水力壓裂造縫機(jī)理

1、水力壓裂造縫機(jī)理水力壓裂裂縫的形成和延伸是一力學(xué)行為，水力裂縫的形態(tài)與方位對(duì)于有效發(fā)揮壓裂對(duì)儲(chǔ)層的改造作用密切相關(guān)，必須掌握水力壓裂的裂縫起裂與延伸過(guò)程的力學(xué)機(jī)制。本節(jié)從地應(yīng)力場(chǎng)分析及獲取方法入手介紹水力裂縫的形成機(jī)理、造縫條件、裂縫形態(tài)與方位、破裂壓力預(yù)測(cè)方法。在致密地層，首先向井內(nèi)注入壓裂液使地層破裂，然后不斷注液使壓裂縫向地層遠(yuǎn)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(yīng)力集中而產(chǎn)生的較高井壁應(yīng)力以及巖石抗張強(qiáng)度。一旦誘發(fā)人工裂縫，井眼附近應(yīng)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(dòng)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(duì)于高滲透地層或存在裂縫帶，地層破裂時(shí)的井底壓力并不出現(xiàn)明顯的峰值。一、地應(yīng)力場(chǎng)分析與測(cè)量地下巖石的應(yīng)力狀態(tài)通常是三個(gè)相互垂直且互不相等的主應(yīng)力(principal stress)。地應(yīng)力場(chǎng)不但影響到水力壓裂造縫過(guò)程，而且通過(guò)井網(wǎng)與人工裂縫方位的配合關(guān)系影響到油藏開(kāi)發(fā)效果。1地應(yīng)力場(chǎng)存在于地殼內(nèi)的應(yīng)力稱為地應(yīng)力(in-situ stress)，是由于上覆巖層重力、地殼內(nèi)部的垂直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)及其它因素綜合作用引起介質(zhì)內(nèi)部單位面積上的作用力。包括原地應(yīng)力場(chǎng)和擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)兩部分。前者主要包括重力應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙流體壓力和熱應(yīng)力等；后者主要是指由于人工擾

3、動(dòng)作用引起的應(yīng)力。1）重力應(yīng)力場(chǎng)是指沉積盆地中的儲(chǔ)層受到上覆巖層重力作用而形成的應(yīng)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(jié)作用，孔隙壓力并未全部支撐上覆地層壓力。terzaghi認(rèn)為：地層巖石變形由有效應(yīng)力引起。假設(shè)地層巖石為理想的均質(zhì)各向同性線彈性體，彈性狀態(tài)下垂向載荷產(chǎn)生的水平主應(yīng)力分量由廣義胡克(hook) 定律計(jì)算。e和為巖石力學(xué)參數(shù)，典型值見(jiàn)表6-1。它們與巖石類型和所受到的圍壓、溫度有關(guān)。表6-1 常見(jiàn)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(yè)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(yīng)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(yīng)力越接近垂向應(yīng)力?？紤]孔隙流體壓力后的地層水平主應(yīng)力。2) 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是指構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的地應(yīng)力場(chǎng)增量。它以矢量形式迭加在地層重力應(yīng)力場(chǎng)中，使得水平主應(yīng)力場(chǎng)不均勻。一般而言，在正斷層和裂縫發(fā)育區(qū)是應(yīng)力釋放區(qū)，例如，正斷層中的水平主應(yīng)力可能只有垂向應(yīng)力的1/

5、3，而在逆斷層或褶皺地帶的水平應(yīng)力可以大到垂向應(yīng)力的3倍。通常，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)只有兩個(gè)水平主應(yīng)力，屬于水平的平面應(yīng)力狀態(tài)，而且擠壓構(gòu)造引起擠壓構(gòu)造應(yīng)力，張性構(gòu)造引起拉張構(gòu)造應(yīng)力。3) 熱應(yīng)力場(chǎng)熱應(yīng)力場(chǎng)是指由于地層溫度變化在其內(nèi)部引起的內(nèi)應(yīng)力增量，與溫度變化量和巖石性質(zhì)有關(guān)。油田開(kāi)發(fā)中的注水、注蒸汽和火燒油層等可以改變油藏的主應(yīng)力大小，甚至主應(yīng)力方向。將油藏邊界視為無(wú)窮大，考慮其側(cè)向應(yīng)變受到約束，溫度變化引起的水平應(yīng)力增量dsx，dsy 2地應(yīng)力場(chǎng)確定地應(yīng)力場(chǎng)確定包括地應(yīng)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(jì)算應(yīng)力場(chǎng)。2)實(shí)驗(yàn)室分析方法應(yīng)用定向取心技術(shù)

