本科畢業(yè)設(shè)計(jì)-水力壓裂裂縫控縫高技術(shù)應(yīng)用分析

1、西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）水力壓裂裂縫控縫高技術(shù)應(yīng)用分析 摘 要:壓裂裂縫高度的估計(jì)和確定目前已經(jīng)成為壓裂過(guò)程中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。因?yàn)榱芽p高度在垂向上的過(guò)度延伸不僅僅會(huì)降低裂縫的長(zhǎng)度和寬度甚至?xí)?dǎo)致多余水和氣的產(chǎn)出。而裂縫的長(zhǎng)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(dǎo)致壓裂效果不好。如果裂縫延伸進(jìn)周圍的水層或氣層，會(huì)導(dǎo)致油井產(chǎn)出多余水和氣，導(dǎo)致壓裂失敗。目前國(guó)內(nèi)外有很多控制裂縫高度的技術(shù)在油田實(shí)施，取得了很好的效果。而出于經(jīng)濟(jì)上的考慮，壓裂施工前估計(jì)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(guó)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

2、素，并對(duì)其中最為重要的三個(gè)因素（地應(yīng)力，楊氏模量，界面滑動(dòng)）進(jìn)行了詳細(xì)的分析和總結(jié)。在查閱國(guó)內(nèi)外大量資料的情況下，嘗試弄清楚各個(gè)因素對(duì)于裂高度影響的作用機(jī)理。在巖石力學(xué)性質(zhì)理論相結(jié)合的基礎(chǔ)上，我們得到以下的結(jié)論。其中，一般情況下地應(yīng)力對(duì)于裂縫高度的影響最為明顯。并且通過(guò)對(duì)地應(yīng)力分布進(jìn)行分析，可以直接預(yù)測(cè)裂縫高度。楊氏模量和界面滑動(dòng)對(duì)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(gè)簡(jiǎn)單的方法估計(jì)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(gè)參考。由于目前壓裂施工控制裂縫高度可以通過(guò)建立三維裂縫延伸方程和模型，并采用相關(guān)軟件來(lái)計(jì)算實(shí)現(xiàn)。所以本文對(duì)此沒(méi)有做詳

3、細(xì)的探討。關(guān)鍵詞：水力壓裂；控縫高；巖石性質(zhì)35Analysis 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 o

4、f ,but also lead to excess 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.

5、 There are many cracks at 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 u

6、p the case of domestic and 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 an

7、d find out the various factors 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

8、's modulus and interfacial fracture 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 refer

9、ence for construction personnel. Control 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.Key words:

10、hydraulic fracturing; control slot 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(guò)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(yīng)力差42.2.1 背景資料42.2.2 理論證明及裂縫高度理論計(jì)算方法52.2.3 油層在不同應(yīng)力場(chǎng)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(dòng)（剪切裂縫）112.5 小結(jié)123 巖石力學(xué)基礎(chǔ)和裂縫高度估算153.1 概述153.

11、2 引言153.3 地應(yīng)力的測(cè)量和計(jì)算153.3.1 應(yīng)力定義153.3.2 地應(yīng)力的測(cè)量163.3.3 計(jì)算應(yīng)力184 實(shí)例分析224.1 地層情況及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)224.2 計(jì)算地層巖石物性參數(shù)224.3 地層應(yīng)力計(jì)算235 裂縫高度的測(cè)量255.1 引言255.2 溫度測(cè)井255.3 放射性測(cè)井和噪聲測(cè)井265.4 直接測(cè)量265.5 新技術(shù)276 國(guó)內(nèi)外控縫高技術(shù)介紹286.1 人工隔層技術(shù)286.2 變排量壓裂技術(shù)296.3 注入非支撐劑段塞控制縫高技術(shù)306.4 調(diào)整壓裂液的密度控制縫高技術(shù)306.5 冷卻地層控制縫高技術(shù)306.6 酸和低排量工藝技術(shù)誘發(fā)地層破裂技術(shù)306.7 用低粘度

12、，低排量和70/140目砂來(lái)控制裂縫的高度技術(shù)306.8 利用地應(yīng)力高的泥質(zhì)隔層控制裂縫高度技術(shù)316.9 利用施工排量控制縫高度技術(shù)31參考文獻(xiàn)32致 謝341 緒論1.1 概述在壓裂設(shè)計(jì)中了解垂直裂縫高度的知識(shí)非常重要，裂縫高度對(duì)裂縫長(zhǎng)度有著顯著的影響。從油田實(shí)際的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，縫長(zhǎng)與縫高成反比。在很多情況下，作業(yè)全過(guò)程中縫高不是保持不變而會(huì)延伸。在此情況下，需要發(fā)展估計(jì)縫高的方法。而實(shí)際壓裂過(guò)程中裂縫在垂直方向上過(guò)度延伸會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)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(yīng)力及其分布、巖石的力學(xué)性質(zhì)、壓裂液的性質(zhì)及

