時候，裂縫前部的張應力不容易傳遞穿過界面，因此滑動就可能發(fā)生。這很有效地阻止了裂縫的增長。當摩擦力大的時候，裂縫就能穿過界面，因為應力很容易傳遞通過它。由于摩擦剪應力依賴作用于界面上的有效法向應力，因此僅在法向應力很小或摩擦系數(shù)很小處，剪切滑動才有可能發(fā)生。在正常情況下，這種滑移有可能發(fā)生在很淺的，上覆巖層應力小的

38、地方。因為界面一般是水平的，法向應力通常就等于上覆巖層應力。但是，不正常的情況也可能發(fā)生，在很深的地方剪切應力卻很小。有兩種明顯的情況，一種是超壓油藏，在那兒由于孔隙壓力高，因此有效應力低；另一種界面是粘土或斷層因而界面摩擦系數(shù)可以忽略不計。壓力深度（a）界面沒有剪切力（b）界面存在剪切力圖2-6 假設的地應力狀況圖（a）和實際的地應力狀況圖（b）2.5 小結(jié)近年來國內(nèi)外的許多學者對控制水力壓裂裂縫高度研究表明:除了油氣層與上下隔層的地應力差、巖石彈性模量、界面滑動對裂縫高度有影響，泊松比、施工排量、壓裂液的流變性、綜合濾失系數(shù)以及施工規(guī)模(裂縫長度和注液時間)等因素也會影響裂縫的垂向延伸。下

39、面是根據(jù)M氣田的地層情況，主要研究S氣層的地應力差、楊氏摸量、排量、液體粘度、液體造壁濾失系數(shù)等因素對裂縫高度增長的影響。取基準裂縫半長L=250m，由計算機軟件計算的到的直觀分析圖：圖2-7圖2-8圖2-9圖2-10圖2-11隔層應力差對裂縫高度的影響比較明顯，裂縫高度隨隔層應力差的增加而呈現(xiàn)明顯的降低趨勢，應力差從2MP獷曾加至SMPa，井底縫高從70m減至24m(見圖2-7)，相差較大。應力差是影響S氣層縫高的主要因素。分別取彈性模量1.5x104,2.8x104,4.5x104MPa，從圖2-8中可以看出縫高隨彈性模量的增加而增加。這是由于在相同的排量、時間及濾失速度下，楊氏模量越大，

40、裂縫則越窄，裂縫將向縫高方向發(fā)展，以滿足液體體積平衡的要求，從變化的幅度來看，地層的楊氏模量也是影響S氣層縫高的重要因素之一。而施工排量從1.6、2.4m3/min增加到3.2m3/min ,縫高從20m增加至40m，從圖2-9中可以看出裂縫高度隨著施工排量的增加而增加。而濾失系數(shù)從4 x 10-4增加到9 x 10-4m/min0.5，裂縫高度變化不大(見圖2-10)。壓裂液粘度為250mPa *s時，裂縫高度為20m，超過該值后，裂縫高度增長較快(見圖2-11)。3巖石力學基礎和裂縫高度估算3.1概述本章討論巖石力學部分，它是研究裂縫高度所需要的。首先討論地應力，楊氏模量，泊松比和巖石斷裂

41、韌性等參數(shù)物理意義和測量方法，然后給出它們與裂縫高度的一個簡單的定量關系，并討論了裂縫高度的計算方法。為后面的是否需要進行控縫高判斷打下理論基礎。3.2引言巖石力學是描述巖石的力學行為的理論和應用科學，這門學科的分支涉及到巖石對其周圍物理環(huán)境的力場地響應。在水力壓裂中，巖石力學性質(zhì)在決定油藏的力學性質(zhì)及地應力狀態(tài)，計算由于施工所引起的巖石物質(zhì)的變形及在決定裂縫的最終幾何形狀方面是很重要的。在壓裂施工的設計和分析中，通常涉及的力學性質(zhì)是：（1）彈性性質(zhì)，如楊氏模量和泊松比：（2）強度性質(zhì)，如斷裂韌性、抗張強度和抗壓強度：（3）可延性；（4）摩擦；（5）孔隙彈性參數(shù)等。由上一章我們知道，從總的壓裂

42、設計來說最重要的因素是就地應力場。應力不僅控制或影響裂縫行為的許多方面，而且還影響油藏性質(zhì)和巖石的力學性質(zhì)。例如，圍限應力的增加一般導致強度的增加，滲透率和孔隙度的減少以及綜合影響楊氏模量和泊松比的結(jié)果。如前面提到，其他因素如楊氏模量，界面滑動（摩擦）在某些條件下對裂縫高度的影響也會變得重要。但是由于目前研究資料相對較少，且其他影響因素機理相對復雜，下面僅將地應力做為重點進行討論。3.3 地應力的測量和計算在討論地應力以及計算地應力前，先定義某些常用的應力項是有益的。應力定義（1）閉合壓力和閉合應力Nolte定義閉合壓力為開始張開一條已經(jīng)存在的裂縫所需要的流體壓力。這個壓力和巖層中垂直于裂縫面

