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造缝机理概述第一节水力压裂概述水力压裂是利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压，当此压力大十井壁附近酌地应力和地层岩石抗张强度时一，便在井底附近地层产生裂缝;继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和高导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注的目的。
压裂增产倍数:压裂后与压裂前油井的采油指数之比称为压裂增产倍数。
压裂增产倍数越大，压裂效果越好。
地层系数:原地层的渗透率与有效厚度的乘积Kh，代表原地层让流体通过的能力。
导流能力:形成的填砂裂缝宽度与缝中渗透率的乘积WfKf，代表填砂裂缝让流体通过的能力。
水力压裂增产的原理为:(1)形成的填砂裂缝的导流能力比原地层系数大得多，可大几倍到几十倍，大大增加了地层到井筒的连通能力;(2)由原来渗流阻力大的径向流渗流方式转变为单向流渗流方式，增大了渗流截面，减小了渗流阻力;(3)可能沟通独立的透镜体或天然裂缝系统，增加新的油源;(4)裂缝穿透井底附近地层的污染堵塞带，解除堵塞，因而可以显著增加产量。
如图所示。
在水力压裂中，了解裂缝的形成条件、裂缝的形态(垂直或水平)、裂缝的方位等，对有效地发挥裂缝在增产、增注中的作用是很重要的。
在区块整体压裂改造和单井压裂设计中了解裂缝的方位对确定合理的井网方向和裂缝几何参数尤为重要，因为有利的裂缝方位和几何参数不仅可以提高开采速度，而且可以提高最终采收率;相反，则可能会出现生产井过早水窜，降低最终采收率。
造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤性质及注入方式有密切关系。
第二节地层的破裂压力及其影响因素地层开始形成裂缝时的井底注入压力称为地层的破裂压力Pf。
破裂压力与地层深度的比值称为破裂压力梯度α= Pf/H。
图1-2是压裂施土过程中井底压力随时一间的变化曲线。
![[工学]水力压裂讲义](https://img.taocdn.com/s1/m/413fc92d50e2524de4187e1d.png)
⽔⼒压裂造缝机理2．地应⼒场确定地应⼒场确定包括地应⼒⼤⼩和⽅向。
主要⼿段主要有：1) ⽔⼒压裂法微型压裂(mini-frac)压⼒曲线计算应⼒场。
2)实验室分析⽅法应⽤定向取⼼技术保证取出岩⼼样品的主应⼒⽅位与其在地层中主应⼒⽅位⼀致。
岩⼼从地下三向压应⼒状态改变到地⾯⾃由应⼒状态，根据岩⼼各⽅向的变形确定主应⼒⽅位和数值。
(1) 滞弹性应变恢复（ASR）基于岩⼼与其承压岩体发⽣机械分离后所产⽣的应⼒松弛，按各个⽅向测量应变并确定主应变轴。
并假定主⽅向与原位应⼒主轴相同，按已知的弹性常数和上覆岩层载荷情况间接计算应⼒值。
(2) 微差应变分析（DSCA）从井底取出的岩⼼由于应⼒释放和应变恢复会发⽣膨胀，产⽣或重新张开微裂缝。
基于应变松弛作为“应⼒史”痕迹的思想，应变松弛形成的微裂缝密度和分布与岩⼼已经出现的应⼒下降成正⽐。
通过描述微裂隙分布椭球，即可揭⽰以前的应⼒状态。
根据和这些微裂缝相关的应变推断主应⼒⽅向，并从应变发⽣的最⼤⽅向估算出最⼩主应⼒值。
3) 测井解释⽅法利⽤测井（主要是密度测井、⾃然伽玛测井、井径测井和声波时差测井以及中⼦测井、⾃然电位测井等）资料，⾸先基于纵横波速度与岩⽯弹性参数之间的关系解释岩⽯⼒学参数，再结合地应⼒计算模式获得连续的地应⼒剖⾯。
4) 有限元模拟根据若⼲个测点地应⼒资料，借助于有限元数值分析⽅法，通过反演得到构造应⼒场。
