岩石力学9章讲解

图9-9 渗透地层的压裂曲线
从这个例子可以看出曲线能够反映裂缝( crack)生长的形 式。如果停泵并关井，压力将逐渐下降，直到接近油藏的孔隙 压力。但是当裂缝闭合时，由于改变了流体的流型使压力下降 速率发生了变化。
第四节
微破裂试验 (mini-frac tests)
微破裂试验是一种注入少量流体的压裂试验。 这类试验的主要的目的是获取地层的破裂压力(fracture pressure )和原地应力状态信息。 试验所用流体的体积取决于被压裂的地层的类型，一般 小于1 m 3 。但是也有用到10 m 3 的情况。典型的流体是2%kcl 水溶液。为了减少流体的渗滤可向其中加些粘胶。压力有压力 传感器在井下测量。
（3）瞬时停泵压力Ps
，当裂缝延伸到离开井壁应力集
中（ stress concentration ）区，即6倍井眼半径以远时 （估计以破裂点起约经历1分钟左右），进行瞬时停泵。记录
下停泵时瞬时停泵压力Ps（ instantaneous shut in
pressure ）。由于此时裂缝( crack)仍张开，应与最小地应 力值相平衡，即Ps =
2、压开深远裂缝，提高井的产能 利用深穿透裂缝(crack)可以从一般油层中采出更多的石油， 使油井的控制面积增大。对于渗透性极低、能慢慢渗油的地层提 供大的泄油面积，从而最大限度油井的控制面积增大。使原来被 认为无开采价值的地区，现在也能进行有经济意义的开采。 同时，深穿透裂缝能够恢复并延长油井寿命。
Pf 1 ( z Pp )
Stephon法和Eaton法的区别在于Stephon法把构造应力 所产生的影响从地层泊松比中分离出来。这样就有可能在计 算时采用岩层的实际泊松比，而不象Eaton那样是靠破裂压 力(fracture pressure )反算出来的。 无论是Eaton法还是Stephon法都没有考虑井眼围岩的应 力集中。
如下四种基本用途。
1、克服近井地带污阻
目前的钻井技术不可避免的造成近井地带的污染，它包括 钻井液的液相污染和固相污染，这些污染常使油气从地层流入 井内的能力大为减弱。 水力压裂(hydraulic fracture )可以改造污染带，提高其 渗透性，建立良好的油流通道。 水力压裂后的油气产量可增加几倍到几十倍。
第九章 水力压裂
第一节
一、定义
当井眼压力(borehole pressure)足够高时，井壁
(borehole wall)会劈开一条裂缝(crack)，这一过程称为水 力压裂(hydraulic fracture )。
概
述
二、水力压裂裂缝扩展规律
裂缝(crack)总是沿着最有利的方向扩展(extended )和传 播，一般的情况下裂缝沿垂直于最小主地应力(minor
3、协助二次采油 压裂对于二次采油的油田有两个重要作用：一是在一定压力 下提高注水井的吸水量；二是为生产井提供高流通能力的流通通 道，增大注气或注水效率。
4、排除油田盐水 油井大量产出盐水，严重限制了原油的生产。通过水力压 裂(hydraulic fracture )便可以在任何一个地方打出低压高 注入量得井，供回注盐水使用。 为了实现上述功能，采油中的水力压裂不仅关心形成裂缝 (crack)的初始条件，更关心裂缝的走向和几何形状。
第二节 钻井过程中的地层破裂压力
一、 漏失试验(leak-off test )
在钻井过程中最容易出现破裂的层位是套管鞋附近。因此漏失 试验(leak-off test )是在下套管固井后，钻十几米后做，以确定 地层的最小破裂压力梯度(minor break-down pressure gradient )。 漏失试验(leak-off test )过程：关井，用水泥车通过钻杆泵 入泥浆，记录压力和时间或泵入量。当压力偏离直线时，停泵。 典型的漏失实验曲线如下图(图9－3)所示。
图9-7 上下层对裂缝的限制
二、压裂过程中的压力变化
