縫網(wǎng)壓裂機(jī)理研究與認(rèn)識(shí)[任嵐120425]

1、縫網(wǎng)壓裂機(jī)理研究與認(rèn)識(shí)縫網(wǎng)壓裂機(jī)理研究與認(rèn)識(shí)趙金洲趙金洲西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2012年年4月月1 一一. 什么是縫網(wǎng)壓裂什么是縫網(wǎng)壓裂 二二. 能不能形成縫網(wǎng)能不能形成縫網(wǎng) 三三. 怎樣才能夠形成縫網(wǎng)怎樣才能夠形成縫網(wǎng) 四四. 如何形成縫網(wǎng)如何形成縫網(wǎng) 五五. 縫網(wǎng)壓裂實(shí)例分析縫網(wǎng)壓裂實(shí)例分析匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱2 1984：Warpinski通過礦場試驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)壓裂形成主裂縫與復(fù)雜分支裂縫同時(shí)延伸，通過礦場試驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)壓裂形成主裂縫與復(fù)雜分支裂縫同時(shí)延伸，提出了提出了Zone of Fractures的概念。的概念。 198

2、6：Blanton 通過物理模擬實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)并提出水力裂縫相交天然裂縫后，水力通過物理模擬實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)并提出水力裂縫相交天然裂縫后，水力裂縫可能存在裂縫可能存在穿過穿過、轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向、穿過和轉(zhuǎn)向穿過和轉(zhuǎn)向3種狀態(tài)。種狀態(tài)。一一. 什么是縫網(wǎng)壓裂？什么是縫網(wǎng)壓裂？3水力裂縫相交天然裂縫后的延伸模式（水力裂縫相交天然裂縫后的延伸模式（Blanton） 1999： Mahrer認(rèn)為天然裂縫性地層壓裂將形成認(rèn)為天然裂縫性地層壓裂將形成Network Fractures 。 2000： Beugelsdijk通過物理模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)了通過物理模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Network Fractures的存在。的存在。 20

3、02：Fisher和和Maxwell 同時(shí)通過微地震測試發(fā)現(xiàn)壓裂形成同時(shí)通過微地震測試發(fā)現(xiàn)壓裂形成Fracture Networks的可能性。的可能性。 2004：國內(nèi)（趙金洲）首次提出了：國內(nèi)（趙金洲）首次提出了網(wǎng)絡(luò)裂縫酸化網(wǎng)絡(luò)裂縫酸化概念。概念。 2006：國內(nèi)（胥云等人）首次提出了：國內(nèi)（胥云等人）首次提出了縫網(wǎng)壓裂縫網(wǎng)壓裂概念。概念。 2006：Mayerhofer提出了提出了Stimulated Reservoir Volume (SRV)概念，國內(nèi)翻譯概念，國內(nèi)翻譯為為體積改造（壓裂）體積改造（壓裂）。一一. 什么是縫網(wǎng)壓裂？什么是縫網(wǎng)壓裂？4 2008：國內(nèi)（趙金洲，任嵐）開始研

4、究：國內(nèi)（趙金洲，任嵐）開始研究縫網(wǎng)壓裂理論模型縫網(wǎng)壓裂理論模型。 2009：Olson發(fā)表了發(fā)表了縫網(wǎng)壓裂的力學(xué)模擬成果縫網(wǎng)壓裂的力學(xué)模擬成果。一一. 什么是縫網(wǎng)壓裂？什么是縫網(wǎng)壓裂？5Rn=1Rn=2傳統(tǒng)壓裂的裂縫形態(tài)傳統(tǒng)壓裂的裂縫形態(tài)縫網(wǎng)壓裂的裂縫形態(tài)縫網(wǎng)壓裂的裂縫形態(tài)裂縫單一裂縫單一雙翼裂縫雙翼裂縫水力裂縫對(duì)儲(chǔ)層流動(dòng)區(qū)域控制范圍小水力裂縫對(duì)儲(chǔ)層流動(dòng)區(qū)域控制范圍小表現(xiàn)為裂縫面對(duì)儲(chǔ)層流動(dòng)區(qū)域的控制表現(xiàn)為裂縫面對(duì)儲(chǔ)層流動(dòng)區(qū)域的控制裂縫帶裂縫帶裂縫延伸具有隨機(jī)性裂縫延伸具有隨機(jī)性縫網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)層流動(dòng)區(qū)域控制范圍大縫網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)層流動(dòng)區(qū)域控制范圍大表現(xiàn)為縫網(wǎng)體積對(duì)儲(chǔ)層流動(dòng)區(qū)域的控制表現(xiàn)為縫網(wǎng)體積對(duì)儲(chǔ)層流動(dòng)區(qū)

