水压致裂过程中的裂缝扩展_用封闭压力确定最小水平主应力

或许所有的美国人都在受益于“水力压裂法”，尽管半数以上的人可能没有听说过这个名词。

在今时今日，美国各级政府、企业对页岩油产业的发展寄予了厚望。

美国页岩油资源极其丰富，在科罗拉多州、犹他州和怀俄明州，被锁在页岩之中的油存量达上万亿桶以上，而正是凭借“水力压裂法”，以前根本不可能企及的大量页岩油正在被开采。

这种技术方法，在测量时首先取一段基岩裸露的钻孔，用封隔器将上下两端密封起来；然后注入液体，加压直到孔壁破裂，随之记录压力随时间的变化，并用印模器或井下电视观测破裂方位。

根据记录的破裂压力、关泵压力和破裂方位，利用相应的公式算出原地应力的大小和方向。

该方法于20世纪50年代就被科学家在理论上进行论证，60年代加以完善，在分析了压裂液渗入的影响后，开始作出大量野外和室内实验工作。

由于水力压裂法操作简便，且无须水力压裂法知道岩石的弹性参量，而得到广泛应用。

由于页岩油在美国的战略资源地位和自身需求，美国已进行很多水力压裂法地应力测量，德国、日本和中国现在也已相继开展此项工作。

资料显示，目前利用此法已能在5000米深处进行测量。

[1]页岩气开发过程中所采用的水力压裂法要加入化学物质，在每次压裂完成后，要对水进行获取和重新利用。

水力压裂法向来存在争议，但是这种页岩气开采技术在争议中却得到迅速发展。

当越来越多水体污染案例同水力压裂法相关联时，美国众议院能源和商业委员会出手了。

2010年7月19日，能源和商业委员会主席亨利·韦克斯曼联手该机构下属的能源和环境小组组长爱德华·马基联名致信给美国10个主要页岩气开发商，要求它们提交水力压裂法应用全程中涉及到的化学物质细节。

8月6日，限期“交卷”。

这个要求出台的背景是，全球天然气需求旺盛，美国引领页岩气开发技术并努力让页岩气开采遍地开花。

/a4_50_59_01300000955595129844599646376_jpg.html?prd=zhengwenye_ left_neirong_tupian美国宾夕法尼亚州一页岩气开采现场取水处当前，美国页岩气开采的热门地点是纽约州和宾夕法尼亚州，这两个地方也是美国马塞卢斯页岩（Marcellus shale）的集中区域。

地应力的测井计算与标定方法赵军;杨福林【摘要】随着油气勘探开发的不断深入,地下油气储层的地应力分析也越来越受到重视.在油气勘探开发的过程中,诸如油气的运移、钻井过程中井壁的稳定性、采油过程的出砂、注水开发中的井网布置与调整、储层裂缝的发育状况等均与地应力有十分密切的关系.测井资料具有数据丰富、成本低、数据连续的优点,通过优选适当的模型,可以利用测井资料计算岩石的地应力大小.在利用测井资料计算地应力的基础上,根据Kaiser实验及现场水力压裂资料对计算的水平最大、最小主应力进行标定,建立了标定后的地应力计算模型.通过实际资料的计算与检验,证明了经刻度后的地应力模型更能真实反映实际地应力大小.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)017【总页数】5页(P42-46)【关键词】地应力;标定;测井;水力压裂;Kaiser实验【作者】赵军;杨福林【作者单位】西南石油大学地球科学与技术学院,成都610500;西南石油大学地球科学与技术学院,成都610500【正文语种】中文【中图分类】TE151目前地应力的获取方法主要有水力压裂法[1—3]、岩石声发射Kaiser效应法[4—7]、测井资料计算法[8，9]等。

利用水力压裂资料确定地应力的方法是目前现场确定地应力最直接、最可靠的方法之一；岩石声发射资料计算地应力的方法是目前实验室确定地应力的重要方法[4]。

这两种方法获取的地应力数值比较准确，能够反映地层的真实地应力大小:但这两种方法在实际地应力求取中存在共同的局限性，即不能得到全井段连续的地应力剖面且测试成本高、耗时长。