6、保證取出巖心樣品的主應(yīng)力方位與其在地層中主應(yīng)力方位一致。巖心從地下三向壓應(yīng)力狀態(tài)改變到地面自由應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)巖心各方向的變形確定主應(yīng)力方位和數(shù)值。(1) 滯彈性應(yīng)變恢復(fù)（asr）基于巖心與其承壓巖體發(fā)生機(jī)械分離后所產(chǎn)生的應(yīng)力松弛，按各個(gè)方向測(cè)量應(yīng)變并確定主應(yīng)變軸。并假定主方向與原位應(yīng)力主軸相同，按已知的彈性常數(shù)和上覆巖層載荷情況間接計(jì)算應(yīng)力值。(2) 微差應(yīng)變分析（dsca）從井底取出的巖心由于應(yīng)力釋放和應(yīng)變恢復(fù)會(huì)發(fā)生膨脹，產(chǎn)生或重新張開(kāi)微裂縫。基于應(yīng)變松弛作為“應(yīng)力史”痕跡的思想，應(yīng)變松弛形成的微裂縫密度和分布與巖心已經(jīng)出現(xiàn)的應(yīng)力下降成正比。通過(guò)描述微裂隙分布橢球，即可揭示以前的應(yīng)力狀態(tài)。根

7、據(jù)和這些微裂縫相關(guān)的應(yīng)變推斷主應(yīng)力方向，并從應(yīng)變發(fā)生的最大方向估算出最小主應(yīng)力值。3) 測(cè)井解釋方法利用測(cè)井（主要是密度測(cè)井、自然伽瑪測(cè)井、井徑測(cè)井和聲波時(shí)差測(cè)井以及中子測(cè)井、自然電位測(cè)井等）資料，首先基于縱橫波速度與巖石彈性參數(shù)之間的關(guān)系解釋巖石力學(xué)參數(shù)，再結(jié)合地應(yīng)力計(jì)算模式獲得連續(xù)的地應(yīng)力剖面。4) 有限元模擬根據(jù)若干個(gè)測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力資料，借助于有限元數(shù)值分析方法，通過(guò)反演得到構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。強(qiáng)烈取決于根據(jù)研究工區(qū)所建立的地質(zhì)模型、數(shù)學(xué)力學(xué)模型和邊界條件。此外，測(cè)定地應(yīng)力方向的常用方法還有聲波測(cè)定、井壁崩落法、地面電位法、井下微地震法和水動(dòng)力學(xué)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(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)最小主應(yīng)力原理，水力壓裂裂縫總是產(chǎn)生于強(qiáng)度最弱、阻力最小的方向，即巖石破裂面垂直于最小主應(yīng)力方向。當(dāng)sz最小時(shí)，形成水平裂縫（horizontal fracture）；當(dāng)sy最小時(shí)，形成垂直裂縫(vertical fracture)。對(duì)于顯裂縫地層很難出現(xiàn)人工裂縫。而微裂縫地層可能出現(xiàn)多種情況，人工裂縫面可以垂直于最小主應(yīng)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(yīng)力場(chǎng)為鉆孔應(yīng)力集中、向井筒注液產(chǎn)生的應(yīng)力、注入壓裂液徑向?yàn)V失誘發(fā)應(yīng)力的迭加。基于最終應(yīng)力分布結(jié)合巖石破裂準(zhǔn)則確定破裂壓力計(jì)算公式。1井壁最終應(yīng)力