13、注入方式等密切相關(guān)。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(yīng)力狀態(tài)，作用在地下巖石某單元體上的應(yīng)力為垂向主應(yīng)力P1，及水平主應(yīng)力P2。垂向主應(yīng)力即該深度以上覆蓋地層所形成的壓力水平應(yīng)力一部分是由垂向應(yīng)力誘導(dǎo)產(chǎn)生，如果水平應(yīng)力僅由垂向應(yīng)力誘導(dǎo)產(chǎn)生，那么在各個(gè)方向上應(yīng)該相同。水平應(yīng)力的另一來(lái)源是構(gòu)造應(yīng)力，由于受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等方面的影響，兩個(gè)水平應(yīng)力一般并不相等，根據(jù)其大小分別稱為最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)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(shí)，首先發(fā)生彈性變形，當(dāng)超過(guò)彈性限度后，油層才開(kāi)始發(fā)生脆性斷裂。

14、如果巖石單元是均質(zhì)的各向同性材料，當(dāng)已知地層中各應(yīng)力的大小，油層裂縫的形成即巖石破裂時(shí)，首先發(fā)生在垂直于巖石最小主應(yīng)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(guò)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(yīng)力中垂向主應(yīng)力與水平主應(yīng)力的相對(duì)大小。裂縫方位垂直于最小主應(yīng)力軸。（1）水平裂縫。如果垂向主應(yīng)力小于水平主應(yīng)力時(shí)，將產(chǎn)生水平裂縫，且裂縫方位垂直于軸。（2）垂直裂縫。當(dāng)垂向主應(yīng)力大于水平主應(yīng)力時(shí)，則產(chǎn)生垂直裂縫。而裂縫方位又取決于兩個(gè)水平主應(yīng)力的大小。裂縫垂直于最小水平主應(yīng)力，而平行于最大水平主應(yīng)力。圖1-1 水平裂縫和垂直裂縫產(chǎn)生原理示意圖圖1-

15、1顯示裂縫面上不同大小的水平及垂直應(yīng)力的影響，經(jīng)驗(yàn)告知，深于305610m通常形成垂直裂縫。垂直裂縫通常由于上層或下層較高的側(cè)應(yīng)力而阻滯或停止延伸。1.3 裂縫在垂向上過(guò)度延伸的危害及控制裂縫高度的意義裂縫在垂向上過(guò)度延伸容易產(chǎn)生很多不利的影響。通過(guò)查閱資料，將垂直裂縫過(guò)度延伸的危害歸納為下面五個(gè)方面： （1）壓開(kāi)油水層 如果目的層上下有水層時(shí)，裂縫穿透含水層會(huì)導(dǎo)致油氣井水淹，降低油氣藏的采收率。對(duì)于有含有氣頂?shù)挠筒兀瑝洪_(kāi)后還存在“引氣入井”的危險(xiǎn)，如圖1-2所示。圖1-2 （2）裂縫長(zhǎng)度變短 同樣施工規(guī)模下，裂縫在垂向上過(guò)度延伸會(huì)降低裂縫的長(zhǎng)度，裂縫長(zhǎng)度過(guò)短壓裂后產(chǎn)量遞減快且增產(chǎn)有效期短，影

16、響壓裂效果。 圖1-3 裂縫長(zhǎng)度和高度的模擬計(jì)算所繪制出來(lái)的關(guān)系圖由圖中可以看出裂縫高度與裂縫長(zhǎng)度大約成反比關(guān)系。 （3）支撐劑下沉 當(dāng)裂縫在垂向上過(guò)度延伸，特別是裂縫過(guò)度的向油氣層下部地層延伸時(shí)，支撐劑由于重力的作用會(huì)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(huì)大大影響壓裂效果。 （4）破壞開(kāi)發(fā)層系 對(duì)于分層開(kāi)采的油藏而言，如果裂縫過(guò)度延伸將目的層鄰近不屬于同一開(kāi)發(fā)層系的油層一起壓開(kāi)，將破壞開(kāi)發(fā)層系。 （5）砂堵 裂縫垂向上過(guò)度延伸，動(dòng)態(tài)裂縫寬度會(huì)急劇變窄。中高砂比甚至低砂比就可能產(chǎn)生嚴(yán)重的砂堵，從而造成施工失敗12。由此可見(jiàn)，壓裂施工前，如果對(duì)