测井具有测量深度大、成本低、测量数据连续的特点，因而采用此方法能够得到随深度连续变化的地应力剖面；但是这种间接的计算方法获得的地应力与实际的地应力值相比误差较大精度偏低[8]。

综合分析此三种方法各自的优缺点，提出在利用测井资料计算地应力基础上采用Kaiser实验数据及水力压裂获得的地应力值对其进行标定，提高测井资料计算地应力的精度以满足实际应用的需要。

水压致裂法测量地应力院系：地科院姓名：陆凯学号：201622000064提交日期：2016年11月27日摘要：水压致裂法在地质工程中广泛于测量地应力。

传统的水压致裂法理论是建立在弹性力学平面应变理论的基础之上的,用于测量地质条件简单的情况下的二维地应力,但是传统水压致裂法的由于存在许多不足,因此再次出现了提出了三维地应力测量理论,采用最小主应力破坏准则进行水压致裂法三维地应力测量,对地质条件比较复杂的地区可以用该方法进行测量,但是还需要进一步的改进。

传统的水压致裂法理论和三维地应力测量理论各有优缺点。

关键词：地应力测量传统水压致裂法三维地应力测量理论最小主应力水压致裂法是测量]3-1[地壳深层岩体地应力状态的一种有效方法,对地应力测量的测试原理基于三个基本假设:(1)地壳岩石是线性均匀、各向同性的弹性体;(2)岩石为多孔介质时,流体在孔隙内的流动符合达西定律;(3)主应力方向中有一个应力方向与钻孔的轴向平行。

向封闭的钻孔内注入高压水,当压力达到最大值P f后,钻孔井壁会发生破裂导致井内压力下降,为维持裂隙保持张开状态,孔内压力最终会达到恒定值,不再注入后,孔内压力迅速下降,裂隙发生愈合,之后压力降低速度变慢,其临界值为瞬时关闭压力P s,完全卸压后再重新注液,得到裂隙的重张压力P r以及瞬时关闭压力P s,最后通过由仪器记录裂缝的方向。

一、传统的水压致裂法传统的水压致裂法]8-4[应力测量理论和方法是建立在弹性力学平面应变理论的基础之上的,它的前提是原地应力场中的两个主应力方向构成一个平面,而第三个主应力是与这两个主应力垂直的。