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

10、270，井壁處周向應(yīng)力最大。 sqmax = 3sx-sy對(duì)于套管完成井，考慮到水泥環(huán)與巖石的力學(xué)性質(zhì)比鋼材與巖石的力學(xué)性質(zhì)差別小得多，可按雙層厚壁圓筒的彈性力學(xué)理論計(jì)算井筒周圍的應(yīng)力狀態(tài)。2）向井筒注液產(chǎn)生的應(yīng)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(tǒng)視作具有無(wú)限壁厚、且承受內(nèi)外壓力的厚壁圓筒，按彈性力學(xué)理論計(jì)算其應(yīng)力分布注入壓裂液在井壁周圍各個(gè)方向上所產(chǎn)生的應(yīng)力均為張應(yīng)力，因此，向井筒注液有利于撕開(kāi)地層。同時(shí)，注液產(chǎn)生的應(yīng)力沿井軸半徑逐漸衰減， 在井壁處產(chǎn)生的張應(yīng)力近似為注液壓力，離井軸越遠(yuǎn)，應(yīng)力越小。3）注入液徑向滲入地層引起的

11、應(yīng)力注入液徑向滲入近井筒地帶產(chǎn)生另外一個(gè)應(yīng)力區(qū)，增大了井壁周圍巖石應(yīng)力。4）井壁最終應(yīng)力分布地層巖石破裂之前井壁周圍應(yīng)力為上述幾種應(yīng)力迭加，總存在兩個(gè)方向（如果sx sy，在q=0，180方向）受到的周向應(yīng)力最小可見(jiàn)，離開(kāi)井壁較遠(yuǎn)處，周向應(yīng)力仍為壓應(yīng)力，但在井壁附近為張應(yīng)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(zhǔn)則是衡量有效主應(yīng)力間的極限關(guān)系。超過(guò)該極限值，就出現(xiàn)不穩(wěn)定或破壞。巖石破裂準(zhǔn)則很多。水力壓裂中常用最大張應(yīng)力準(zhǔn)則，認(rèn)為施加于裂縫壁面的總有效應(yīng)力一旦達(dá)到物體的抗張強(qiáng)度st地層就會(huì)破壞。令孔隙彈性常數(shù)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(yīng)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(yīng)力為周向應(yīng)力與注液壓力pi之差，即由最大張應(yīng)力準(zhǔn)則，當(dāng)井壁巖石的周向應(yīng)力 達(dá)到井壁巖石水平方向的最小抗張強(qiáng)度 時(shí)，巖石將在垂直于張應(yīng)力方向脆性斷裂而形成垂直裂縫。2）形成水平裂縫當(dāng)注入壓裂液向地層濾失，將增大垂向應(yīng)力。其增量與水平方向應(yīng)力增量相同，綜合前述推導(dǎo)分析可得：無(wú)論是形成垂直裂縫或水平裂縫，壓裂液向地層濾失時(shí)，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(diǎn)破裂壓力與該點(diǎn)深度的比值，1) 理論計(jì)算。忽略構(gòu)造應(yīng)力和巖石抗張強(qiáng)度影響。對(duì)于均勻水平應(yīng)力場(chǎng)，假設(shè)孔隙彈性常數(shù)為1， 忽略了構(gòu)造應(yīng)力和巖石抗張強(qiáng)度影響，因而與實(shí)際情況存在一定差異。2）統(tǒng)計(jì)方法。油田使用的地層破裂壓力梯度通常是根據(jù)大量的壓裂實(shí)踐統(tǒng)計(jì)出來(lái)的。一般范圍在1525 kpa/m之間，個(gè)別地區(qū)可達(dá)36 kpa/m。根據(jù)破裂壓力梯度可以大致估算壓裂裂縫形態(tài)。當(dāng)f 2225 kpa/m, 形成水平裂縫。三、降低破裂壓力的途徑當(dāng)?shù)貙悠屏褖毫^高，通過(guò)優(yōu)化施工參數(shù)、壓裂管柱和壓裂液性能，壓裂泵車仍無(wú)法有效破裂地層時(shí)必須設(shè)法降低地層破裂壓力。主要途徑包括：1. 改善射孔參數(shù)應(yīng)力場(chǎng)與地應(yīng)力狀態(tài)(大小、方向)、射孔孔眼參數(shù)（直徑、孔深和孔密）、射孔壓力、孔眼方向與地應(yīng)力方向的夾角等有關(guān)。因此，優(yōu)化射孔參數(shù)、改進(jìn)射孔工藝可以降低破裂壓力。2. 酸化預(yù)處理主要機(jī)理是溶解膠結(jié)物成分而降低巖石膠結(jié)強(qiáng)度