17、于垂直裂縫高度沒(méi)有進(jìn)行判斷和預(yù)測(cè)，盲目進(jìn)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。而裂縫高度的預(yù)測(cè)和判斷在一定的條件下是可以實(shí)現(xiàn)的。盡管目前由于理論不夠完善，技術(shù)不夠先進(jìn)，及現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)不全等原因?qū)α芽p實(shí)際高度不能夠做到精確預(yù)測(cè)，但是在壓裂前對(duì)裂縫高度進(jìn)行近似的估計(jì)是非常必要的。 如果估計(jì)的裂縫高度延伸出目的層進(jìn)入周圍的水層或氣層及其他生產(chǎn)層系，那么在壓裂設(shè)計(jì)中就要考慮采用控縫高技術(shù)3。由于技術(shù)限制，理論不夠完善及地層的復(fù)雜性等各種原因，裂縫高度的預(yù)測(cè)往往和實(shí)際有不小的差距。所以壓裂過(guò)程中，只要有條件就要對(duì)實(shí)際的壓裂裂縫高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將實(shí)際的裂縫高度與預(yù)測(cè)值對(duì)比，不斷完善裂

18、縫高度計(jì)算的理論。2 縫高影響因素分析2.1 概述 水力壓裂時(shí)，為了防止裂縫在垂直方向上的過(guò)分延伸，溝通上下油其層或水層，同時(shí)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(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者，專家對(duì)控制水力壓裂裂縫高度這一課題進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的努力，進(jìn)過(guò)文獻(xiàn)查閱表明，油氣層與上下隔層的地應(yīng)力差、巖石彈性模量、界面剪切裂縫等因素對(duì)裂縫高度影響最為明顯。很多學(xué)者建立了不同的模型和理論來(lái)解釋和預(yù)測(cè)地層裂縫高度。但是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，理論計(jì)算值跟井場(chǎng)實(shí)際測(cè)量值之間依然存在很多矛盾。對(duì)于裂縫高度的影響因素國(guó)外研究很多，爭(zhēng)議也比較多。國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究雖然結(jié)論相對(duì)統(tǒng)一，但是具體機(jī)理解釋太過(guò)籠

19、統(tǒng)，各種分析不夠詳盡。對(duì)于裂縫高度影響因素大多關(guān)注理論分析，對(duì)實(shí)際井的分析還不夠。對(duì)于各影響因素對(duì)于裂縫高度的影響分析比較簡(jiǎn)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(duì)裂縫高度的影響因素的作用機(jī)理進(jìn)行分析。2.2 地層的應(yīng)力差過(guò)去人們一直認(rèn)為地應(yīng)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(guò)度延伸會(huì)帶來(lái)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(dǎo)流能力的裂縫。因?yàn)榱芽p在地層中的張開(kāi)與擴(kuò)展主要受地應(yīng)力場(chǎng)、流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)的控制。而地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)裂縫的形成和形態(tài)的影響尤為顯著。對(duì)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

20、在油氣層內(nèi)。長(zhǎng)期實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，很多時(shí)候裂縫都會(huì)穿過(guò)目的層而進(jìn)入鄰近的隔層內(nèi)。影響裂縫高度的諸多因素中，地應(yīng)力的影響尤為顯著35。2.2.1 背景資料 Perkings和Kern，Harrison等人早就提出儲(chǔ)層與邊界層之間的應(yīng)力差對(duì)遇到裂縫擴(kuò)展有重要的影響。他們的觀點(diǎn)得到了理論，實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的支持，這些都表明地應(yīng)力差是控制裂縫高度的最重要的因素4。在一個(gè)裂縫可以挖開(kāi)進(jìn)行觀察的坑道實(shí)驗(yàn)中，清楚地顯示了地應(yīng)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(yīng)力差異的地方打水平孔，用染色的水壓開(kāi)裂縫。如圖所示，裂縫向上延伸進(jìn)硬的，高強(qiáng)度，高模量的地層，但是他們不能向下延伸，通過(guò)薄的高應(yīng)力

21、層。應(yīng)力差異的重要性很清楚地可在20個(gè)單獨(dú)的壓裂試驗(yàn)中看到，這里沒(méi)有一個(gè)試驗(yàn)?zāi)芸闯鍪俏镔|(zhì)性質(zhì)（模量和強(qiáng)度）起主要影響的。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)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(méi)有顯示因物質(zhì)性質(zhì)不同而產(chǎn)生的明顯影響，而應(yīng)力顯著的差異卻能阻礙甚至中止裂縫增長(zhǎng)。由于邊界層常常是軟的，富含粘土的物質(zhì)多具有高應(yīng)力的頁(yè)巖組成，因此這對(duì)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(yīng)力是因?yàn)樗朴谒o力平衡狀態(tài)，水平應(yīng)力應(yīng)該接近于上覆巖石應(yīng)力。2.2.2 理論證明及裂縫高度理論計(jì)算方法地應(yīng)力差異的重要性能夠用一個(gè)簡(jiǎn)單的力平衡的例子來(lái)說(shuō)明。圖2-1 如考慮圖 2-1 是一對(duì)稱的情況

