压裂裂缝起裂及延伸机理探讨.docx

1、压裂裂缝起裂及延伸机理探讨压裂裂缝起裂及延伸机理探讨罗文波;张辉【摘 要】水力压裂技术是通过在地面向井下注入高压液体，迫使地层岩石在高压下破裂形成裂缝，该裂缝在支撑剂支撑下具有较高的导流能力，达到增产作用。为了有针对性地进行储层压裂改造，必须深入研究压裂裂缝起裂及延伸机理。本文基于应力迭加原理，建立了压裂裂缝起裂数学模型，并结合实际井例的岩石力学实验数据，进行了裂缝起裂及延伸分析，为油井压裂改造提供了理论支撑。【期刊名称】中国西部科技【年(卷),期】2015(000)009【总页数】4页(P47-50)【关键词】裂缝起裂;延伸机理;复杂裂缝;岩石力学【作 者】罗文波;张辉【作者单位】江汉油田分

2、公司工程技术研究院，湖北 武汉 430000;江汉油田分公司工程技术研究院，湖北 武汉 430000【正文语种】中 文【中图分类】基础科学中国西部科技 2015 年 09 月第 14 卷第 09 期总第 314 期47 压裂裂缝起裂及延伸机理探讨罗文波张辉（江汉油田分公司工程技术研究院，湖北武汉 430000)摘 要： 7.）.力压裂技术是通过在地面向井下注入高压液体，迫使地层岩石在高压下破裂形成裂缝，该裂缝在支撑剂支撑下具有较高的导流能力 ，达到增产作用 。 为了有针对性地进行储层压裂改造，必须深入 研究压裂裂缝起裂及延伸机理。 本文基于应力迭加原理，建立了压裂裂缝起裂数学模型，并结合实际井

3、 例的岩石力学实验数据，进行了裂缝起裂及延伸分析，为油井压裂改造提供了理论支撑 。关键词：裂缝起裂；延伸机理； 复杂裂缝；岩石力学 DO I :10.3969/ j.i ssn.1671-6396.2015.09.012随着油田大力开发的不断深入，常规的双翼缝 改造已经不能满足高效开发的需要，必须转变思路 进行了复杂裂缝形态的改造尝试。然而目前对裂缝 起裂与延伸机理的研究还较少 。本文根据应力迭加 原理，考虑井筒方位，井筒周围的岩石性质，井筒 周围应力分布以及作业条件的因素，建立了压裂裂H 缝起裂及裂缝延伸数学模型，分析结果对于压裂改造具有很好的指导意义。1 压裂裂缝起裂数学模型1.1 射孔斜

4、井井壁受力模型考虑压裂液渗滤效应、孔隙度、孔隙压力的影响，井壁应力场分布模型如下 ：u A-A 然而图 1 斜井井璧受力模型o-, 凡句（凡 Pp)以（ ；.，.+o-Y)-2(o-x:r -o-Jr )cosW-4 m叫吧1 （凡 pp)吃 c凡 v2（叫） sin 2叫吧豆 Te,= 2 Fcos 2 nsin 1.2 起裂计算模型 本文借鉴目前运用最为广泛的张应力破坏准则作为裂缝起裂的分析准则，根据岩石张性破裂准 则，初始断裂应处于 z 一 平面 内，由弹性力 学摘要：7.）.力压裂技术是通过在地面向井下注入高压液体，迫使地层岩石在高压下破裂形成裂缝，该裂缝在支撑剂支撑下具有较高的导流能

5、力 ，达到增产作用 。 为了有针对性地进行储层压裂改造，必须深入研究压裂裂缝起裂及延伸机理。 本文基于应力迭加原理，建立了压裂裂缝起裂数学模型，并结合实际井例的岩石力学实验数据，进行了裂缝起裂及延伸分析，为油井压裂改造提供了理论支撑 。关键词：裂缝起裂；延伸机理； 复杂裂缝；岩石力学DO I :10.3969/ j.i ssn.1671-6396.2015.09.012 随着油田大力开发的不断深入，常规的双翼缝改造已经不能满足高效开发的需要，必须转变思路进行了复杂裂缝形态的改造尝试。然而目前对裂缝起裂与延伸机理的研究还较少 。本文根据应力迭加原理，考虑井筒方位，井筒周围的岩石性质，井筒周围应力

