水力压裂技术word版.doc

第五章 水力压裂技术5—1 水力压裂力学地层中形成水力裂缝的过程与液体流动特性及岩石的力学性质有关水力造缝的本质是岩石在液体压力作用下的破裂与变形问题，因此造缝特性与岩石的受力及力学性质有关 一．地应力场 1．地应力场概念：地应力是由于岩石变形引起的介质内部单位面积上的作用力地应力场：是指地应力大小和方向在地层空间位置的分布2．地应力剖面概念地应力剖面是指研究地应力大小在纵向上的变化二．地应力的类型（1）原地应力：开发之前地应力原始大小2）扰动应力：开发引起的地应力改变3）构造应力：由构造运动在岩体中引起的应力4）残余应力：除去外力后尚残存在岩石中的应力5）重力应力：由上覆岩层的质量引起的地应力6）热应力：由于地层温度发生变化在其内部引起的内应力增量7）分层地应力：按地层分层给出不同的地应力8）古地应力和现今地应力：某地质时期或重要地质事件前的地应力称古地应力目前存在或正在活动的称现今地应力石油工程关心的是现今地应力3．地应力测试 1）长源距声波与密度测井方法该方法通过测井取得剖面上变化的岩石的纵波速度和横波速度，然后求出岩石泊松比的纵向变化，利用下式求出最小水平主应力σh，而取得地应力剖面。

σh 4—1 4—2 图4—1 水力压裂测试典型压力曲线式中：σv—上覆层压力，通过密度测井得到 P—地层压力； —孔隙弹性系数，通过实验测的2）测试压裂方法（现场常用） 测试压裂：是将不含砂的压裂液注入地层，造缝后停泵侧压力降落曲线，待曲线上出现拐点后测试结束，出现拐点时相应的压力即裂缝闭合压力，其大小与岩层中垂直于裂缝面的应力值相等，也即就是地层最小主应力 如图4—1 所示上图中，产生人工裂缝后停泵，裂缝停止扩展处于临界闭合状态，闭合压力为Ps2 / 29结论：可以认为，裂缝临界闭合时，裂缝内的流体压力等于裂缝闭合的最小地应力由此可以计算出最小地应力4．地应力测量数据根据国家地震局地质研究所收集整理的渤海湾盆地油田水力压裂地应力测量资料，在测量深度的范围内，对地应力测量数据按深度进行线性回归得到：辽河油田（497～3473m） 大港油田（0～4000m） 华北油田（1500～3200m）胜利油田（1300～3300m）中原油田（1830～3881） 式中：σH 、σh 、σv—分别为最大、最小、垂向地应力，Mpa， D—地层深度，m。

二．岩石力学参数1．弹性模量（杨氏模量） E 弹性模量 E就是虎克定律中的比例常数物理意义：弹性体应力与应变的比值弹性体单位截面积上的弹性力称为应力，单位长度上的变形成为应变弹性模量对造缝宽度及压裂压力有较大影响弹性模量表达式：静态： 动态：式中 σz—轴向应力； εz—轴向应变； ρ—岩石密度； ，—岩石纵、横波速度进行压裂设计时，砂岩弹性模量的取值范围为1104 ～4104MPa2．泊松比 泊松比：指岩石横向应变量与纵向应变量的比值，或叫横向变型系数岩石在外力作用下，纵向上产生伸长的同时，横向上缩小 其横向缩小应变量与纵向相对伸长应变量之比 泊松比表达式静态： 动态：式中 —周向应变岩石的泊松比取值范围为0.15～0.35.弹性模量E、泊松比都是反映岩石材料弹性特性的参数3．断裂韧性模拟裂缝延伸时，引用了线弹性力学中应力强度因子的概念，它反映了裂纹尖端附近区域内各点应力的强弱当应力强度因子增大到某一临界值时，岩石的裂缝将发生急剧的不稳定扩展岩石应力强度因子的临界值称为岩石的断裂韧性它决定了裂缝在延伸过程中所需的力断裂韧性是水力压裂设计中一个关键参数，试验求得。

常温常压下求得的砂岩断裂韧性值一般在0.5～3.0MPm1/2范围内4．孔隙弹性系数（毕奥特系数）它反映了孔隙压力对岩石变形的影响，也是求水平地应力的一个重要参数 定义为： 式中 Cb—岩石的体积压缩系数； Cg—岩石颗粒（骨架）的压缩系数实验室中测得砂岩的孔隙弹性系数一般在0.6～0.9之间5．岩石抗张强度 S岩石抗张强度是岩石本身的一种性质岩石处在复杂的应力状态中，只要所受的拉伸或剪切应力等于岩石材料本身的抗张强度时，岩石即发生破坏岩石的主要破坏类型有拉伸、剪切和塑性流动破坏对于脆性岩石主要发生拉伸和剪切破坏，对于塑性岩石主要发生塑性流动破坏石油工程中最常见的是脆性破坏作业思考题：1. 地应力是怎样概念的？2．什么是岩石的弹性模量和泊松比？写出数学表达式？5—2 造缝机理一．地应力及其分布一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态作用在地下岩石某单元体上的应力为垂向主应力σz ，及水平主应力σH(其中又分为互相垂直的σx及σy )一）地应力1．作用在单元体上的垂向应力来自上覆岩层的重量它的数值为： （5—1）式中 σz——垂向主应力，Pa； 　 H——地层垂深，m；g——重力加速度(9．81 m/s2)； ρs——上覆层岩石密度，kg/m3。