43、的應力大小相等，方向相反。這個應力就是最小主應力。（2）裂縫延伸壓力裂縫延伸壓力是延伸一條存在著地裂縫所需要的壓力。一般它比閉合壓力大，而且依賴與裂縫大小和壓裂施工特點。（3）瞬時停泵壓力瞬時停泵壓力（ISIP）是在水力壓裂停泵時刻的壓力。這個壓力可以高于閉合壓力幾個psi到幾百個psi不等，與壓裂施工和巖石有關。大的壓力降落可能是流體穿過孔眼或其他的流動入口的阻力引起的，也可能是流體穿過孔眼或其他的流動入口引起的。瞬時停泵壓力一般比閉合應力大，但是在低滲透巖層進行很小規(guī)模的施工中，它將接近閉合壓力。（4）有效應力有效應力的概念是基于土力學的研究。它表明均勻的孔隙壓力p，對土壤的力學性質(zhì)和行為

44、都有影響。有效應力用來控制模量、滲透率以及其他一些對應力很敏感的性質(zhì)。（5）原始應力原始應力是指在鉆井、完井、產(chǎn)油前油藏所存在的就地應力。三個主應力之一，上覆巖石應力一般是垂直的而且較好的近似等于覆蓋巖層的重量。一般巖石力學文獻中正應力指的是壓縮應力。上覆巖石應力可以通過容積密度測井曲線從地表面到所需深度的積分來估算。在沉積盆地，上覆巖石應力梯度的典型范圍是1.0到1.1psi/ft23到25kpa/m。另外兩個水平主應力值是可變的，并且一直是研究和討論的題目。Hubbent和willis進行了簡單的實驗室和理論分析，表明水平有效應力值的范圍可能大約是三分之一到三倍的有效的上覆巖層應力。利用簡

45、單的沙箱試驗，他們認為在發(fā)生正斷層處為小于三分之一的值，在發(fā)生逆斷層處為大于三倍的值。地應力的測量目前，測量一定深度就地應力狀態(tài)的唯一可靠的方法是水力壓裂技術。兩種技術是常用的：標準的水力壓裂測量和階梯式速率/回流方法。（1）水力壓裂應力測試方法作為應力測良的工具的水力壓裂技術是基于Hubbert和Willis的分析。在裸眼井的測試中該技術已經(jīng)廣泛使用并討論過；當測試充分進行時，能得到精確的而且能重復的地應力最小主應力的預測以及可靠程度稍差一些的最大水平應力的估算。這種方法是用隔離器分隔所需測試的層段，泵人少量低粘液進入地層使之破裂，然后停泵測量ISIP。原則上最大水平應力是能確定的，雖然它更

46、復雜，而且通常需要分析巖石的孔隙彈性響應。但是對于大多數(shù)油氣井來說，要在裸眼的環(huán)境中進行這些實驗時不可能或不實際的。由于套管、水泥環(huán)、爆炸射孔損壞以及任意的射孔方向的影響，在套管和射孔井中進行這種應力測量會產(chǎn)生附加的復雜性。然而一些實驗和最近的結(jié)果表明通過孔眼精確的測量min是能做到的。而這些條件下Hmax的確定是不可能的。（2）階梯式速率/回流測試方法第二種應力測量技術。Nolte和Sminth使用的階梯式速率/回流試驗能求得最小應力的上限。液體以不同的速率注入已經(jīng)形成的裂縫中，對于每個速率記錄對應的“穩(wěn)定的”壓力。這壓力與流動速率繪制成圖3-1所示的曲線。在階梯式速率測試曲線上的拐點即為延

47、伸壓力。階梯式速率測試在每個速率點的壓力不穩(wěn)定情況下完成。每個注入速率能維持一個固定的時間間隔（5到10分鐘）。圖3-2顯示了一個實際的階梯式速率測試數(shù)據(jù)，這里延伸壓力高于閉合應力大約200psi【1.4MPa】。在階梯式速率測試測得延伸壓力也即對于閉合應力的一個上界時，這測試的回流部分卻是確定閉合壓力的一個好方法，如圖3-1所解釋。對這種方法，足夠量的液體以一定速率注入產(chǎn)生的裂縫（例如階梯式速率測試），緊接著以一恒定速率回流，這速率被可調(diào)節(jié)閥來控制，并被一個精確的低速率的流量劑來記錄數(shù)據(jù)。如果回流速率在正確的范圍內(nèi)，那么得到的壓力降落曲線在閉合壓力點處將產(chǎn)生曲率的反向（必須是從正到負）。壓力