6、分布以及作业条件的因素，建立了压裂裂.1射孔斜井井壁受力模型图1斜井井璧受力模型以（ ；.，.+o-Y)-2(o-x:r -o-Jr )cosW-4 m叫吧1 （凡 pp)吃c凡 v2（叫） sin 2叫吧豆 Te,= 2 Fcos 2 nsin 1.2起裂计算模型本文借鉴目前运用最为广泛的张应力破坏准则作为裂缝起裂的分析准则，根据岩石张性破裂准则，初始断裂应处于 z 一 平面 内，由弹性力 学48 理论，井壁上的最大拉伸应力为：叫（巧叫）而丁z川；， (2) 式中 ：max （） 为 3 个主应力 町、 2 、 3中在井壁处引起最高张应力。为了求出最大拉伸应力，对式 (1 ）求导 ：至鱼一

7、o(3) d 求导求出的角度 。即为裂缝的起裂角。 根据张应力破坏准则，当最大拉伸应力达到岩 石的抗张强度 矶 时，岩石破裂，即 ： m阻（ 。）三 t( 4 ) 通过迭代法可以求取裂缝的起裂压力 f乙：先 假设井筒压力初值凡，确定井筒附近的应力场分 布，计算出最大拉应力 m础，求解出裂缝的起裂 角，再根据裂缝的起裂准则，判断是否满足起裂条 件，若不满足，则重新对 P W 赋值，直到满足起裂 条件，此时的凡即为裂缝起裂压力。2 裂缝延伸曼史学模型在裂缝性地层的压裂过程中，水力裂缝延伸时 会遇到天然裂缝，为此建立简化模型如下，其中逼 近角为 ： l 和 3 分别为水平最大和最小主 应力 ：MPa

8、。 并筒天然栩， ,.水力搜锺图 2 天然裂缝与水力裂缝干扰示意图2.1天然裂缝剪切滑移当作用于天然裂缝的剪应力过大，则发生剪切滑移 ： 。 Ki吭一 Po)CS) 根据二维线弹性理论，剪应力和正应力可以由下式表示：开发应用丐主 sin2(9旷一的( 6 )n主土豆主二三 cos2(90。 一 ）22 当两条裂缝相交后，压裂液会随着缝端流入天 然裂缝中，那么天然裂缝中的空隙压力为 ： Po 3 +Pa(7) 将上述表达式整理后可得 ：2-rn -2v K r （l 一 3) u iaJsin 2 K1+K1 cos2 （ 8 ) 上式表明，水力裂缝被天然裂缝干扰后，天然 裂缝是否发生剪切滑移主

9、要取决于逼近角、水平主 应力差、天然裂缝面的摩擦系数等。当水平主应力 差较小 、逼近角小或者摩擦系数较小时，天然裂缝 更容易发生剪切破坏。2.2天然裂缝张性滑移若水力裂缝与天然裂缝相交后，天然裂缝张开 前，压裂液没有大量进入天然裂缝，此时当缝内压 力p大于正应力 n 时，之前闭合的天然裂缝会 张开，那么天然裂缝是否张开的临界状态为： p n(9) 根据裂缝扩展理论，同等条件下，裂缝扩展所 需流体压力最小，则水力裂缝缝端压力表示为：p ， +I Ey J 咆 12L(I 一 2)综合上述表达式，整理可得： o-1 -0-3=(trEy 7) /sin2 ., 2L(I 一 ） Ey 一句表不岩石

10、造缝的能力，如2L(l 一 L)果这个值越小，表明越容易造出水力裂缝。除了水 平主应力差外，近缝区的岩石力学特性也是影响裂 缝张开的重要因素。3 裂缝起裂压力实例分析结合岩石力学参数和油层基础参数，分析了在 不同条件下的压裂裂缝起裂压力的大小。 选取江汉油田某区块实际数据为例进行分析。ClO)、 ， ， tit 且 ， ， 、叫（巧叫）而丁z川；， (2) 求导求出的角度 。即为裂缝的起裂角。根据张应力破坏准则，当最大拉伸应力达到岩石的抗张强度 矶 时，岩石破裂，即 ：m阻（ 。）三 t(4) 通过迭代法可以求取裂缝的起裂压力 f乙：先假设井筒压力初值凡，确定井筒附近的应力场分布，计算出最大拉

11、应力 m础，求解出裂缝的起裂角，再根据裂缝的起裂准则，判断是否满足起裂条件，若不满足，则重新对 P W 赋值，直到满足起裂条件，此时的凡即为裂缝起裂压力。在裂缝性地层的压裂过程中，水力裂缝延伸时会遇到天然裂缝，为此建立简化模型如下，其中逼近角为 ： l 和 3 分别为水平最大和最小主应力 ：MPa。并筒 , .2天然裂缝与水力裂缝干扰示意图滑移 ： 。 Ki吭一 Po)6n主土豆主二三 cos2(90。 一 ） 当两条裂缝相交后，压裂液会随着缝端流入天然裂缝中，那么天然裂缝中的空隙压力为 ：Po3 +Pa （l一3) u i a J sin 2 K1+K1 cos2 （ 8 ) 上式表明，水力