22、，2=3，b2=b3=h2，且忽略巖石的彈性和巖石的強(qiáng)度。設(shè)裂縫處于平衡，這樣壓力產(chǎn)生的內(nèi)力和由應(yīng)力產(chǎn)生的外里相等，于是能用來(lái)估算裂縫高度。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(yīng)力差的一半，裂縫的高度就加倍。這種簡(jiǎn)單的方法對(duì)舉例說(shuō)明或心算是有用的，但在壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，還必須用更復(fù)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(yīng)力層的介質(zhì)中計(jì)算裂縫高度。這種計(jì)算雖然簡(jiǎn)單但很重要，它是由Simonson4等人對(duì)于對(duì)稱幾何形狀提出的，但很容易推廣到更

23、復(fù)雜的情形?；旧?，這種分析是在應(yīng)力分層的介質(zhì)中，對(duì)于裂縫內(nèi)部壓力給定的情況下計(jì)算水力裂縫的平衡高度。在裂縫的頂部和底部計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子，讓它等于材料的斷裂韌性，從而根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)確定裂縫的高度，裂縫的位置或中心。對(duì)圖中所示的幾何形狀，裂縫頂端的應(yīng)力強(qiáng)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(kāi)裂縫內(nèi)部?jī)魤毫Ψ植肌魤毫Ψ植际?py=p-3對(duì)于-ay-b （2-4）py=p-1對(duì)于-b3y-b2 （2-5） py=p-2對(duì)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

24、的類似的積分式產(chǎn)生兩個(gè)方程，用這兩個(gè)方程求解裂縫高度。把兩個(gè)方程相加、相減后得到的形式是：K1ctop+K1cbottom2a=2-1sin-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(gè)方程時(shí)，一般來(lái)說(shuō)，給出壓力p，一個(gè)方程就可以用來(lái)計(jì)算裂縫高度，但這需要兩個(gè)方程的反復(fù)迭代解4。在對(duì)油田實(shí)際壓裂效果的研究基礎(chǔ)上。D M Talbot 認(rèn)為 1.4- 4.8 MPa 的地層應(yīng)力障礙可有效的減緩或停止裂縫高度的生長(zhǎng)1。 2.2.3 油層在不同應(yīng)力場(chǎng)下裂縫高度在水力壓裂過(guò)程

25、中，水力裂縫最先在底層最小水平主應(yīng)力剖面的最小應(yīng)力段開(kāi)始產(chǎn)生起裂縫。裂縫高度也在最低應(yīng)力段擴(kuò)展，裂縫高度的升高或降低的動(dòng)態(tài)變化也是隨著地層剖面上最小水平主應(yīng)力的變化而變化。當(dāng)裂縫中的壓力值大于某一段的最小水平主應(yīng)力值時(shí)，裂縫將穿透這一層，當(dāng)裂縫中壓力值小于某一層的最小水平主應(yīng)力值時(shí)，裂縫將不能夠穿過(guò)這一層。由此可見(jiàn)地層最小水平主應(yīng)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(yīng)力在垂相剖面上的變化情況主要有4種：油層在低應(yīng)力區(qū)，油層在較高應(yīng)力區(qū)，油層在高應(yīng)力區(qū)，油層在高低應(yīng)力交界。（1）油層在低應(yīng)力區(qū)油層在地應(yīng)力區(qū)，隔層在高應(yīng)力區(qū)裂縫高度將被限制在地應(yīng)力區(qū)如圖2-2所示。圖2-2（2）

26、油層在較高應(yīng)力區(qū)此時(shí)裂縫高度將穿過(guò)較高應(yīng)力區(qū)進(jìn)入低應(yīng)力區(qū)如圖2-3所示。圖2-3（3）油層在高應(yīng)力區(qū)油層處在高應(yīng)力區(qū)，在這種情況下進(jìn)行壓裂施工，油層部分將很難壓開(kāi)，施工將進(jìn)行的非常困難，有時(shí)可能壓穿所有低應(yīng)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(yīng)力交界處當(dāng)油層處于高低應(yīng)力交界處時(shí)，若高低應(yīng)力區(qū)應(yīng)力差別較大，那么裂縫在低應(yīng)力層中，若應(yīng)力差別不大，那么裂縫在低應(yīng)力區(qū)易被壓開(kāi)，高應(yīng)力區(qū)不易被壓開(kāi)。如圖2-5所示。圖2-5在構(gòu)造穩(wěn)定的地區(qū)，水平應(yīng)力一般小于垂向應(yīng)力；在構(gòu)造活動(dòng)比較強(qiáng)烈的地區(qū)和盆地的周邊地區(qū)，水平應(yīng)力一般大于垂向應(yīng)力。垂向應(yīng)力主要與埋深有關(guān)，隨深度呈線性增長(zhǎng)。