利用一个铅直井孔进行水压致裂应力测量得到两个水平主应力的大小和方向,而垂向主应力的值是由岩石的密度按静岩压力计算得出。

传统水压致裂法采用最大单轴张应力的破裂准则,没有考虑轴向应力δz和径向应力δs对孔壁四周围岩的约束效应。

切向应力δ0随液压P w不断增大,由压应力转变为张应力状态,再由张应力逐渐增大达到围岩抗拉强度T,井壁四周围岩沿剪切方向产生破裂。

利用水平井分段压裂微地震裂缝方位监测确定最大水平主应力方位綦敦科;刘建中【期刊名称】《地震学报》【年(卷),期】2017(039)005【总页数】4页(P814-817)【关键词】多段水平井压裂;人工裂缝方向;最大水平主应力方向;水平段走向【作者】綦敦科;刘建中【作者单位】中国黑龙江大庆163453 大庆油田有限责任公司勘探事业部;中国北京100083 石油勘探开发科学研究院;中国黑龙江大庆163453 大庆油田有限责任公司勘探事业部;中国北京100083 石油勘探开发科学研究院【正文语种】中文【中图分类】P315.5水平井是石油钻井技术进步的产物，因其水平段在深度方向起伏很小，可以简化为地下几百米至几千米深度处的一个完全水平的空心管线，管线壁称为套管；在套管壁上射出若干簇孔，称为射孔；射孔使管线内外的流体可以进行交换，深度通常大于1 m；射孔指向方向垂直于套管壁及水平段走向, 人工压裂裂缝沿着最大水平主应力方向扩展，这是由人工裂缝方向判断最大水平主应力方向的理论依据，但其初裂缝方向沿着射孔指向方向(图1)．作用在射孔截面上的二向主应力是井周周向地应力集中及平行套管走向的地应力(刘建中等， 1993)．除应力外，构造、原生裂缝和介质间断面等因素也是影响人工裂缝方向的因素，进而影响根据人工裂缝方向判断最大水平主应力方向的可信度(赵国石等，2012)．剔除上述因素的影响，获得可靠的应力方向，并把结果应用于地学其它领域，一直是很多地壳动力学研究人员孜孜以求的目标．直井压裂获得的数据量少，可用于比较的参数很少，因此很难剔除上述3个因素的影响；而水平井分段压裂微地震监测获得的资料多，且监测区集中，可以对比不同压裂段的监测结果，更利于剔除构造、裂缝和介质不均匀等因素的影响，从而获得比较可靠的应力方向．油田钻井必然受到三向原地应力的作用，其中一个原地应力为垂向主应力，其余两者为水平主应力. 钻井的产状不同，其井周的应力状态不同. 本文研究的是水平井，其钻孔壁和井壁射孔周边的应力状态可表示为σV=WH-P0，式中： W为地层介质比重； H为水平段深度； P0为地层液柱压力；σV，σH1，σ1，σ2分别为垂向有效主应力，垂直于钻孔水平段走向的水平原地有效应力及最大、最小有效水平主应力；α为水平段走向与最小水平主应力方向的夹角．岩石井壁的有效周向应力集中σθ1为将矢径R写为r，则σθ1可用下述公式表示:式中, σθ1为钻孔岩石壁上的周向应力集中，θ1是以钻孔轴为圆心、竖直方向为零度的圆周角， R为以井轴为原点的矢径， r为井孔半径(刘建中等， 1993)．在射孔周向截面上存在二次应力集中，其二向主应力为钻孔岩石壁的周向有效应力集中和平行于钻孔的水平原地有效应力．通常射孔深度较大，有时可达1 m以上．距离井壁越远，岩石壁的周向应力集中越小，沿着整个射孔段的钻井周向应力集中的平均值为岩石壁周向应力集中的0.57倍(刘建中等， 2002)，则射孔段的平均周向应力集中σθ2可表示为2{0.57[σH1+σV+2(σH1-σV)cos2θ1]-σH2}cos2β，式中，β为以射孔轴为中心、平行钻孔方向为零度的圆周角．油田压裂中，初始破裂总是出现在射孔周向应力集中σθ2最小的位置．平行于钻孔水平段走向的水平原地有效应力σH2为图1给出了各相关参量的相对方位示意图．可以看出，从水平段走向向最小水平主应力方向旋转与从人工裂缝方向向最大水平主应力方向旋转的方向及角度均相同．根据式(5)绘制出在不同的α，θ1时，σθ2随β的变化曲线．α取值有多种，鉴于油田水平井在设计时，α通常取值较小，因此本文仅以α=30°为例绘出其对应关系(图2). θ1可取值0°，60°，120°，180°，240°，300°, 从应力研究角度，0°和180°结果相同，60°，120°，240°，300°结果相同，因此仅需研究θ1为0°和60°时的应力状态. 此次压裂，水平段深度为1500 m，根据大庆油田实测应力值, 设有效应力σV为17 MPa, σ1为20 MPa, σ2为14 MPa，若地层压力正常，则上述3项有效应力的原地应力值分别为32， 35， 29 MPa．从图中可以看出：当θ1=0°和180°时，存在最小周向应力集中，套管顶、底部的射孔首先发生破裂；当β接近0°时，初始破裂沿套管切线方向，形成垂直于水平段走向的直立裂缝．经计算，套管顶、底部的射孔首先发生破裂，且初始裂缝仅有两种走向：当α<55°时，β接近0°，初始破裂沿水平段套管切线方向传播，与水平段走向垂直；当α>55°时，β接近于90°，初始破裂走向平行于水平段走向．由于在油田水平井设计中，通常采用较小的α，因此本文认为，初始人工裂缝方向与水平段走向垂直．