为了从压裂过程中获取地层的力学性质和原地应力状 态(in site stress state )等信息，应该正确的观察记录
压裂过程中压力的变化。最好在井下压裂附近测量压力，
这将消除沿程水力压耗的影响。
考 虑 致 密 ， 非 渗 透 性 地 层 ， 水 力 压 裂 (hydraulic fracture )曲线如图9-8所示。在形成裂缝之前产生峰值压力， 称为break—down pressure。裂缝形成后压力将保持恒定或略
3、黄荣樽法（1984） 在上世纪80年代，石油大学黄荣樽教授提出了新的预测地 层破裂压力(fracture pressure )的方法，其基本假设如下： （1）地层处于非均匀构造应力的作用之下； （2）井眼附近存在应力效应； （3）井壁破裂的原因是井壁应力超过岩层抗拉强度。
在上述假设条件下，考虑井眼的应力集中(borehole stress concentration )，得出直井的破裂压力(fracture pressure ) 表达式：
Pf 3 h H aPp t
其中：
H 1 w1 ( v aPp ) aPp
h 1 w2 ( v aPp ) aPp
式中，w1 、w2 分别为
H 方向和 h 方向的构造应力关系数。
图9-6
裂缝几何形态
图9-7示意了一个砂岩层在上下均有一个页岩盖层。 图9-7c给出了各层地水平地应力大小。砂岩层与液岩层水 平应力差足以阻碍裂缝向页岩层扩展，结果形成椭圆形裂缝。 这种裂缝进一步扩展，由于缝壁受到向外的力会使缝宽变大。 这种约束并不是绝对的，它取决于岩石的强度和应力差的大小。 穿越不同层位的裂缝几何形状(fracture geometry )将更加复 杂。
t Pf Pr
当 地 层 存 在 大 量 微 裂 隙 时 ， 地 层 破 裂 压 力 (fracture pressure )并不比传播压力有明显升高。
二、地层破裂压力预测
通过漏失试验(leak-off test )只能确定套管鞋下某一段地层的 最小破裂压力值。但对整个井身剖面来说，并不总是遵循井深从上到
三、水力压裂(hydraulic fracture )的作用
1、钻井(drilling)过程中的水力压裂 在钻井过程中，意想不到的水力压裂会导致井漏 (lost
circulation )，这是一个经常出现又很难对付的问题。严重
时会造成井眼失控而发生井下井喷(blowout )。
2、开发(oil production )过程中的水力压裂
根据上两式，可以把黄荣樽法的表达式改写为：
2 Pf Pp k 1 v Pp t
百度文库
其中
K 1 32
第三节 采油过程的水力压裂
一、水力压裂的作用
水力压裂(hydraulic fracture )作为一项增产措施自
50年代出现以来，得到了广泛的应用。概括起来水力压裂有
在生产过程中，为了扩大油藏与井眼的通道，要主动压裂 地层，这是一项非常有效的增产措施，既水力压裂(hydraulic
fracture )是开发生产过程中的重要增产措施。
在流体压力（ fluid pressure ）作用下裂缝 ( crack) 张 开，如果井眼压力减小裂缝会重新闭合、而利用裂缝来增加油
下，地层破裂压力(fracture pressure )由小变大的规律。井下深部
发生井漏也是不罕见的。因此在钻井之前能够预测出地层破裂压力， 是实际工程的需要。 到目前为止，国内外在研究地层破裂压力(fracture pressure ) 的预测方法上已经提出过许多模式。由于他们所考虑的因素和假设地 条件不同，模式之间也存在较大的别差。 下面介绍几个有影响的方法。
1、 Eaton法（1969）
Eaton 法在美国海湾地区应用比较广泛。该方法的前提条件是： （1） 岩层处于均匀水平地应力状态 (horizontal in site
stress state )； （2）地下岩体充满节理、层理和微裂隙； （ 3 ）钻井液在压力作用下沿裂隙侵入，张开裂缝 ( crack) 只 需克服垂直裂缝面的地应力。