27、水平地應(yīng)力也隨埋深增加而增大，一般情況下水平應(yīng)力的兩個(gè)主應(yīng)力分量一大一小具有明顯的方向性，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力相差1.43.3倍4；在一個(gè)相當(dāng)大的區(qū)域內(nèi)，最大主應(yīng)力方向是相對(duì)穩(wěn)定的，并與區(qū)域控制的構(gòu)造變形場(chǎng)一致。當(dāng)垂向應(yīng)力小于兩個(gè)水平應(yīng)力時(shí)，壓裂后形成水平縫；當(dāng)垂向應(yīng)力大于兩個(gè)水平應(yīng)力時(shí)，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(shè)了在一個(gè)平均的地層楊氏模量下的裂縫延伸情況。隨著壓裂技術(shù)應(yīng)用的越來(lái)越普遍，

28、平均地層楊氏模量這一假設(shè)受到了挑戰(zhàn)。越來(lái)越多的人開(kāi)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(duì)裂縫影響的作用機(jī)理比較復(fù)雜，對(duì)于不同的地應(yīng)力和地層情況,模量差對(duì)裂縫高度的影響有很大的差異。隨著測(cè)斜儀和微地震技術(shù)的發(fā)展，得到了很多實(shí)際的壓裂過(guò)程中裂縫高度的實(shí)際尺寸。將這些實(shí)際尺寸預(yù)測(cè)的尺寸相比較我們發(fā)現(xiàn)實(shí)際裂縫的高度要比建立的模型所預(yù)測(cè)的裂縫高度小的多10。一般來(lái)說(shuō)對(duì)裂縫與界面層的相對(duì)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(guò)界面層，當(dāng)裂縫從低模量層接近高模量層時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子減小，理論上當(dāng)裂縫的尖端接近界面時(shí)

29、，應(yīng)力強(qiáng)度因子接近于零值，在這種情況下，裂縫很可能在沒(méi)傳遞到高模量地層時(shí)，高模量地層已經(jīng)產(chǎn)生裂縫。實(shí)踐和井場(chǎng)數(shù)據(jù)表明裂縫可以越過(guò)界面向高模量地層傳播。當(dāng)裂縫從高模量地層向低模量地層傳播時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子擴(kuò)大到無(wú)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(yīng)力差/MPa楊氏模量（6.895GPa）（頂層/中間層/頂層）縫高/m縫長(zhǎng)/m縫寬/cm凈壓力/MPa10.34255/5/532.309265.1760.4067.31610.34251/5/118.898270.6620.6153.82710.

30、34250.5/5/0.517.37427604540.5792.1936.8955/5/558.522247.1930.3005.9306.8951/5/121.336264.2620.6383.9236.8950.5/5/0.518.288272.1860.6102.2683.44755/5/5254.508186.2330.1933.4483.44751/5/144.806235.0010.4852.9303.44750.5/5/0.522.250258.7750.6482.324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(zhǎng)較長(zhǎng))。當(dāng)外

31、部地層的模量比中間層小510倍時(shí),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長(zhǎng),因此容易邏輯性地得出外部低模量會(huì)增強(qiáng)裂縫的延伸的結(jié)論。事實(shí)上,外部低模量不是增強(qiáng)而是阻礙了裂縫高度的發(fā)育,這種影響與直覺(jué)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(yīng)。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(dāng)外部地層模量低于中間地層模量時(shí),中間層的裂縫寬度較寬。較寬的裂縫對(duì)流體流動(dòng)的阻力較小,因此流壓較低。在相同應(yīng)力差

32、的條件下,低的凈壓力產(chǎn)生的裂縫高度更低一些,因?yàn)樗毫咽┕ねǔ６际遣捎煤愣ǖ淖⑷肼省＿@項(xiàng)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(guò)交界面由高模量地層進(jìn)入低模量地層時(shí),由于低模量應(yīng)力強(qiáng)度因子將會(huì)減小。盡管在低模量地層裂縫的寬度會(huì)更大一些,但是寬度上的增加不足以彌補(bǔ)模量上的減小，因?yàn)閺母吣Ａ康貙拥降湍Ａ康貙涌p寬是連續(xù)的,并且中間層的高模量會(huì)限制縫寬的發(fā)育。事實(shí)上,由于裂縫會(huì)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(guān)系。因?yàn)閼?yīng)力強(qiáng)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(yīng)力強(qiáng)度因子。以上的討論是基于二維平面應(yīng)變假設(shè),三維裂縫的分析顯示了相似