强烈取决于根据研究⼯区所建⽴的地质模型、数学⼒学模型和边界条件。
此外，测定地应⼒⽅向的常⽤⽅法还有声波测定、井壁崩落法、地⾯电位法、井下微地震法和⽔动⼒学试井等⽅法。
3．⼈⼯裂缝⽅位在天然裂缝不发育的地层，压裂裂缝形态取决于其三向应⼒状态。
根据最⼩主应⼒原理，⽔⼒压裂裂缝总是产⽣于强度最弱、阻⼒最⼩的⽅向，即岩⽯破裂⾯垂直于最⼩主应⼒⽅向。
当s z最⼩时，形成⽔平裂缝（horizontal fracture）；当s y最⼩时，形成垂直裂缝(vertical fracture)。
水力压裂增产机理
水力压裂增产机理是指通过注入高压水来创造和扩大裂缝，从而增加油气储层的流动性和渗透性，进而提高油气产能。
水力压裂增产主要有以下几个机理：
1. 裂缝形成机理：在注入高压水的作用下，岩石受到应力作用而发生破裂，产生裂缝。
高压水会沿着裂缝扩展并迅速膨胀，推动裂缝进一步扩展和延伸，形成有利于油气流动的通道。
2. 高渗透性通道形成机理：水力压裂过程中，高压水会沿着裂缝进入岩层孔隙内，破坏岩层颗粒，排挤孔隙中的天然气或石油，同时降低颗粒之间的接触面积，增加岩层的渗透性。
这样，油气可以更容易地从储层中流出。
3. 水力压裂液引起的岩石吸附力降低机理：水力压裂液中添加的一些化学物质能够降低岩石表面的吸附力，使得岩石颗粒上的油气分子能够更容易地从岩石表面脱附，增加油气产能。
总之，水力压裂增产通过形成和扩大裂缝，增加储层的渗透性和流动性，以及降低岩石吸附力等机理，有效提高油气产能，实现更高的产油效益。
水力压裂造缝机理水力压裂裂缝的形成和延伸是一力学行为，水力裂缝的形态与方位对于有效发挥压裂对储层的改造作用密切相关，必须学握水力压裂的裂缝起裂与延伸过程的力学机制。
木节从地应力场分析及获取方法入于介绍水力裂缝的形成机理、造缝条件、裂缝形态与方位、破裂压力预测方法。
在致密地层，首先向井内注入斥裂液使地层破裂，然后不断注液使斥裂缝向地层远处延伸。
显然.地层破裂斥力昴拓.反映出注入流体斥力要克服由于应力集中而产生的枚為井壁应力以及岩石抗张强度。
一旦诱发人匸裂缝.井眼附近应力集中很快消失，裂缝在较低的圧力下延伸•裂缝延伸所需要的斥力随着裂缝延伸引起的流体流动摩阻増加使得井底和井口斥力増加。
停泵以后井筒摩阻为零.斥裂缝逐渐闭合•施匸压力逐渐降低。
对于商渗透地层或存在裂缝带.地层破裂时的井底压力并不出现明显的峰值。
一、地应力场分析与测量地下岩石的应力状态通常是三个相互垂直且互不相等的主应力(principal stress)。
地应力场不但影响到水力压裂造缝过程•而且通过井网与人1：裂缝方位的配合关系彩响到汕藏开发效果。
1.地应力场存在于地壳内的应力称为地应力(in-situstress),是由于上樓岩层重力、地壳内部的垂直运动和水平运动及其它因素综合作用引起介质内部做位面积上的作用力。
包括原地应力场和扰动应力场两部分。
前者主要包括重力应力、构造应力.孔隙流体斥力和热应力等：后者主要是指由于人匚扰动作用引起的应力。
1)重力应力场是指沉积盆地中的储层受到上覆岩层重力作用而形成的应力分布。
在地层中孔隙流体压力作用下，部分上覆岩层的重力被孔隙流体压力所支撑。
但由于颗粒间胶结作用.孔隙压力并未全部支撑上覆地层圧力。
Terzaghi认为：地层岩石变形由有效应力引起。
假设地层岩石为理想的均质各向同性线弹性体，弹性状态下垂向载荷产生的水平主应力分量由广义胡克(Hook)定律汁算。
E和v为岩石力学参数，典型值见表6・1。
它们与岩石类型和所受到的困汗.温度有关。
表6・1常见岩石的泊松比与杨氏模址因岩体水平方向上应变受到限制，即ex=0. ey=Oo砂岩的泊松比一般在0.15^0.27之间。
泊松比越大.水平主应力越接近垂向应力。
考虑孔隙流体圧力后的地层水平主应力。