48、曲率反向處加速的壓力降落是由于裂縫閉合造成流動受阻引起的。回流速率的正確范圍應該是對具體油田進行試算來完成的，而量級得范圍可確定為平均注入速率的1/10到1/4。圖 3-1確定裂縫閉合和延伸壓力的壓裂前后測試圖3-2階梯式速率和泵人、回流測試的應用用直接看圖來確定圖上曲率反向的點常常是困難的，一種比較好的分析技術是用最小二乘法來擬合數(shù)據(jù)。當計算得到第一或第二個導數(shù)時，反向點也就容易找到。計算應力本文的主要目的是為了在壓裂前期判斷是否需要控制裂縫高度，因此我們嘗試來建立最小主應力和巖石性質(zhì)，特別是泊松比的關系。而泊松比的測量通?？梢允褂寐暡y井來確定。（1）巖石彈性力學參數(shù)計算方法巖石彈性參數(shù)與

49、聲波波速的關系：在假定巖石均質(zhì)、各向同性的線彈性體的前提下，巖石的縱橫波速度與巖石彈性參數(shù)之間的關系可從牛頓運動定律及線彈性理論導出。設x，y,z方向的位移分別為u，v，w，于是其運動方程為: u2t2=K+G3x+G2u+Xu2t2=K+G3x+G2v+Yu2t2=K+G3x+G2w+Z (3-1)分別對公式中的X,Y,Z求偏導數(shù)并求和得到:2t2=K+43G2+Xx+Yy+Zz (3-2)從上式可知，通過彈性體的縱波傳播速度為:Vp=K+43G (3-3)用類似法可得到繞X軸的旋轉(zhuǎn)分量:2wxt2=G2wx (3-4)當體積力為常數(shù)時，由上式可知，傳輸旋轉(zhuǎn)具有橫波速度:Vs=G (3-5)

50、根據(jù)彈性力學參數(shù)之間的關系，即G=Ed2(1+ud) (3-6)K=Ed3(1-2ud) (3-7)將以上兩式代人縱、橫波速度又可分別表示為:Vp=Ed(1-ud)2(1+ud)(3-8)由上兩式可推得:ud=Vp2-2Vs22(Vp2-VS 2) (3-9)Ed=Vp2(3VP2-4Vs2)(Vp2-VS2) (3-10) 以上各式的符號說明如下:X，Y, Z-體積力在x, y，x方向的分力t-聲波在巖石中的傳播時間s-地層巖石體積密度g/m3G-巖石的剪切模量MPaK-巖石體積模量MPad-動態(tài)泊松比Ed-動態(tài)彈性模量MPaVp-縱波波速Vs-橫波波速通常取彈性模量和泊松比為獨立參數(shù)，其他

51、參數(shù)可通過這兩個參數(shù)轉(zhuǎn)換得到。根據(jù)前面對聲波波速與巖石彈性力學參數(shù)關系的分析，且由tp=1Vp，ts=1Vs可得到如下巖石彈性力學參數(shù)的計算公式:動態(tài)泊松比：d=12ts2-2tp2ts2-tp2 (3-11)動態(tài)彈性模量：Ed=（3ts2-4tp2）ts2（ts2-tp2）×9.299×107 (3-12)剪切模量： G=ts2×9.299×107 (3-13)不同巖石其剪切模量不同;相同巖石如果其特征相對均一,其剪切模量相近。地層破裂后可以使ts2值增加G值降低。體積模量：K=（3ts2-4tp2）3tp2×tp2×9.299&#

52、215;107 (3-14)其中:ts地層橫波時差，s/ft;tp地層縱波時差，s/ft。橫波時差的獲取：計算巖石彈性力學參數(shù)必需已知橫波時差，但由于多數(shù)井沒有進行全波列聲波測井，這樣只能通過常規(guī)測井的縱波時差獲?。?1) 求取橫波時差的經(jīng)驗公式：ts=tmas+（tfs-tmas）tp-tmaptfp-tmap (3-15)(2) Cristensen等人根據(jù)實測資料得出的橫波和縱波關系式1421：ts=tp1-1.151+13e132 (3-16)上式主要用于求取地層中砂巖層段的橫波時差值。最后，通過下式計算最小應力4：Hmin=d1-dz (3-17) 4 實例分析4.1 地層情況及測井數(shù)據(jù)圖4-1 定5132井油藏剖面解釋圖如圖4-1所