由于油气层中有一定的孔隙压力Pp，故有效垂向应力可表示为： （5—2）2．作用在单元体上的水平主应力：来自岩石处于弹性状态，考虑到构造应力等因素的影响最大水平主应力为： （5—3）式中 σ H——最大水平主应力，Pa； ξ1，ξ2——水平应力构造系数，可由室内测试试验结果推算，无因次； ——泊松比，无因次； 　E——岩石弹性模量，Pa； ——毕奥特(Biot)常数，无因次 （二）地质构造对应力的影响在逆断层或褶皱地带水平应力要比垂向应力大得多，甚至可大到3倍，在正断层地带，水平应力可能只有垂向应力的三分之一图4—3 人工裂缝方向示意图如果岩石单元体是均质的各向同性材料，岩石破裂时裂缝的方向总是垂直于最小主应力轴当已知地层中各应力的大小时，裂缝的形态或方向即可被确定如图4—3图4—1构造对应力的影响a—逆断层区域σH=3σz b—正断层区域σz=3σH （三）井壁上的应力1．井筒对地应力及其分布的影响钻井后，井壁及其周围地应力分布受到井筒的影响，很复杂。

简化起见，将地层中三维应力用二维方法来处理用无限大平板中钻有一个圆孔的受力情况来分析如图5—2所示在无限大平板上钻了圆孔之后，使板内原来平衡的应力重新分布，造成圆孔附近的应力集中在双向应力状态下，弹性力学给出了平板为固体、各向同性、弹性材料的周向应力计算式： （5—4）（改错）式中 σθ——圆孔周向应力，Pa；　　 a——圆孔半径，m； r——距圆孔中心的距离，m； θ——任意径向与x轴的夹角； —分别为x，y方向上分布的应力图4-2 无限大平板中钻一圆孔的应力分布定性分析井壁上应力大小：（1）当r=a，σx>σy，θ=0、180时， (σθ)min= (σθ)0，180= 3σy－σx（2）当r=a，σx>σy，θ=90、270时，(σθ)max=(σθ)90，270=3σx－σy说明最小周向应力发生在σx的方向上，而最大周向应力却在σy的方向上 （3）随着r的增加，周向应力迅速降低，如图4—2(b)所示大约在几个圆孔直径之外，即降为原地应力值这种应力分布表明，由于圆孔的存在，产生了圆孔周围的应力集中，孔壁上的应力比远处的大得多，这就是地层破裂压力大于裂缝延伸压力的重要原因。

2．井眼内压所引起的井壁应力压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很快升高井筒内压必然产生井壁上的周向应力可以把井筒周围的岩石看作是一个具有无限壁厚的厚壁圆筒，根据弹性力学中的拉梅公式(拉应力取负号) （5—5）式中 Pe ——厚壁筒外边界压力，Pa；（井眼内压在外边界产生的压力） re ——厚壁筒外边界半径，m； ra ——厚壁筒内半径，m； Pi ——内压，Pa； r ——距井轴半径，cm当re =∞、Pe=0、r= ra 时，井壁上的周向应力为：σθ=－Pi即：由于井筒内压而导致的井壁周向应力与内压大小相等，但符号相反利用无穷大定理推导） 3、压裂液径向渗入地层所产生的井壁应力：由于注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入井筒周围地层中，形成了另外一个应力区，它的作用是增大了井壁周围岩石中的应力增加的周向应力值为： （5—6） （5—7）式中 Cr——岩石骨架压缩系数；Cb——岩石体积压缩系数——泊松比；Ps——地层压力。

4、井壁上的总周向应力： 显然在地层破裂前，井壁上的总周向应力应为地应力、井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和，即：　 （5—8）二．造缝的条件油层破裂压力概念：是指油层被压开的瞬间，被压层位所受的压力一）形成垂直裂缝1．当存在液体渗滤时，如果岩石的破裂是纯张力破裂时，当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗拉强度σth时，岩石将在垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂，即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝此时有：= -σth，代入（5—8）式，并换为有效应力(，，)，则可得到垂直裂缝时的破裂压力，当产生垂直裂缝时，井筒内注入流体的压力Pi即为地层的破裂压力Pf，所以形成垂直裂缝的条件： （5—9）2．无液体渗滤时，地层渗滤应力等于零，井壁上岩石的空隙压力仍然为Ps，故，，将其他应力一同代入（5—8）式，则：由于最小总周向应力发生在θ=0，180的对称点上，垂直裂缝也产生在与井筒相对应的两个点上这就是为什么假定垂直裂缝以井轴为对称的两条缝的原因实际上由于地层的非均质性和局部应力场的影响，产生的裂缝往往是不对称的。

二）形成水平裂缝当产生水平裂缝时，井筒内注人流体的压力等于地层的破裂压力，经过实验修正后得到形成水平裂缝的条件： （5—10）式中 σth——岩石垂向抗张强度三）破裂压力梯度为了便于比较与预测各油田（油井）的破裂压力，常使用破裂梯度β来表示，其物理意义： （kg/cm2m）即：破裂压力梯度β是指地层破裂压力与地层深度的比值 三．地面泵压的确定（1） 地层产生垂直裂缝时地面泵压的确定：（产生垂直裂缝的油藏） （5—11）式中： PB—井口施工泵压，MPa； —地层破裂压力，MPa；—井筒液柱压力，MPa；—管线及管柱产生的压力损失，MPa2）地层产生水平裂缝时地面泵压的确定：（产生水平裂缝的油藏） （5—12） 。