5、域的控制6一一. 什么是縫網(wǎng)壓裂？什么是縫網(wǎng)壓裂？7Warpinski（1984）室外礦場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)形成了裂縫帶（縫網(wǎng)）：室外礦場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)形成了裂縫帶（縫網(wǎng)）：二二. 能不能形成縫網(wǎng)？能不能形成縫網(wǎng)？8二二. 能不能形成縫網(wǎng)？能不能形成縫網(wǎng)？室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)了網(wǎng)絡(luò)裂縫室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)了網(wǎng)絡(luò)裂縫(縫網(wǎng)縫網(wǎng))的形成：的形成：（ Beugelsdijk ，2000 ）(陳勉，陳勉，2008)施工結(jié)束施工結(jié)束190min130min80min9微地震監(jiān)測證實(shí)了網(wǎng)絡(luò)裂縫（縫網(wǎng)）的形成：微地震監(jiān)測證實(shí)了網(wǎng)絡(luò)裂縫（縫網(wǎng)）的形成：（Maxwell ，2002)二二. 能不能形成縫網(wǎng)？能不能形成縫網(wǎng)？10

6、微地震監(jiān)測證實(shí)了網(wǎng)絡(luò)裂縫（縫網(wǎng)）的形成：微地震監(jiān)測證實(shí)了網(wǎng)絡(luò)裂縫（縫網(wǎng)）的形成：（Cipolla，2009）二二. 能不能形成縫網(wǎng)？能不能形成縫網(wǎng)？11 地質(zhì)條件地質(zhì)條件 儲(chǔ)層必須具有結(jié)構(gòu)弱面（如天然裂縫），儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)弱儲(chǔ)層必須具有結(jié)構(gòu)弱面（如天然裂縫），儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)弱面越發(fā)育，縫網(wǎng)系統(tǒng)越發(fā)育面越發(fā)育，縫網(wǎng)系統(tǒng)越發(fā)育三三. 怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？12在不同應(yīng)力差和相交角組合下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在不同應(yīng)力差和相交角組合下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)室構(gòu)架實(shí)驗(yàn)室構(gòu)架三三. 怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？ 應(yīng)力條件應(yīng)力條件 最大最小水平主應(yīng)力差越小，最大水平主應(yīng)力方向與結(jié)構(gòu)最大最小水平主應(yīng)力差越小，

7、最大水平主應(yīng)力方向與結(jié)構(gòu)弱面（如天然裂縫）走向夾角越小，越容易形成縫網(wǎng)且縫網(wǎng)系統(tǒng)越發(fā)育弱面（如天然裂縫）走向夾角越小，越容易形成縫網(wǎng)且縫網(wǎng)系統(tǒng)越發(fā)育（Blanton，1987） Rickman 認(rèn)為脆性礦物認(rèn)為脆性礦物(硅質(zhì)硅質(zhì)+鈣質(zhì)鈣質(zhì))總量要大于總量要大于40%，才能夠形成縫網(wǎng)，才能夠形成縫網(wǎng)巖礦成分巖礦成分3角圖角圖（Rickman，2008）13三三. 怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？ 巖礦條件巖礦條件脆性礦物脆性礦物(硅質(zhì)硅質(zhì)+鈣質(zhì)鈣質(zhì))含量越高，儲(chǔ)層越容易形成縫網(wǎng)含量越高，儲(chǔ)層越容易形成縫網(wǎng) 脆性特征參數(shù)約大于脆性特征參數(shù)約大于5050，儲(chǔ)層才具有縫網(wǎng)擴(kuò)展的巖石力學(xué)條件，儲(chǔ)

8、層才具有縫網(wǎng)擴(kuò)展的巖石力學(xué)條件14三三. 怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？ 力學(xué)條件力學(xué)條件彈性模量越大、低泊松比越小，儲(chǔ)層越容易形成縫網(wǎng)彈性模量越大、低泊松比越小，儲(chǔ)層越容易形成縫網(wǎng)（Rickman，2008）15計(jì)算條件：計(jì)算條件：巖石抗張強(qiáng)度巖石抗張強(qiáng)度5MPa，流體黏度，流體黏度1mPa.s（趙金洲，任嵐（趙金洲，任嵐 20102010）三三. 怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？ 工程條件一：工程條件一：凈壓力越高，儲(chǔ)層越容易形成縫網(wǎng)且縫網(wǎng)越發(fā)育凈壓力越高，儲(chǔ)層越容易形成縫網(wǎng)且縫網(wǎng)越發(fā)育模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果（Beugelsdijk，2000）低粘低粘高粘高粘裂縫監(jiān)測結(jié)