2)构造应力场构造应力场是指构造运动引起的地应力场増虽。
它以矢虽形式迭加在地层重力应力场中•使得水平主应力场不均匀。
一般而言，在正断层和裂缝发育区是应力释放区.例如，正断层中的水平主应力可能只有垂向应力的1/3.而在逆断层或褶皱地帯的水平应力可以大到垂向应力的3倍。
通常•构造应力场只有两个水平主应力，属于水平的平面应力状态，而且挤斥构造引起挤乐构造应力，张性构造引起拉张构造应力c3)热应力场热应力场是捋由于地层温度变化在其内部引起的内应力増虽.与溫度变化虽和岩石性质有关。
油IB开发中的注水.注蒸汽和火烧油层等可以改变油藏的主应力大小，甚至主应力方向。
将油藏边界视为无穷大.考他其侧向应变受到约束.温度变化引起的水平应力増SDsx. DSy2.地应力场确定地应力场确定包括地应力大小和方向。
主耍于•段主要有：1)水力压裂法微型压裂(mini・frac)压力曲线计算应力场。
2)实验室分析方法应用定向取心技术保证取出岩心样品的主应力方位与其在地层中主应力方位一致。
岩心从地下三向斥应力状态改变到地面自由应力状态，根据岩心各方向的变形确定主应力方位和数值。
(1)滞弹性应变恢复(ASR〉基于岩心与其承压岩体发生机械分离后所产生的应力松弛，按符个方向测虽应变并确定主应变轴。
并假定主方向与原位应力主轴相同.按已知的弹性常数和上覆岩层载荷情况间接讣算应力值。
⑵ 微差应变分析(DSCA)从井底取出的岩心由于应力释放和应变恢复会发生膨胀.产生或重新张开微裂缝。
基于应变松她作为'•应力史“痕迹的思想.应变松弛形成的微裂缝密度和分布与岩心已经出现的应力下降成正比。
通过描述微裂隙分布椭球.即可揭示以前的应力状态。
根据和这些微裂缝相关的应变推断主应力方向•并从应变发生的垠大方向估算出最小主应力值。
3)测井解释方法利用测井(主要是密度测井、自然伽玛测井.井径测井和声波时差测井以及中子测井、自然电位测井等) 资料.首先基于纵横波速度与岩石弹性参数之间的关系解释岩石力学参数.再结合地应力计算模式获得连续的地应力剖而。
4)有限元模拟根据若干个测点地应力资料•借助于有限元数值分析方法，通过反演得到构适应力场。
强烈取决于根据研尤工区所建立的地质模型、数学力学模型和边界条件。
此外.测定地应力方向的常用方法还有声波测定、井壁崩落法、地而电位法、井下微地震法和水动力学试井等方法。
3・人工裂缝方位在天然裂缝不发育的地层，压裂裂缝形态取决于其三向应力状态。
根据昴小主应力原理.水力圧裂裂缝总是产生于强度最弱、阻力最小的方向.即岩石破裂面垂直于最小主应力方向。
半SZ最小时.形成水平裂缝(horizontal fracture) : '"is〉•最小时，形成垂直裂缝(vertical fracture)o对于显裂缝地层很难出现人匸裂缝。
而微裂缝地层可能出现女种情况.人匚裂缝面可以垂直于昴小主应力方向：也可能基木上沿微裂缝的方向发展.把微裂缝串成显裂缝。
二、破裂压力地层岩石破裂前.井壁最终应力场为钻孔应力集中、向井筒注液产生的应力、注入压裂液径向滤失诱发应力的迭加。
基于最终应力分布结合岩石破裂准则确定破裂乐力计算公式。
1.井壁最终应力分布1)井筒应力分布对于裸眼井，记井眼半径为ruo钻井完成后地层中应力分布可视为无限大均质各向同性岩石平板中有一圆形孔眼时的应力状态，。
记压应力为正、张应力为负，根据弹性力学理论讣算图中任总点(r.q)处的应力分布。
离井壁越远，周向压应力迅速降低.径向压应力逐渐增加：而且大约几个井径之后.周向斥应力降为原地应力.径向应力增加到原地应力。
实际上，由于岩石的抗压强度比抗张强度大得多，而且钻井孔眼引起的应力集中使得井壁处应力大于原地应力•因此.水力压裂造缝时主要关心的应是井壁处的周向应力Sq。
通常记SOSy.则当q=o°或180。
，井壁处周向应力最小。