人工裂缝形态用监测到的微震点分布进行描述，微震点的二元线性回归方向为该监测段的人工裂缝方向，实际人工裂缝方向受到初始裂缝和延伸裂缝方向的共同影响，后者总是趋于最大水平主应力方向(刘建中等， 1994)．沿着射孔，垂直于水平段走向的初始人工裂缝，在延伸过程中转向最大水平主应力方向；水平井各段的应力条件接近，各段初始裂缝方向、延伸趋势也趋于一致．如果α=0°，初始人工裂缝与最大水平主应力方向一致，裂缝始终沿着确定方向延伸，则各压裂段的人工裂缝均是直立、平直、沿最大水平主应力方向的裂缝，彼此间平行度好；如果α很小，人工裂缝方向的转向角度也小，则各压裂段的人工裂缝近于直立、平直、大体沿最大水平主应力方向，彼此间平行度较好；如果α很大，人工裂缝方向的转向角度也大，则各压裂段的人工裂缝近于直立，但不平直，初始人工裂缝方向影响人工裂缝的最终方向，与最大水平主应力方向有较大偏差，平行度很差．综上所述，α严重影响各压裂段人工裂缝方向的一致性, 以各压裂段人工裂缝方向与所有压裂段的平均方向的最大偏差角度作为判据，可以判断出以水平井平均人工裂缝方向确定最大水平主应力方向的可靠性．油田不同井区的地层因构造、沉积、裂缝等因素影响，应力方向有所差别．若以水平井压裂裂缝方向判断应力方向，那么各压裂段人工裂缝走向的平行度可以作为可靠性的判据，以此得到不同井区不同于区域构造应力的应力方向．对大庆油田的3口水平井(PP5井、 ZP6井和AP5井)进行微地震监测，用上述理论对人工裂缝方向资料进行分析，以期得到可靠的井区应力方向．图3为ZP6井压裂微地震人工裂缝监测结果俯视图，该图给出了各压裂段监测获得的微震分布及人工裂缝走向，自下而上为1—19段压裂段. 从图中可以看出，该井整体水平段走向为NE177.9°, 其它两井的俯视图与此类似． 3口井的人工裂缝方位见表1．表2列出了各水平井的平均人工裂缝方向及最大偏差．可以看出， 3口井的人工裂缝方向差别不大，且各井的最大偏差均较小，最大偏差是指由微震点二元回归方向给出的各压裂段人工裂縫方向与整井平均人工裂缝方向的最大差值．水平段走向向左旋转，偏差趋小，可以判断最小水平主应力方向在水平段走向的左旋方向．依据图1，人工裂缝方向向最大水平主应力方向与水平段方向向最小水平主应力方向的旋转方向相同．实际最大水平主应力方向在平均人工裂缝方向的左旋方向．因此，测试最大水平主应力方向减掉最大偏差，测试结果可能会更接近实际最大水平主应力方向．经偏差校正处理后的最大水平主应力方向差别趋小，AP5井、 ZP6井和PP5井的最大水平主应力方向分别为NE78.5°, NE76.9°和NE78.8°，与油田动态及静态资料给出的应力方向一致．本文提出了一种通过分析水平井微地震监测资料提取更可靠的应力场方向的理论与方法，并根据大庆油田3口水平井的微地震监测数据得出监测井区的应力场方向．这3口井相距较近，原始资料给出的各井的应力方向最大相差3.4°；经偏差校正处理后，各井的应力方向最大相差仅为1.9°，且与油田生产的动、静态资料结果大体一致，也与原地应力场在很大范围内基本稳定的判断一致，因此根据平行度判断水平井人工裂缝方向与最大水平主应力方向的吻合程度是一个现实可行的方法．刘建中，张金珠，张雪． 1993．油田应力测量[M]．北京: 地震出版社： 82--95.Liu J Z, Zhang J Z, Zhang X. 1993. The Stress Measurement of Oil Field[M]. Beijing: Seismological Press: 82--95 (in Chinese).刘建中，刘翔鹗，张雪，刘新美，王连捷，沈政亮，彭华． 1994．大尺度水压致裂模拟实验[J]．地球物理学报， 37(增刊2)： 161--169.Liu J Z, Liu X E, Zhang X, Liu X M, Wang L J, Shen Z L, Peng H. 1994. The great scale rock experiment simulating hydraulic fracturing[J]. Acta Geophysica Sinica, 37(S2): 161--169 (in Chinese).刘建中，王秀娟，孙玉玲，潘勇． 2002．人工压裂形成多裂缝的可能性研究[J]．石油勘探与开发， 29(3)： 103--106.Liu J Z, Wang X J, Sun Y L, Pan Y. 2002. Possibility study on multi-fracturecreation during artificial hydraulic fracturing[J]. Petroleum Exploration and Development, 29(3): 103--106 (in Chinese).赵国石，徐健，邱金平． 2012．人工裂缝方向及其影响因素[J]．中国工程科学，14(4)： 100--104.Zhao G S， Xu J， Qiu J P. 2012. Direction and influencing factors of hydraulic fracture[J]. Engineering Sciences, 14(4): 100--104 (in Chinese).。