33、的結(jié)果。用三維的分析對(duì)穿過(guò)雙邊介質(zhì)的扁平形裂縫周圍的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了計(jì)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(yīng)力強(qiáng)度因子小于高模量地層的。應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌性的匹配決定了裂縫高度的增長(zhǎng),由于斷裂韌性明顯不依賴于巖石的類型,在研究變量時(shí)我們假定所有層的斷裂韌性都是相同的。在這個(gè)工況中,外層較低的應(yīng)力強(qiáng)度因子意味著裂縫的尖端越過(guò)交界面以后裂縫高度的增長(zhǎng)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(huì)更加明顯;反之,這種影響將會(huì)減弱。表2-2 中間層模量低，外部層模量高應(yīng)力差/MPa楊氏模量（6.895GPa）縫高/m縫長(zhǎng)/m縫寬/cm凈壓力/MPa10.34

34、250.5/0.5/0.516.764185.6230.9861.53810.34251/0.5/117.374185.6230.9701.98610.34255/0.5/518.288186.2330.9372.7176.8950.5/0.5/0.517.374184.0991.0011.6826.8951/0.5/0.518.288184.4040.9801.9826.8955/0.5/519.507184.7090.9422.7243.44750.5/0.5/0.519.057180.4221.0041.5583.44751/0.5/121.336181.0510.9731.9583.4

35、4755/0.5/530.785181.3560.6452.503我們接下來(lái)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(dāng)外層的模量高縫時(shí),裂縫的高度較大。盡管只有在應(yīng)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(jué)不同,并且與其他研究結(jié)論相反。對(duì)于特定的裂縫長(zhǎng)度,模量差較大時(shí)裂縫的高度則比較小。表2-2中,相同應(yīng)力差下裂縫的長(zhǎng)度幾乎是相同的,并且外層模量較高時(shí)裂縫的高度比較大。即使對(duì)于中間層部分,若外層模量較高則裂縫的寬度也會(huì)受限,即裂縫的寬度相對(duì)窄一些,如表所示。給定注入速率,在相同應(yīng)力差的條件下,流體壓力較高,裂縫的

36、高度也較大。差異的另外一個(gè)原因就是縫端越過(guò)交界面進(jìn)入高模量地層以后應(yīng)力強(qiáng)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(yīng)力差和高模量的影響,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?jī)蓚€(gè)工況中寬度剖面的對(duì)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(duì)裂縫寬度的影響是很明顯的,盡管在中間層(位于正負(fù)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(fù)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(dòng)（剪切裂縫）地

37、應(yīng)力差可以限制裂縫增長(zhǎng)，它是通過(guò)在高應(yīng)力區(qū)夾緊裂縫的頂端和減少裂縫寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。模量差異通過(guò)減少裂縫寬度從而限制流體流動(dòng)來(lái)減緩裂縫在油層以外的延伸。這兩種情況在它產(chǎn)生明顯影響前，裂縫已穿過(guò)進(jìn)入了遮擋層。當(dāng)存在剪切裂縫，發(fā)生界面滑移時(shí)，能立即終止裂縫延伸。因此很顯然，當(dāng)界面發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，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(wèn)題1113，發(fā)現(xiàn)它被作用于界面上的摩擦剪應(yīng)力所控制。當(dāng)摩擦力小的時(shí)候，裂縫前部的張應(yīng)力不容易傳遞穿過(guò)界面，因此滑動(dòng)就可能發(fā)生。這很有效地阻止了裂縫的增長(zhǎng)。當(dāng)摩擦力大的時(shí)候，裂縫就能穿過(guò)界面，因?yàn)閼?yīng)力很容易傳遞通過(guò)它。由

38、于摩擦剪應(yīng)力依賴作用于界面上的有效法向應(yīng)力，因此僅在法向應(yīng)力很小或摩擦系數(shù)很小處，剪切滑動(dòng)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(yīng)力小的地方。因?yàn)榻缑嬉话闶撬降?，法向?yīng)力通常就等于上覆巖層應(yīng)力。但是，不正常的情況也可能發(fā)生，在很深的地方剪切應(yīng)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(yīng)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(jì)。壓力深度（a） 界面沒(méi)有剪切力 （b）界面存在剪切力圖2-6 假設(shè)的地應(yīng)力狀況圖（a）和實(shí)際的地應(yīng)力狀況圖（b）2.5 小結(jié) 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者對(duì)控制水力壓裂裂縫高度研究表明:除了油氣層與上下