9、果裂縫監(jiān)測結(jié)果（Cipolla，2008）16凍膠凍膠滑溜水滑溜水清水清水弱交聯(lián)壓裂液弱交聯(lián)壓裂液理論計(jì)算結(jié)果理論計(jì)算結(jié)果（趙金洲、任嵐，趙金洲、任嵐，2010）三三. 怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？ 工程條件二：工程條件二：主裂縫形成后，壓裂液黏度越低，主裂縫形成后，壓裂液黏度越低，越容易形成縫網(wǎng)越容易形成縫網(wǎng)17注入壓裂液量與縫網(wǎng)發(fā)育程度相關(guān)性（注入壓裂液量與縫網(wǎng)發(fā)育程度相關(guān)性（Mayerhofer，2010）三三. 怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？ 工程條件三：工程條件三：壓裂規(guī)模越大，縫網(wǎng)體積越大壓裂規(guī)模越大，縫網(wǎng)體積越大18縫網(wǎng)壓裂的基本條件縫網(wǎng)壓裂的基本條件地質(zhì)條

10、件：地質(zhì)條件：結(jié)構(gòu)弱面（天然裂縫、節(jié)理等）發(fā)育結(jié)構(gòu)弱面（天然裂縫、節(jié)理等）發(fā)育應(yīng)力條件：應(yīng)力條件：水平應(yīng)力差小水平應(yīng)力差小巖礦條件：巖礦條件：脆性礦物含量高脆性礦物含量高力學(xué)條件：力學(xué)條件：彈性模量大、泊松比小彈性模量大、泊松比小工程條件：工程條件：三三. 怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？怎樣才能夠形成縫網(wǎng)？凈壓力高凈壓力高流體黏度低流體黏度低規(guī)模大規(guī)模大縫網(wǎng)形成示意圖縫網(wǎng)形成示意圖四四. 如何形成縫網(wǎng)？如何形成縫網(wǎng)？1920縫網(wǎng)概念圖（縫網(wǎng)概念圖（Blanton）四四. 如何形成縫網(wǎng)？如何形成縫網(wǎng)？縫網(wǎng)概念圖（縫網(wǎng)概念圖（趙金洲，任嵐趙金洲，任嵐）21 netmaxmino11 cos22ptT net

11、maxminof11 cos22ptTp tnfip tp 從相交點(diǎn)直接穿過從相交點(diǎn)直接穿過穿過天然裂縫判據(jù)：穿過天然裂縫判據(jù)： 從天然裂縫端部延伸從天然裂縫端部延伸天然裂縫轉(zhuǎn)向判據(jù)：天然裂縫轉(zhuǎn)向判據(jù)：水力裂縫與天然裂縫相交作用后的延伸理論模型水力裂縫與天然裂縫相交作用后的延伸理論模型220nff20nftf421211expsin2142cnppnk tnpnCL fp四四. 如何形成縫網(wǎng)？如何形成縫網(wǎng)？水力裂縫相交天然裂縫后的延伸分析水力裂縫相交天然裂縫后的延伸分析(1) 低相交角時(shí)，水力裂縫傾向沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸；低相交角時(shí)，水力裂縫傾向沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸；(2) 中相交角低應(yīng)力差時(shí)，水

12、力裂縫傾向沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸；中相交角低應(yīng)力差時(shí)，水力裂縫傾向沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸；(3) 高相交角時(shí)，當(dāng)水平應(yīng)力差小于巖石抗張強(qiáng)度，水力裂縫傾向沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸；高相交角時(shí)，當(dāng)水平應(yīng)力差小于巖石抗張強(qiáng)度，水力裂縫傾向沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸；(4) 水平應(yīng)力差越小，相交角越小，水力裂縫轉(zhuǎn)向延伸需要的凈壓力越低；水平應(yīng)力差越小，相交角越小，水力裂縫轉(zhuǎn)向延伸需要的凈壓力越低； 總體上說，低相交角和低應(yīng)力差有利于遠(yuǎn)場縫網(wǎng)的形成，而高相交和高應(yīng)力差將更容易形總體上說，低相交角和低應(yīng)力差有利于遠(yuǎn)場縫網(wǎng)的形成，而高相交和高應(yīng)力差將更容易形成對(duì)稱雙翼裂縫。成對(duì)稱雙翼裂縫。 相交角和水平應(yīng)力差對(duì)水力裂縫轉(zhuǎn)向延伸的

