水力压裂裂缝的起裂和扩展.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑水力压裂裂缝的起裂和扩展 石油勘探与开发年叮八 卫 第 期 水力压裂裂缝的起裂和扩展黄荣禅华东石油学院 提要 本文综合国外关于水力压裂裂缝的起裂和扩展的研究 , 提出了垂直裂缝和水 平裂缝的起裂判据并分析了影响裂缝延迟方向的各种因素文章认为裂缝的形成主要抉择于井壁上的应力状态, 而确定及影响此应力状态的因 素有 地壳应力地层的孔隙压力井内液体压力, 、 、 、 压裂液向地层中的渗滤滚动以及被压 裂地层的机械物理性质题, 并对此举行了较详尽的分析, 留神到目前国外正引用线弹性断裂力学来分析裂缝延迟的方向及延迟的阻挡问提出裂缝的延迟方向主要取决于地应力认为不管井壁上初始形成的裂缝方位如何,, 在远离井眼后力外, 裂缝便趋于垂直最小主地应力的方向、、 扩缝压力除了取决于最小主地应、 还与裂缝的类型、 尺寸及岩石材料的性质有关文章中还分析了地层岩性的变化, 交界面的性质裂隙面的存在压裂液的比重及其滤失应力强度因子的影响, 地应力分布的变化等对裂缝端部 认为这是判断裂缝持续延迟或产生阻挡作用的重要依据, 水力压裂新工艺自从在石油工业中采用以来然而迄今对压裂的细致机理仍研究得很不够中还有不少问题尚未得到很好解决。

对油气田的勘探和开发起了重要的作用, 加上地下处境的繁杂 以致在压裂设计和施工 本文拟从岩石力学及线弹性断裂力学的角度剖析一下与 压裂机理有关的 , 主要包括裂缝的起裂及扩展两方面的问题 一, 、 水力压裂裂缝的起裂原地应力 根据国内外多年的研究目前认为抉择裂缝起裂的因素有隙压力心井筒液体压力 地层的孔 引井筒与地层液体压差作用下液体向多孔地层中的渗滤滚动 地层岩石的强度和共他物理力学性质 休伯特 和维尼斯 贻 于 年首先提出了地质构遣应力场 对水力压裂时井壁破碎压力及裂缝方向影响 的论述〔〕〕 后来邓拉普, 及凯莱和 等分析了地下岩层中及井壁周边的应力状态 提出了计算地层破碎压力的公年以后亨姆松〕 式并且提出可用水力压裂数据反求地应力〔补费尔赫斯特水力压裂时裂缝的形成主要是抉择于井壁 直到 又考虑了压裂液的滤失对破碎压力的影响沁的应力状态 一般认为 当井壁上展现有一 个超过岩石抗拉强度的拉伸应力时一井壁上的应力状态 , 井壁便开头破碎 由于地应力所产生的井壁应力 第 期 水力压裂裂缝的起裂和扩展。

地应力是由地壳岩层的重力场或即上覆地层压力及地质构造应力场所组成的为, 一般可认 地应力中的一个主应力是垂道于地壳外观的, , 其余两个主应力那么是水李的, 假设只考虑上覆地层载荷引起的重力作用即不存在地质构造运动力 且认为地下岩石 处于纯弹性状态正主应力和 可将初始的地应力分解为垂直方向的正主应力吼和两个相等的水平方向的二、夕几 , 件 一件式中一地层的埋藏深度一上覆岩层的平均容重件一岩石的波桑此 , 共理论值可取为 公斤厘米, “ 在有些构造运动活跃的地区会展现奇怪大的侧应力水平应力 井且在通常的处境下三,、 个原地主应力是不相等的和仃,, 设取压应力的符号为正 , 拉应力为负三个主应力分别表示为, , 根据地质构造形成时的受力特点〔约 , 正断层 逆断层和平推断层发 育的区域里 三个主应力的方向是不一致的图 正断层叮’ 一丫八 上碗沂 一 逆断层 平推断层图 仇 产 口 六,几‘, 了 不同断层发育地区的地应力分布处境。

休伯特考虑到多数岩石的内摩擦角都接近于大主应力上覆压力工 这个事实 认为在正断层发育地区顶多会等于 , 最 等于有效的上覆压力, , 最小水平主应力,, 最大的可能是等于万上覆压力而最大水平主应力 在逆断 层发育的地区 最小主应力叽等于有效的上覆压力, 倍的 而在平推断层活跃的区域里 有效的上覆压力那么为中间主应力工 由于地壳中的岩层可视为弹性半无限体 井壁上的应力状态可简化为平面问题来分析叽,, 假设两个水平方向的压缩地应力不相等设为“向上分别作用有一 可把井眼看成是在彼此垂直的方孔壁上的应力就 工 和 叽两个压缩外应力的弹性平板中的一个小圆孔图 相当于井壁上的水平应力力 而井壁上的垂直应力分量仍可视为 即为上覆岩层的压 石 油 勘 探 与 开 发 年 厂 犷 笼 ” 丈夕一 俨一一、 几‘ ‘ 图 矩形平板圆孔周边的应力 根据弹性力学叮 , 图叮 所示的矩形平板小圆孔周边的应力解为一 叮 二卫。