二、裂缝方位和几何形状
前面讲过裂缝 ( crack) 总是沿垂直于最小主应力方向起裂 并扩展，这一结论无论对任何一种原有地应力条件都是成立的。 井的几何形状会限制裂缝几何形状 (fracture geometry ) ， 如下图所示。 在射孔井中由于重力降低效应，裂缝有向上倾斜的趋势， 如图9-6c所示。
有增加，此时的压力是裂缝传播压力 (fracture propagation
pressure ) 。如果此时停泵并关井，压力下降到一定水平与地 应力平衡，此时的压力称为瞬时停泵压力(instantaneous shut
in pressure)ISIP ，从原理上讲裂缝闭合时，裂缝内流体压力
是可以测量的。 一 般 认 为 瞬 时 停 泵 压 力 (ISIP) 等 于 裂 缝 闭 和 压 力 (crack
principal stress )的方向扩展。由于最小主地应力一般都是
水平方向，因此裂缝一般是垂直缝，对于直井，裂缝如下图所 示。
图9-1 直井水力压裂垂直裂缝
井眼中，水力压裂(hydraulic fracture ) 会在垂直于最小 地应力(minor in site stress )的方向产生两个对称的裂缝翼。 如果两个水平地应力 (horizontal in site stress ) 相等，裂 缝( crack)方向就很难确定。
closure pressure)。
图9-8 致密地层的压裂曲线
对于渗透性地层，由于流体渗入地层使得压力曲线的形状发 生了变化。如果我们忽略峰值压力，则曲线形状如图9-9所示。 曲线的前面两段为裂缝的扩展压力(fracture propagation pressure )，第一段近似恒定的压力表示裂缝( crack)的扩展没 有受到约束，而第二段表示受到了上下层的限制（如图9-7）。
h
。此时随着停泵时间的延长，泥浆
向裂缝两壁渗滤，液压下降。由于地应力的作用，裂缝将闭合。
（4）裂缝重张压力 Pr，瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭 合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝(crack)所需的压力Pr与 破裂压力(fracture pressure ) Pf相比不需要克服岩石抗拉强 度 (tensile strength ) ，因此可以近似认为破裂层抗拉强度 等于这两个压力的差。即：
开裂压力 漏失 压力
图9-3
漏失试验曲线
如果想从漏失实验中获取更多的地层信息，实验过程应
如下图（图9-4）所示：
压力 Pf Ppro
Pr
Ps O
加压(P) 封井 停泵 P 封井
t（时间）
图9-4 水压破裂时封闭段的压力-时间曲线
（ 1 ）破裂压力 (fracture pressure ) Pf ，压力最高 点，反映液柱压力克服地层的强度使其破裂，形成裂缝， 泥浆向裂缝( crack)中充填，其后压力下降。 （ 2 ）传播压力 Ppro ，压力趋于稳定，使裂缝向远处延 伸。
流通道，就应该使裂缝保持张开。通常用泵泵入砂粒或其他支
撑剂使裂缝张开，形成高渗透性的油流通道，如图9-2所示。
图9-2
被支撑的裂缝
3、利用水力压裂进行地应力现场测量 分析水力压裂 (hydraulic fracture ) 过程可获得许多地 层的力学信息，尤其是地应力 (in site stresses ) 的大小与 方向。
在以上假设的前提条件下，Eaton得到破裂压力预测模式为：
Pf

1
( z Pp )
Eaton法适用于地层沉积较新，受构造影响小的连续 沉积盆地。而对于地层年代较老，构造运动影响大的区域，
其预测效果欠佳。
2、Stephtn法（1982）
Stephtn法的基本假设和 Eaton法一样，不同的是 Stephon认为地层中存在水平均匀构造应力。其表达式如下：