39、隔層的地應(yīng)力差、巖石彈性模量、界面滑動(dòng)對(duì)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(zhǎng)度和注液時(shí)間)等因素也會(huì)影響裂縫的垂向延伸。下面是根據(jù)M氣田的地層情況，主要研究S氣層的地應(yīng)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(duì)裂縫高度增長(zhǎng)的影響。取基準(zhǔn)裂縫半長(zhǎng)L=250m，由計(jì)算機(jī)軟件計(jì)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(yīng)力差對(duì)裂縫高度的影響比較明顯，裂縫高度隨隔層應(yīng)力差的增加而呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì)，應(yīng)力差從2MP獷曾加至SMPa，井底縫高從70m減至24m(見(jiàn)圖2-7)，相差較大。應(yīng)力差是影響S氣層縫高的主要因素

40、。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(shí)間及濾失速度下，楊氏模量越大，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(lái)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(jiàn)圖2-10)。壓裂液粘度為250mPa *s時(shí)，裂縫高度為20m，超

41、過(guò)該值后，裂縫高度增長(zhǎng)較快(見(jiàn)圖2-11)。3 巖石力學(xué)基礎(chǔ)和裂縫高度估算3.1 概述 本章討論巖石力學(xué)部分，它是研究裂縫高度所需要的。首先討論地應(yīng)力，楊氏模量，泊松比和巖石斷裂韌性等參數(shù)物理意義和測(cè)量方法，然后給出它們與裂縫高度的一個(gè)簡(jiǎn)單的定量關(guān)系，并討論了裂縫高度的計(jì)算方法。為后面的是否需要進(jìn)行控縫高判斷打下理論基礎(chǔ)。3.2 引言 巖石力學(xué)是描述巖石的力學(xué)行為的理論和應(yīng)用科學(xué)，這門學(xué)科的分支涉及到巖石對(duì)其周圍物理環(huán)境的力場(chǎng)地響應(yīng)。在水力壓裂中，巖石力學(xué)性質(zhì)在決定油藏的力學(xué)性質(zhì)及地應(yīng)力狀態(tài)，計(jì)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(shè)計(jì)和分析中

42、，通常涉及的力學(xué)性質(zhì)是：（1）彈性性質(zhì)，如楊氏模量和泊松比：（2）強(qiáng)度性質(zhì)，如斷裂韌性、抗張強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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，從總的壓裂設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)最重要的因素是就地應(yīng)力場(chǎng)。應(yīng)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(xué)性質(zhì)。例如，圍限應(yīng)力的增加一般導(dǎo)致強(qiáng)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(dòng)（摩擦）在某些條件下對(duì)裂縫高度的影響也會(huì)變得重要。但是由于目前研究資料相對(duì)較少，且其他影響因素機(jī)理相對(duì)復(fù)雜，下面僅將地應(yīng)力做為重點(diǎn)進(jìn)行討論。3.3 地應(yīng)力的測(cè)量和計(jì)算在

43、討論地應(yīng)力以及計(jì)算地應(yīng)力前，先定義某些常用的應(yīng)力項(xiàng)是有益的。3.3.1 應(yīng)力定義（1） 閉合壓力和閉合應(yīng)力 Nolte定義閉合壓力為開(kāi)始張開(kāi)一條已經(jīng)存在的裂縫所需要的流體壓力。這個(gè)壓力和巖層中垂直于裂縫面的應(yīng)力大小相等，方向相反。這個(gè)應(yīng)力就是最小主應(yīng)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(diǎn)。（3） 瞬時(shí)停泵壓力瞬時(shí)停泵壓力（ISIP）是在水力壓裂停泵時(shí)刻的壓力。這個(gè)壓力可以高于閉合壓力幾個(gè)psi到幾百個(gè)psi不等，與壓裂施工和巖石有關(guān)。大的壓力降落可能是流體穿過(guò)孔眼或其他的流動(dòng)入口的阻力引起的，也可能是流體穿過(guò)