13、影響相交角和水平應(yīng)力差對(duì)水力裂縫轉(zhuǎn)向延伸的影響22四四. 如何形成縫網(wǎng)？如何形成縫網(wǎng)？清水清水（1mPa.s） (1) 隨著作業(yè)液體體系的黏度越來越高，水力裂縫轉(zhuǎn)向延伸角范圍逐漸縮??；隨著作業(yè)液體體系的黏度越來越高，水力裂縫轉(zhuǎn)向延伸角范圍逐漸縮小； (2) 壓裂液黏度越高，水力裂縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸所需的凈壓力越高，轉(zhuǎn)向延伸越困難，不壓裂液黏度越高，水力裂縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸所需的凈壓力越高，轉(zhuǎn)向延伸越困難，不利于水力裂縫的橫向延伸；利于水力裂縫的橫向延伸； 選擇低黏度的壓裂液更加有利于液體對(duì)流體壓力在天然裂縫內(nèi)的傳播，更易形成選擇低黏度的壓裂液更加有利于液體對(duì)流體壓力在天然裂縫內(nèi)的傳播，更易

14、形成復(fù)雜的遠(yuǎn)場縫網(wǎng)。復(fù)雜的遠(yuǎn)場縫網(wǎng)。弱交聯(lián)壓裂液（弱交聯(lián)壓裂液（50mPa.s）23水力裂縫相交天然裂縫后的延伸分析水力裂縫相交天然裂縫后的延伸分析四四. 如何形成縫網(wǎng)？如何形成縫網(wǎng)？24天然裂縫與水力裂縫不相交對(duì)水力裂縫延伸的影響：天然裂縫與水力裂縫不相交對(duì)水力裂縫延伸的影響：水力裂縫轉(zhuǎn)向水力裂縫轉(zhuǎn)向不相交作用分析的物理模型不相交作用分析的物理模型 除了水力裂縫與天然裂縫相交作用會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向、穿過、轉(zhuǎn)向和穿過并除了水力裂縫與天然裂縫相交作用會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向、穿過、轉(zhuǎn)向和穿過并存以外，還存在水力裂縫與天然裂縫不相交的相互作用存以外，還存在水力裂縫與天然裂縫不相交的相互作用四四. 如何形成縫網(wǎng)？如何形成

15、縫網(wǎng)？25其中其中 ffffnfnfnfnffffn1f1ffffnfnfnfn2nf2nfnfnf21111LLLLLLLLLxLxKLx dxKLx dxLxLxLLLxLxKLx dxKLx dxLxLxLa水力裂縫轉(zhuǎn)向角水力裂縫轉(zhuǎn)向角201tan824KKKK水力裂縫與天然裂縫非相交情況下水力裂縫轉(zhuǎn)向模型水力裂縫與天然裂縫非相交情況下水力裂縫轉(zhuǎn)向模型四四. 如何形成縫網(wǎng)？如何形成縫網(wǎng)？26相交角對(duì)水力裂縫延伸轉(zhuǎn)向角的影響相交角對(duì)水力裂縫延伸轉(zhuǎn)向角的影響縱向距離對(duì)水力裂縫延伸轉(zhuǎn)向角的影響縱向距離對(duì)水力裂縫延伸轉(zhuǎn)向角的影響 水力裂縫與天然裂縫橫向分布距離越小，相互作用越強(qiáng)，轉(zhuǎn)向角越大，水力

16、裂縫水力裂縫與天然裂縫橫向分布距離越小，相互作用越強(qiáng)，轉(zhuǎn)向角越大，水力裂縫與天然裂縫之間越易搭接；與天然裂縫之間越易搭接； 為此，天然裂縫分布密度越大，天然裂縫與水力裂縫之間的作用距離越小，越容為此，天然裂縫分布密度越大，天然裂縫與水力裂縫之間的作用距離越小，越容易形成縫網(wǎng)。易形成縫網(wǎng)。四四. 如何形成縫網(wǎng)？如何形成縫網(wǎng)？27水力裂縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸路徑模擬水力裂縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸路徑模擬轉(zhuǎn)向裂縫的等效平面裂縫轉(zhuǎn)向裂縫的等效平面裂縫水力裂縫在與天然裂縫相交后的延伸路徑水力裂縫在與天然裂縫相交后的延伸路徑水力裂縫轉(zhuǎn)向延伸情況下的等效裂縫延伸路徑水力裂縫轉(zhuǎn)向延伸情況下的等效裂縫延伸路徑四四.