Sqnun = 3Syf、“iq=90。
或270。
，井壁处周向应力最大。
Sqmax = 3s「Sy对于套管完成井，考虑到水泥环与岩石的力学性质比钢材与岩石的力学性质差别小得女.可按双层厚壁恻简的弹性力学理论计•算井筒周囤的应力状态。
2）向井筒注液产生的应力分布为了在井壁的薄弱处人为诱发裂缝，需要向井简注入岛压液休使井底压力迅速提舟。
将裸眼井筒周圉岩石系统视作具有无限壁厚、且承受内外压力的厚壁圆筒，按弹性力学理论计算其应力分布注入压裂液在井壁周憎各个方向上所产生的应力均为张应力，因此，向井筒注液有利于撕开地层。
同时，注液产生的应力沿井轴半径逐渐衰减，在井壁处产生的张应力近似为注液圧力.离井轴越远，应力越小。
3）注入液径向港入地层引起的应力注入液径向渗入近井筒地带产生另外一个应力区，増大了井壁周碉岩石应力。
4）井壁最终应力分布地层岩石破裂之前井壁周圉应力为上述几种应力迭加，总存在两个方向（如果Sx>Sy・在q=0。
，180。
方向）受到的周向应力最小可见.离开井壁较远处，周向应力仍为压应力，但在井壁附近为张应力，因而.水力压裂能够形成人匸裂缝。
2.水力压裂造缝条件岩石破坏准则是衡虽:有效主应力间的极限关系。
超过该极限值，就出现不稳定或破坏。
岩石破裂准则很女。
水力压裂中常用最大张应力准则，认为施加于裂缝壁而的总有效应力一旦达到物体的抗张强度s（地层就会破坏。
令孔隙弹性常数为1.分别研尤裸眼井水力压裂中垂直裂缝和水平裂缝形态相应的造缝条件°地层破裂极限条件下的注入压力即为地层破裂压力（fracture pressure）。
1）形成垂直裂缝如果注入压裂液滤失到地层•井壁上有效周向应力为周向应力与注液压力pi之差.即由最大张应力准则.十井壁岩石的周向应力达到井壁岩石水平方向的最小抗张强度时.岩石将在垂宜于张应力方向脆性断裂而形成垂直裂缝。
2）形成水平裂缝、“I注入压裂液向地层濾失，将增大垂向应力°其増虽与水平方向应力増址相同，综合前述推导分析可得：无论是形成垂直裂缝或水平裂缝.压裂液向地层滤失时.由于流体传递了该压力而使破裂压力有所降低。
但压裂液向地层滤失増加了地层污染可能性。
3・破裂压力梯度破裂压力梯度（fracture pressure gradient）定义为地层中某点破裂压力与该点深度的比值，1）埋论il•算。
忽略构造应力和岩石抗张强度影响。
对于均匀水平应力场.假设孔隙弹性常数为忽略了构造应力和岩石抗张强度影响•因而与实际情况存在一定差异。
2）统il•方法。
油田使用的地层破裂压力梯度通常是根据大虽的用裂实践统计出來的。
一般范用在15~25 kPa/m之间.个别地区可达36 kPa/m。
根据破裂压力梯度可以大致估算压裂裂缝形态。
当a,. < 15〜18 kPa/m,形成垂直裂缝：M1OJ > 22 - 25 kPa/m.形成水平裂缝。
三、降低破裂压力的途径、勺地层破裂压力较两，通过优化施工参数、斥裂管柱和压裂液性能，压裂泵牟仍无法有效破裂地层时必须设法降低地层破裂压力。
主要途径包括：1.改善射孔参数应力场与地应力状态（大小.方向）、射孔孔眼参数（直径.孔深和孔密〉、射孔压力、孔眼方向与地应力方向的夹角等有关。
因此，优化射孔参数、改进射孔工艺可以降低破裂圧力。
2 •酸化预处理主要机理是溶解胶结物成分而降低岩石胶结强度和淸洁射孔孔眼降低的破裂圧力C后者的影响体现在：① 増加孔眼有效深度和孔径而大幅度降低破裂乐力：②解除射孔污染.提商孔眼周用渗透率而减低破裂压力。
3・高能气体压裂推进剂引爆以后.爆轰压力波携带巨大能虽瞬间到达井壁，首先在井壁上激起应力波，衰减很快.在地层形成一次裂缝：然后对地层的加载方式变得更复杂.随着传播距离増加.应力波幅值递减.作用能虽下降. 直到不能破岩的应力波称为弹性波，使岩石进一步破碎.延伸一次裂缝和形成二次裂缝。
