水力压裂起裂与扩展分析.pdf

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1、水力压裂起裂与扩展分析李雨(中国石油集团长城钻探工程有限公司压裂公司，辽宁盘锦124010)摘要：水力压裂是油气田开发的重要方式，因此对水力压裂的分析对油气田的开发与增产便有了重要意义，本文将从目的层井壁处所受应力作用、裂缝的起裂依据以及裂缝的延伸的影响因素等多角度对压裂机理进行分析和描述。关键词：油气田开发；水力压裂；裂缝延伸；应力状态1目的层井壁处所受应力作用1．1受地应力作用地应力主要是指上覆地层压力和地质构造应力场构成的综合应力。通常认为，地应力的主应力方向分别为一个与地壳表面垂直，另外两个主应力处于水平。当不考虑构造应力场，只存在上覆地层压力，同时假定地下岩层为纯弹性状态，可将初始地

2、应力分解为一个垂直方向的正主应力和两个数值相等的水平方向压缩主应力。当钻井结束后，由于井眼的存在将会对目的岩层的应力状态造成改变，如果水平方向的两个压缩地应力不相等，则井眼处所受的水平应力则为两个水平压缩应力所产生的合力，垂直方向上的应力则为上覆地层压力。1．2受井眼内压作用当单独考虑井眼内压时，可将井眼设想成为圆筒，而周围岩层为无限厚的筒壁，并设作用于圆筒外边界的压力为零，则可根据厚壁圆筒应力的弹性解可以算出井眼内压作用于目的层井壁的应力分量。1．3受地层流入的压裂液作用压裂过程中，井眼中液压力大于地层孔隙中液体压力，从而压裂液白井眼向目的层中径向滤失，依据多孔介质经流体流入时，其材料中位移

3、和应力都将增大，所以目的层中压裂液的流入很可能会增大井壁周围岩石中的应力。2裂缝的起裂依据在水力压裂过程中，形成裂缝的主要决定因素是改造目的层的应力状态。通常：当作用于改造目的层测拉伸应力超过该岩层的抗拉强时，岩层便开始起裂。2．1垂直裂缝起裂的判据根据材将会产生与拉伸应力方向垂直的脆性断裂。同理，当压裂液流入时，造成作用于井壁有效的切向应力分量大于岩石水平方向的抗拉强度时，便将产生垂直于水平应力分量方向的裂缝。料的拉伸破坏准则，当作用于材料的拉伸应力达到其抗拉强度时，材料2．2水平裂缝的起裂判据当井内液体侵入目的层，在滤失过程中克服上覆地层压力，并其所曾大的垂向应力量大干地层所具有的垂向抗拉

4、强度时，则会在目的层中形成水平裂缝。形成裂缝后，能量消耗主要产生于压裂液向裂缝扩散滤失的粘滞摩阻以及支撑并继续张裂开裂缝的前椽岩体。如果在裂缝形成后停止压裂施工并瞬时关井，则此时压裂将不再进行深入流动，裂缝也将停止延伸，此时缝内的静压力稳定时的数值则为垂直缝面上的地应力。3裂缝的延伸3．1裂缝的延伸方向由于地应力受地质构造运动的影响，在正断层、逆断层和平移断层等不同构造类型的发育地区，通过水力压裂进行改造时便会形成不同形态的裂缝。水平裂缝只可能形成于逆断层活跃地区，而在平推断层和正断层发育地区将形成垂直裂缝⋯。3．2裂缝的延伸压力裂缝的延伸压力受多种因素影响，不仅受目的层最小地应力影响，同时还

5、与目的储层的岩性以及裂缝的尺寸和类型相关。在裂缝延伸的过程中，随着裂缝尺寸的增大，继续延伸所需要的压力是逐渐变小的。当假定压裂液与与目的层中孔隙流体具有相同性质的条件下可以得出：随着压裂液在目的层中滤失的同时，裂缝端部的孔隙压力也随之增大，从而降低裂缝的继续延伸的趋势。因此，压裂液的滤失所造成目的层孔隙压力变化是控制裂缝延伸和几何形状的重耍因素。可实际上由于液体性质的不同，在滤失过程中还很有可能造成目的层岩石的膨胀，从而影响裂缝的宽度，还有可能改变目的层的岩石性质，情况会更加难以推断。3．3裂缝的延伸受岩性变化的影响在对油气田进行压裂过程中，特别是天然气储集层，通常要对低渗透生产层进行裂缝改造

6、，一旦穿过隔层延伸到其他高渗透产层则视为压裂失败，因此对于垂直裂缝就要根据改造目的层厚度有效控制缝高。由于生产层和隔层的岩性不同，在物理力学性质上存在巨大差异，其在水平方向上产生的地应力也明显不同，当隔层的水平应力大于生产层时则可以限制裂缝的纵向延伸。相反，如果生产层的水平地应力大于隔层，则裂缝在生产层中扩展的压力要大于在隔层中扩展所需的压力，则裂缝极易在隔层中纵向延伸从而失去隔层的遮挡作用。在压裂液的压力作用下，裂缝起裂后垂直于最小主应力方向进行旋转延伸，因此其破裂后的扩展压力通常较高，对裂缝扩展压力进行精确地测量可以了解到裂缝是否延伸进隔层中去，一旦扩展压力出现了较大的变化，说明裂缝延伸到

7、隔层，根据压力的变化量也可推测裂缝已延伸进高应力层的距离。4结语本问题通过引用岩性的应力状态以及线弹性力学分析了裂缝的起裂、延伸及延伸的方向和阻挡问题，提出地应力对裂缝的延伸方向的控制，认为裂缝在远离井眼进行延伸时期扩展方向便趋于垂直最小主地应力的方向，与起裂位置形成的初始裂缝方位无关。裂缝的扩展压力与最小主地应力主要因素有关外，还与目的储层的岩性以及裂缝的尺寸和类型相关。参考文献：[1]Shuc