12、裂缝被天然裂缝干扰后，天然裂缝是否发生剪切滑移主要取决于逼近角、水平主应力差、天然裂缝面的摩擦系数等。当水平主应力差较小 、逼近角小或者摩擦系数较小时，天然裂缝更容易发生剪切破坏。若水力裂缝与天然裂缝相交后，天然裂缝张开前，压裂液没有大量进入天然裂缝，此时当缝内压力大于正应力 n 时，之前闭合的天然裂缝会张开，那么天然裂缝是否张开的临界状态为：n (9) 根据裂缝扩展理论，同等条件下，裂缝扩展所需流体压力最小，则水力裂缝缝端压力表示为：， +IEy J咆12L(I 一 2)综合上述表达式，整理可得：o-1 -0-3=(trEy 7) /sin2 ., 2L(I 一 ）Ey果这个值越小，表明越容

13、易造出水力裂缝。除了水平主应力差外，近缝区的岩石力学特性也是影响裂缝张开的重要因素。结合岩石力学参数和油层基础参数，分析了在不同条件下的压裂裂缝起裂压力的大小。选取江汉油田某区块实际数据为例进行分析。ClO) 、，ti t且，49 2015 年 09 月第 14 卷第 09 期总第 314 期中国西部科技2m3/min，射孔孔眼数 32 个，孔眼流量系数 0.邸，压裂液密度 1.05 g/cm3 。通过计算，得出在不同射孔方位角时，对应的裂缝起裂压力，见图 3 。最大水平主应力 52MPa， 最小水平主应力 41MPa, 上覆岩层压力 47MPa，孔隙压力 25MPa，孔隙度 18% ，抗张强

14、度 3.5MPa ， 围岩修正系数 0.9 ， 泊松 比0.25% ， 渗透性系数 1, Biots 为 0.6 ， 泵注排量刷牙l.1r位角和j隙缝起主题压力变化关系m日B 757065nuvRunue ed322 hh 国甜刷刷.is 4050射孔方位角创固 3 射孔方位角和裂缝起裂压力变化关系图从计算结果可以看出，射孔方位角对破裂压力 CK1 ） 为 0.89 ， 水平最大主应力为 47.5MPa，水 的影响较大，随着孔眼方位的增大，破裂压力逐渐 平最小主应力为 40MPa ，垂向地应力为 45MPa。 增大。且增加过程呈阶段性，当射孔方位角 10。到 通过计算得到天然裂缝张开边界和剪切

15、破坏 80。时，破裂压力增加幅度较大。边界，见图 4。通过研究裂缝的起裂情况，可以为以后的压裂 施工提供理论指导，特别是防治多裂缝方面 。 Cl) 射孔位置的选择，当射孔方位与最大主应力 的夹角 大于 30。时，多裂缝 问题将会较为明显 ， 建议在选 择射孔位置时，选择与最大主应力夹角 小于 30。处 进行射孔。（ 2 ）在射孔方式的选择上， 主要采用增 大射孔孔径，同时在控制好施工摩阻的情况下尽可 能的缩短射孔段长度，避免多裂缝的产生。 (3 ）射 孔层段厚度的选择。减小射孔层段的厚度，可造成 单裂缝延伸的局面，从而减小多裂缝出现的几率。 4 天然裂缝干扰下裂缝延伸情况分析 同样选取江汉油田

16、某区块单井进行分析，通过 现场资料和室内实验获得基本参数：弹性模量 C E) 为9.97Gpa， 泊松比（ ）为 0.23 ，水力裂缝半长CL ）为 128.2lm ，裂缝表面能 c r）为3.5 10飞。a m，逼近角为 30。，裂缝面摩擦系数90EU7口 回 3日2010 35。口.也比 11 - L.1 - ht 3040毫髦，18 图裂缝张开边界和剪切破坏边界计算结果表明，逼近角为 30。所对应的临界水 平主应力差为 如在Pa，而目的层的水平主地应力差 为7.5MPa，因此更容易发生剪切破坏。张开边界 和剪切边界的中间区域代表天然裂缝因压裂液注 入而发生的膨胀，两者之间的距离表示极限容