17、如何形成縫網(wǎng)？如何形成縫網(wǎng)？28裂縫縫寬方程裂縫縫寬方程2fn2(1)( ( )( )( )hp xxW xE裂縫流體流動(dòng)方程裂縫流體流動(dòng)方程3fn( ( )( )64hWd p xxqdx 物質(zhì)平衡方程物質(zhì)平衡方程3nL( ( )( )2644( )p xxcWWxxttx求解的邊界條件求解的邊界條件( , )0W L t xLt3fn00( ( )( )|64xhWd p xxQdx四四. 如何形成縫網(wǎng)？如何形成縫網(wǎng)？29不同轉(zhuǎn)向次數(shù)下延伸裂縫縫長方向上的流體壓力和寬度分布不同轉(zhuǎn)向次數(shù)下延伸裂縫縫長方向上的流體壓力和寬度分布四四. 如何形成縫網(wǎng)？如何形成縫網(wǎng)？二次轉(zhuǎn)向延伸的縫寬分布示意圖二

18、次轉(zhuǎn)向延伸的縫寬分布示意圖30不同排量下延伸裂縫縫長方向上的流體壓力和寬度分布不同排量下延伸裂縫縫長方向上的流體壓力和寬度分布l 排量越高，整個(gè)縫內(nèi)的流體壓力都越高，說明提升排量能增加轉(zhuǎn)向段的流動(dòng)能力，降低排量越高，整個(gè)縫內(nèi)的流體壓力都越高，說明提升排量能增加轉(zhuǎn)向段的流動(dòng)能力，降低轉(zhuǎn)向段的節(jié)流效應(yīng)；轉(zhuǎn)向段的節(jié)流效應(yīng)；l 排量越高，包括轉(zhuǎn)向延伸段在內(nèi)，整個(gè)縫內(nèi)的縫寬都越大。排量越高，包括轉(zhuǎn)向延伸段在內(nèi)，整個(gè)縫內(nèi)的縫寬都越大。 對(duì)于縫網(wǎng)壓裂來說，提高排量能增加轉(zhuǎn)向裂縫段的縫寬，提升支撐劑通過轉(zhuǎn)向?qū)τ诳p網(wǎng)壓裂來說，提高排量能增加轉(zhuǎn)向裂縫段的縫寬，提升支撐劑通過轉(zhuǎn)向延伸裂縫段的能力，降低支撐劑橋塞的延

19、伸裂縫段的能力，降低支撐劑橋塞的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)也可以提高施工凈壓力，促進(jìn)縫風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)也可以提高施工凈壓力，促進(jìn)縫網(wǎng)的形成。網(wǎng)的形成。四四. 如何形成縫網(wǎng)？如何形成縫網(wǎng)？2 2、脆性特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果、脆性特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果311、巖石礦物成分、巖石礦物成分（石英含量（石英含量40.32-69.58%, 有利于形成縫網(wǎng)）有利于形成縫網(wǎng)）五五. 縫網(wǎng)壓裂實(shí)例分析縫網(wǎng)壓裂實(shí)例分析井號(hào)樣號(hào)石英斜長石鉀長石方沸石濁沸石菱鐵礦鐵白云石白云石方解石D106146.19 10.5214.4117.750.000.0011.130.000.00242.42 0.0014.6720.420.000.0011.4511.0

20、30.00369.58 11.4910.140.000.000.004.504.280.00D10653.07 22.0415.599.300.000.000.000.000.00b35640.32 0.000.000.000.0059.680.000.000.00 B28儲(chǔ)層彈性模量為2.878-5.064104MPa，平均彈性模量3.971104MPa；泊松比0.218-0.293，平均泊松比0.255。由右圖可得B28儲(chǔ)層巖石脆性特征參數(shù)為50.22，可見，該井基本具有形成縫網(wǎng)的巖該井基本具有形成縫網(wǎng)的巖石力學(xué)條件。石力學(xué)條件。以松遼盆地某口井為例，分析縫網(wǎng)壓裂的實(shí)施情況。以松遼盆地某口井為例，分析縫網(wǎng)壓裂的實(shí)施情況。32 井孔崩落法水平最大主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|井孔崩落法水平最大主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|60度到北東度到北東85度度之間，水平應(yīng)力差之間，水平應(yīng)力差3-12.4MPa 儲(chǔ)層網(wǎng)狀裂縫非常發(fā)育，巖石強(qiáng)烈破碎成角礫狀，微裂縫分布呈不規(guī)則的網(wǎng)狀，走儲(chǔ)層網(wǎng)狀裂縫非常發(fā)育，