水压致裂法在加格达奇地应力测试中的应用摘要:地下工程日益增多,地应力的大小又是地下工程设计中的重要参数。

中国东部和西部地区建设力度较东北地区大,因此地应力的研究也较东北成熟。

据此,在东北地区以加格达奇镇的一个测量点为研究点,利用水压致裂法测量了1000多米范围内的地应力发展规律。

关键词:地应力水压致裂法1、前言随着工业技术的发展,人们涉足的领域越来越广,从地面到地下几百米,扩展到几千米,从而更多的问题都体现出来。

地应力的研究也从地下一二百米延伸到上千米。

对于国内地应力的研究已普遍有成效,但是地应力的研究大都分布于东部与西部及东南部,我国的东北地区地应力研究少之又少。

为了出不了解我国东北部的地应力情况,故选择黑龙江省大兴安岭地区加格达奇作为研究点,两个钻孔深度都超过1000m,应用水压致裂法来研究地应力的大小及主应力方向。

研究区地处大兴安岭北段的伊勒呼里山脉,多不库尔河上游,行政区隶属大兴安岭地区松岭区管辖。

海拔标高600-900m,地震烈度值为Ⅴ度。

2、水压致裂法的原理水压致裂原地应力测量原理是以弹性力学为基础,并以下面三个假设为前提:(1)岩石是线弹性和各向同性的;(2)岩石是完整的,压裂液体对岩石来说是非渗透的;(3)岩层中有一个主应力分量的方向和钻孔轴向平行。

将三维问题转为二维问题即平面问题,通过对孔内用一对膨胀的橡胶封隔器施加液压,使周围岩体破坏并产生裂缝扩展,记录对应的压力大小。

根据压裂曲线的压力特征值计算出测试段的最大主应力值和最小主应力值,记作SH和Sh。

然后根据公式:为裂缝处于临界闭合状态时的平衡压力即瞬时关闭压力;为破裂重新张开时的压力;?为岩石密度;g为重力加速度;h为上覆岩石埋深;最大水平主应力;最小水平主应力;垂向应力。

裂缝的方向由定向印模器确定,然后根据印模方向确定最大、最小主应力的方向。

3、测试结果及分析3.1 测试深度及测量曲线根据上述原理,在测试孔340m～950m深度域进行了9段确定主应力量值的压裂测量与地球物理勘探试验,测试点深度分别选于:346.43m、359.5m、360.5m、410.00m、451.00m、554.5m、833.1m、872.54m、921.56m。

潞新矿区地应力测试及分析关键词：潞新矿区地应力水压致裂应力场类型1 概述由于潞新矿区近年来采深逐渐增大，产能也逐年递增，巷道支护越来越多地经受动压、强烈矿压显现等困难条件考验。

而且潞新矿区未进行过详细的专项研究，基础数据比较缺乏，支护设计的科学性和合理性无法保证，因此非常有必要对潞新矿区巷道围岩地质进行详细的系统研究。

井下巷道开挖后，选择合适的位置首先进行地质力学参数测试，目的是详细掌握巷道围岩地质力学参数，为后续巷道的布置、设计和施工提供基础参数和科学依据。

2 煤岩体的地质特点及测试目的煤岩体内部含有裂隙、节理等多种多样的不连续面，岩体的变形情况及强度的形成在很大程度上受不连续面的影响，这也是岩体与岩块强度相差悬殊的原因。