17、量， 逼近角越大，极限容量越小。影响裂缝界面容量的 因素有充填物性质、充填物胶结程度、压裂液年度、 20，。 30咽。”“ M 州 WS 胃 AW 唱幽帽”啊国四川啊 rM 霄 00 最大水平主应力 52MPa， 最小水平主应力 41MPa,上覆岩层压力 47MPa，孔隙压力 25MPa，孔隙度18% ，抗张强度 3.5MPa ， 围岩修正系数 0.9 ， 泊松比0.25% ，渗透性系数 1, Biots 为 0.6 ， 泵注排量日B75 70 65 nuvRunu eed3 22hh国甜刷刷.is 40 50 射孔方位角创固3射孔方位角和裂缝起裂压力变化关系图从计算结果可以看出，射孔方位角对

18、破裂压力 CK1 ） 为 0.89 ， 水平最大主应力为 47.5MPa，水的影响较大，随着孔眼方位的增大，破裂压力逐渐 平最小主应力为 40MPa ，垂向地应力为 45MPa。增大。且增加过程呈阶段性，当射孔方位角 10。到 通过计算得到天然裂缝张开边界和剪切破坏80。时，破裂压力增加幅度较大。通过研究裂缝的起裂情况，可以为以后的压裂施工提供理论指导，特别是防治多裂缝方面 。 Cl)射孔位置的选择，当射孔方位与最大主应力 的夹角大于 30。时，多裂缝 问题将会较为明显 ， 建议在选择射孔位置时，选择与最大主应力夹角 小于 30。处进行射孔。（ 2 ）在射孔方式的选择上， 主要采用增大射孔孔径

19、，同时在控制好施工摩阻的情况下尽可能的缩短射孔段长度，避免多裂缝的产生。 (3 ）射孔层段厚度的选择。减小射孔层段的厚度，可造成单裂缝延伸的局面，从而减小多裂缝出现的几率。4 天然裂缝干扰下裂缝延伸情况分析同样选取江汉油田某区块单井进行分析，通过现场资料和室内实验获得基本参数：弹性模量 C E)为C L ）为128.2lm ，裂缝表面能 c r）为90 EU 7口回3日20 10 35 。口也比11-L .1ht 30 毫髦，18计算结果表明，逼近角为 30。所对应的临界水平主应力差为 如在Pa，而目的层的水平主地应力差7.5MPa，因此更容易发生剪切破坏。张开边界和剪切边界的中间区域代表天然

20、裂缝因压裂液注入而发生的膨胀，两者之间的距离表示极限容量，逼近角越大，极限容量越小。影响裂缝界面容量的因素有充填物性质、充填物胶结程度、压裂液年度、，。咽。”“M州WS胃AW唱幽帽”啊国四川啊rM霄0 50施工排量等 通过对模型进行多角度的分析，可以发现受天然裂缝干扰下的水力裂缝有可能有如下几种扩展方式 ： Cl ）天然裂缝膨胀后开度增加，水力裂缝在遭遇天然裂缝后，液体滤失完，裂缝不会继续向前扩展，此种情况较为少见；(2）天然裂缝膨胀后，水力裂缝直接穿过天然裂缝，继续沿着原方向扩展：(3）天然裂缝膨胀后，水力裂缝沿天然裂缝走，从天然裂缝缝端扩展，然后转向，继续沿着水平最大主应力方向扩展；(4

21、）天然裂缝膨胀后，水力裂缝沿天然裂缝 走，裂缝从天然裂缝壁面 的某个弱应力面突破，继 续沿水平最大主应力方向扩展。在天然裂缝较发育的地层，为了增大泄油面 积，就必须充分沟通天然裂缝，从而形成复杂裂缝 。 因此，可以通过模型的计算，分析出压裂过程中产 生的是张性裂缝还是剪切裂缝，是否能形成复杂裂 缝，这对于指导压裂优化设计具有至关重要的作用。 5 结论 Cl ）本文借鉴了经典的裂缝起裂和延伸数学模型，并对江汉油田实例井进行了分析，分析结果对现场压裂施工有很好的指导作用 。(2 ）射孔方位角对破裂压力的影响较大，随着孔眼方位的增大，破裂压力逐渐增大 。 通过分析， 可以确定出最小破裂压力下的射孔方

22、位角，对射孔 方位的选择具有理论和实际指导意义。）确定了几种防治多裂缝的方法。射孔位置 选择在与最大主应力夹角小于 30。，尽可能选择在 井斜小于 30。的井段射孔。使用大孔径，缩短射孔 段长度，减小射孔层段的厚度等方式。(4 ）通过裂缝延伸模型的分析，分析出裂缝的 张开模式，是否能形成复杂裂缝，从而能有针对性 地指导压裂优化设计 。参考文献 1 王继波，膏元刚，张蔚红水平井压裂机理研究进展巧西部探矿工程，2010(02)(2罗天雨，赵金洲，王嘉淮，郭建春.7)(力压裂横向多裂缝延伸模型巧天然气工业，2007(10) 3曲 占庆，许江华，王岩峰 压力三维有限元分析巧石泊钻探技术，2007(01