44、孔眼或其他的流動(dòng)入口引起的。瞬時(shí)停泵壓力一般比閉合應(yīng)力大，但是在低滲透巖層進(jìn)行很小規(guī)模的施工中，它將接近閉合壓力。（4） 有效應(yīng)力有效應(yīng)力的概念是基于土力學(xué)的研究。它表明均勻的孔隙壓力p，對(duì)土壤的力學(xué)性質(zhì)和行為都有影響。有效應(yīng)力用來(lái)控制模量、滲透率以及其他一些對(duì)應(yīng)力很敏感的性質(zhì)。（5） 原始應(yīng)力原始應(yīng)力是指在鉆井、完井、產(chǎn)油前油藏所存在的就地應(yīng)力。三個(gè)主應(yīng)力之一，上覆巖石應(yīng)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(xué)文獻(xiàn)中正應(yīng)力指的是壓縮應(yīng)力。上覆巖石應(yīng)力可以通過(guò)容積密度測(cè)井曲線從地表面到所需深度的積分來(lái)估算。在沉積盆地，上覆巖石應(yīng)力梯度的典型范圍是1.0到1.1psi/ft2

45、3到25kpa/m。 另外兩個(gè)水平主應(yīng)力值是可變的，并且一直是研究和討論的題目。Hubbent和willis進(jìn)行了簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室和理論分析，表明水平有效應(yīng)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(yīng)力。利用簡(jiǎn)單的沙箱試驗(yàn)，他們認(rèn)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。3.3.2 地應(yīng)力的測(cè)量目前，測(cè)量一定深度就地應(yīng)力狀態(tài)的唯一可靠的方法是水力壓裂技術(shù)。兩種技術(shù)是常用的：標(biāo)準(zhǔn)的水力壓裂測(cè)量和階梯式速率/回流方法。（1） 水力壓裂應(yīng)力測(cè)試方法 作為應(yīng)力測(cè)良的工具的水力壓裂技術(shù)是基于Hubbert和Willis的分析。在裸眼井的測(cè)試中該技術(shù)已經(jīng)廣泛使用并討論過(guò)；當(dāng)測(cè)試

46、充分進(jìn)行時(shí)，能得到精確的而且能重復(fù)的地應(yīng)力最小主應(yīng)力的預(yù)測(cè)以及可靠程度稍差一些的最大水平應(yīng)力的估算。這種方法是用隔離器分隔所需測(cè)試的層段，泵人少量低粘液進(jìn)入地層使之破裂，然后停泵測(cè)量ISIP。原則上最大水平應(yīng)力是能確定的，雖然它更復(fù)雜，而且通常需要分析巖石的孔隙彈性響應(yīng)。但是對(duì)于大多數(shù)油氣井來(lái)說(shuō)，要在裸眼的環(huán)境中進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)時(shí)不可能或不實(shí)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(jìn)行這種應(yīng)力測(cè)量會(huì)產(chǎn)生附加的復(fù)雜性。然而一些實(shí)驗(yàn)和最近的結(jié)果表明通過(guò)孔眼精確的測(cè)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(cè)試方法第二種應(yīng)力測(cè)

47、量技術(shù)。Nolte和Sminth使用的階梯式速率/回流試驗(yàn)?zāi)芮蟮米钚?yīng)力的上限。液體以不同的速率注入已經(jīng)形成的裂縫中，對(duì)于每個(gè)速率記錄對(duì)應(yīng)的“穩(wěn)定的”壓力。這壓力與流動(dòng)速率繪制成圖3-1所示的曲線。在階梯式速率測(cè)試曲線上的拐點(diǎn)即為延伸壓力。階梯式速率測(cè)試在每個(gè)速率點(diǎn)的壓力不穩(wěn)定情況下完成。每個(gè)注入速率能維持一個(gè)固定的時(shí)間間隔（5到10分鐘）。圖3-2顯示了一個(gè)實(shí)際的階梯式速率測(cè)試數(shù)據(jù)，這里延伸壓力高于閉合應(yīng)力大約200psi【1.4MPa】。在階梯式速率測(cè)試測(cè)得延伸壓力也即對(duì)于閉合應(yīng)力的一個(gè)上界時(shí)，這測(cè)試的回流部分卻是確定閉合壓力的一個(gè)好方法，如圖3-1所解釋。對(duì)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(cè)試），緊接著以一恒定速率回流，這速率被可調(diào)節(jié)閥來(lái)控制，并被一個(gè)精確的低速率的流量劑來(lái)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(diǎn)處將產(chǎn)生曲率的反向（必須是從正到負(fù)）。壓力曲率反向處加速的壓力降落是由于裂縫閉合造成流動(dòng)受阻引起的?；亓魉俾实恼_范圍應(yīng)該是對(duì)具體油田進(jìn)行試算來(lái)完成的，而量級(jí)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(cè)試圖3-2 階梯式速率和泵人、回流測(cè)試的應(yīng)用用直接看圖來(lái)確定圖上曲率反向的點(diǎn)常常是困難的，一種比較好的分析技術(shù)是用最小二乘法