护 十 丛 上卫,一仃 十一 二一‘ 少一 下 一 、一 军, ——十 琴琴毕“ 、 、‘ ‘ , 军“ 式中 氏 , 助 , 和剪应力分量 —一一一 分别为离孔心距离并与正轴 方向成角处的径向, 、 切向正应力一 由于井壁周边存在有应力集中现墓拜在井壁上应力达成最大他 个 , 白 式可得 井壁上的应力为丫 恤 十 一 ‘口 一 乙门 门 、 …, 从式此时 看出 , 井壁上的角而变化的二一 当 二 和 ’ 时 , 助植达成最小 , 助当产生垂直裂缝时, 叮 一 , , 此处是井壁应力首先降为负值变为拉伸, , 即首先升始破碎的部位, 井眼内压所引起的并壁应力 在单独考虑井眼内压的影响时可设想井眼周边的岩层为一个具有无限壁厚的厚壁圆筒井设圆筒的外边界上的压力为零勺所产生的井壁上冶应力分量为二仃 根据拉梅一, 自的厚壁圆筒应力的弹性解可以得到内压几 认 艺 压裂液渗流入地层在并壁上产生的增大应气力由于井眼里的液压 和地层孔隙中液体压力 。

间的差值将引起压裂液自井眼向外的径向滤失 第 期 水力压裂裂缝的起裂和扩展「 设压裂液与岩石孔隙液体具有相类似的性质移的增大, , 而流体流经多孔介质将引起材料中应力和位, 或即增大井壁周边岩石中的应力 亨姆松和费尔赫斯特〔, 〕出可以借助热弹提 性力学理论的已知结果以求解多孔弹性材料的问题向渗流所引起的井壁上切向应力的增大值为 应用厚壁圆筒热弹性应力的解得到了径 一 竺卫止一旦协 一 式中 协 一岩石的波桑比一多孔弹性介质的一个物理常数毕奥特二一 常数 , 可由试验确定 一岩石的骨架压缩率一岩石的容积压缩率井壁上总的应力当考虑形成水平裂 缝时我们咸兴趣的是垂遭应力们只凝望导致井壁岩石破碎的切向应力, 二 的数值 , 对于形成垂直裂缝 , 我 其余的应力分量将不作议论 鲜明 , 井壁上总 的切向应力应是上述地应力的总和 、 井眼内压以及液体径向滤失单独作用时所产生的切向应力分量 」 将式 , 和一 举行迭加便得到一 一 , 一 。

林一 件, 为了计人地层孔隙压力的影响 , 引入有效应力的概念 “ ” 岩石力学在研究岩石孔隙压力 对岩石强度性质的影响时得到结论力正应力的作用效果 当岩石的孔隙中含有压力为, 的液体时 , 它将减小外应, 如岩石中的孔隙液体是化学惰性的 岩石的渗透性又足以保证液体各外 在孔隙中流通形成一致的压力且孔隙空间的外形能使孔隙压力全部传给岩石的骨架时 应力正应力的作用效果均将减小一个值但孔隙压力对剪应力不起影响对于我们所议论的处境由于地层中具有孔隙压力所以有效的水平地应力是, , 产 , 一一 门 飞 , 二 井壁上的有效切向应力为 助于是从式了 助 一 由于有液体滤失时了 , 在井壁上可近似地认为 巴 , 故有 型仃 ‘一引卜一别 我们得到, 一 a, , 一 (P i一 P ) 1 一 2 件 一 1一拼 (二 )垂 直裂缝起裂的判据 . 1有压裂液滤失时, 根据岩石拉伸破坏的准那么达成井壁岩石的抗拉强度即产生垂直裂缝的条件为。

L卜( 当岩石中存在有拉伸应力井且达成材料的抗拉强度时 , 材料产, 将在垂直于拉伸应力的方向上产生脆性断裂, e对于井壁的处境当有效的切向应力分量 o, 水平方向的 )时便在与 o e卯, 了 垂道的方向上产生裂缝(垂直裂缝 )‘ := 一 a ’飞 ( n ) 石 油 勘 探 与 开 发 19 8 1年 ) ) P将式 (1 0代人 (11便得到垂道裂缝起裂时井眼内压与地层孔隙压力差的临界值 (为: P3 ( P i L一 p ) 0 2 , 一 a x, + h 一 P ) 2 一 a 。