23、) 4黄中伟，李根生，牛继磊，张津林水力射孔参数对油水井 压裂影响的数值试验耳石油机械，2006(02) 5张广清，陈勉水平井水力裂缝非平面扩展研究月石油学报，2005(03)作者简介罗文波（ 1986一），男，湖北潜江人，硕士，研究方向为油气田开发。Discussion on Crack and Extension Mechanism in Fracturing LUO Wen-bo, ZHANG Hui (Jianghan Oilfield Company Engineering Technology Institute, Wuhan,Hubei 430000,China) Abstrac

24、t:Hydraulicfracturingtechnologyistoi可ect highpressureliquidtotheunderground,forcethestratum rock to rup阳re cracks under high pressure, and with the support ofproppant togain high conductivity,which in order to enhance reservoir output.We must study the the。可 of fracture crack and extension to target

25、edfracturing stimulation.Based on stress supe叩osition principle, this article established the mathematics model of企acturing crack, and combined with practical example ofrock mechanics experiment data, this article analyzedthe crack and the crack extension, which provides theoretical support for the

26、oil well fracturing modification.Keywords: Fracture crack;ExtensionMechanism;Complex Cracks;Rock Mechanics 施工排量等通过对模型进行多角度的分析，可以发现受天方式 ：Cl）天然裂缝膨胀后开度增加，水力裂缝在(4 ）天然裂缝膨胀后，水力裂缝沿天然裂缝走，裂缝从天然裂缝壁面 的某个弱应力面突破，继续沿水平最大主应力方向扩展。在天然裂缝较发育的地层，为了增大泄油面积，就必须充分沟通天然裂缝，从而形成复杂裂缝 。因此，可以通过模型的计算，分析出压裂过程中产生的是张性裂缝还是剪切裂缝，是否能形成复杂

27、裂缝，这对于指导压裂优化设计具有至关重要的作用。5 结论）本文借鉴了经典的裂缝起裂和延伸数学模孔眼方位的增大，破裂压力逐渐增大 。 通过分析，可以确定出最小破裂压力下的射孔方位角，对射孔方位的选择具有理论和实际指导意义。）确定了几种防治多裂缝的方法。射孔位置选择在与最大主应力夹角小于 30。，尽可能选择在井斜小于 30。的井段射孔。使用大孔径，缩短射孔段长度，减小射孔层段的厚度等方式。(4 ）通过裂缝延伸模型的分析，分析出裂缝的张开模式，是否能形成复杂裂缝，从而能有针对性地指导压裂优化设计 。参考文献1王继波，膏元刚，张蔚红水平井压裂机理研究进展巧西伸模型巧天然气工业，2007(10)3曲 占

28、庆，许江华，王岩峰压力三维有限元分析巧石泊钻探技术，2007(01) 黄中伟，李根生，牛继磊，张津林水力射孔参数对油水井压裂影响的数值试验耳石油机械，2006(02)5张广清，陈勉水平井水力裂缝非平面扩展研究月石油Abstract:Hydraulicfracturingtechnologyistoi可ect highpressureliquidtotheunderground,forcethe stratum rock to rup阳re cracks under high pressure, and with the support ofproppant togain high conduc

29、tivity, which in order to enhance reservoir output.We must study the the。可 of fracture crack and extension to targeted fracturing stimulation.Based on stress supe叩osition principle, this article established the mathematics model of 企acturing crack, and combined with practical example ofrock mechanic

30、s experiment data, this article analyzed the crack and the crack extension, which provides theoretical support for the oil well fracturing modification.Keywords: Fracture crack;ExtensionMechanism;Complex Cracks;Rock Mechanics 【文献来源】【相关文献】1.水力压裂裂缝延伸方向的研究 J, 石越2.损伤力学在粗面岩水力压裂裂缝延伸机理研究中的应用 J, 蒋宏伟，翟应虎，刘德铸3.低渗储油层水力压裂裂缝延伸过程及成缝机理 J, 张鹏海，张子麟，李明，张潦源4.水平井压裂裂缝起裂及裂缝延伸规律研究 J, 李兆敏，蔡文斌，张琪，曲占庆5.小型压裂与主压裂对比分析及对裂缝垂向延伸规律研究 J, 王晓泉，王振铎，雷群，柴瑞林，闵琦