另一方面，煤岩体含有内应力，围岩的变形和破坏受地应力场的影响较大。

所有关于岩体力学的研究、施工设计等活动必须在深入了解煤岩体地质力学特征的基础上逐步开展的，因此，要研究岩体力学，首先要从煤岩体地质力学开始起步，这样才有可能对研究对象产生比较全面、比较深刻的认知。

测试煤岩体地质力学，一方面是深化对煤岩体物理力学特性的认识，提高岩石力学测试理论与技术水平；更重要的一方面是将测试成果作为采煤工程施工设计的基础，以确保工程设计不偏离科学的轨道，确保工程活动顺利开展。

3 水压致裂法地应力测试原理及方法水压致裂法就平面应力测量来讲，基本假设条件有二：一是岩石完整，具有抗渗透性，且呈线弹性且各向同性；二是岩石中主应力之一的方向与钻孔轴。

据此，水压致裂的力学模型便可进一步简化为平面问题。

具体来讲，就是两个互相垂直的水平应力作用于图1中的一个带圆孔的无限大平面上。

基于弹性力学计算原理得知，圆孔孔壁夹角90度的a、b两点的应力分别是：也就是说，若对圆孔内施加的液压比孔壁岩石所承受的压力大，则最小切向应力a及其对称点a’的位置上将产生沿着与最小压应力方向垂直的方向扩展的张破裂。

我们将这个外加液压pb叫做临界破裂压力，它与孔壁破裂外的应力集中加上岩石的抗拉强度t相当，这些关系可通过下列公式反映出来：如果考虑岩石中所存在的孔隙压力p0，将有效应力换为区域主应力，上式将变为此处σh、σh分别为原地应力场中的最小和最大水平主应力。

第一节主要力学参数煤层及顶底板围岩的力学性质主要包括：弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。

此外，煤岩的物理性质如硬度、密度、天然裂隙及煤岩的表面物理化学性质、水理性质、热理性质等对储层改造效果也有一定的影响。

一、抗压强度煤岩样在单向受压条件下整体破坏时的压力为单轴抗压强度（P c），它是岩石力学试验中最基本的指标之一，测试方法简便易行，计算也方便，所得结果可以在一定程度上间接反映地层破裂强度，而且这个指标与抗拉强度等参数有一定的对应关系，一般岩石的抗拉强度为抗压强度的3%~30%，从而可以借此进行估算。

煤储层为地下一定深度的三维地质体，单轴抗压强度不能反映煤储层的原位抗压强度。

因此，对应于不同埋深（围压）条件下的三轴压力实验得到的抗压强度才能接近煤储层原位的抗压强度值。

二、弹性模量弹性模量是材料在弹性范围内应力与应变的比值，在力学上反映材料的坚固性。

从单向加压的应力—应变曲线上得出的是杨氏模量，由三轴压力实验得到的模量本书称之为弹性模量。

三轴切线弹性模量的公式为：E=σ1(σ1+σ3)−σ2（7-1）(σ1+σ3)ε1−(σ2+σ3)ε2式中E——弹性模量；σ1、σ2、σ3——三轴压力，σ1表示垂向压力，实验中指轴压；σ2、σ3表示水平压力，实验中指围压，在假三轴力学实验中，σ2=σ3；ε1——垂向应变，实验指轴向应变；ε2——横向应变，实验指平均径向应变（两个水平方向应变的平均值）。

煤岩弹性模量（E）对煤层裂缝发育影响甚大，由力学分析可知，裂缝的宽度基本上与弹性模量成反比关系，由此成为计算裂缝尺寸的直接参数之一，如果煤层与上、下围岩之间存在足够的弹性模量差，就能成为控制水力裂缝不向上、下围岩扩展的重要自然条件。

煤的弹性模量位于n×103MPa数量级，一般比围岩低一个数量级。

三、泊松比岩石在受轴向压缩时（单轴或三轴实验），在弹性变形阶段，横向应变与纵向应变的比值就是泊松比（υ）υ=σ2ε1−σ1ε2（7-2）(σ1+σ3)ε1−(σ2+σ3)ε2式中υ——泊松比；其他同前。