水平井压裂裂缝起裂及延伸规律研究
水平井段内多裂缝压裂技术研究与应用
水平井段内多裂缝压裂技术研究与应用申贝贝;何青;张永春;李雷;刘威【摘要】针对大牛地气田致密低渗地层特征,在总结水平井压裂工艺应用情况及其优缺点的基础上,开展了水平井段内多裂缝压裂新工艺的研究,特别是对水平井段内多裂缝压裂使用高强度水溶性哲堵剂的控制工艺原理以及段内裂缝的干扰进行了分析.并对DPT-8和DPH-60两口水平井实施了段内多缝压裂技术的现场应用试验.试验结果表明,该技术利用暂堵剂能依次封堵先期压裂形成的裂缝,使其不断蹩压而在段内发生多次起裂并延伸,形成多条新的裂缝,从而有效地增加改造体积,扩大泄油气面积或范围,进而提高压裂改造程度和油气增产效果.并能节约封隔器和压差滑套,降低施工作业成本,为大牛地气田致密低渗储层的改造探索出了新的技术途径.【期刊名称】《天然气勘探与开发》【年(卷),期】2014(037)001【总页数】4页(P64-67)【关键词】致密低渗储层;水平井压裂;段内多裂缝压裂;大牛地气田【作者】申贝贝;何青;张永春;李雷;刘威【作者单位】中国石化华北分公司工程技术研究院;中国石化华北分公司工程技术研究院;中国石化华北分公司工程技术研究院;中国石化华北分公司工程技术研究院;中国石化华北分公司工程技术研究院【正文语种】中文大牛地气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部东段，主要含气层位为上古生界下石盒子组、山西组和太原组。
自从1999年首钻大探1井试获工业气流后，经过多年的勘探开发与研究，取得了丰硕的成果。
目前，上古生界砂岩储层的开发已经逐渐走向规模化、工业化的开发阶段。
常规的直井开发在大牛地致密低渗储层中开发难度大，建产率低。
为了扩大井筒泄气面积，提高单井控制储量和产能，并借鉴前期气田开发的探索实践，华北分公司工程技术研究院通过转变理念、优化设计、完善管理，不断完善工程工艺措施，逐渐形成了满足大牛地气田致密低渗储层有效开发的工程工艺技术措施。
目前，大牛地气田主要以水平井开发为主，并已经建成国内第一个全部采用水平井开发的10×108m3产能气田。
页岩水平井压裂裂缝延伸规律探究_以延长油田页岩气气藏为例
页岩水平井压裂裂缝延伸规律探究
——以延长油田页岩气气藏为例
关星
长江大学石油工程学院
摘要：水平井压裂能有效的提高页岩气藏水平井的产量，裂 缝延伸规律研究是水平井压裂技术的关键点之一。提出并研究 应力强度因子，裂缝端部的应力强度因子达到岩石的断裂韧性时 裂缝才开始延伸。以延长油田的现场数据为例，对常用的裂缝延 伸数学模型—二维模型、拟三维模型、三维模型进行对比分析，选 出最佳的延伸模拟模型。
表 3 计算结果比较
二维模型 （PKN）
拟三维模 型
三维模型
FracproPT 计算
裂缝半长/
m
324. 4
153
103
97
上缝高/m
21
58. 3
28. 92
39. 74
下缝高/m
20
52. 2
26. 64
35. 17
最大缝宽/ cm
1. 36
1. 13
0. 566
0. 932
平均缝宽/ cm
1. 208
表 1 油藏数据
层位
油藏参数
数值
有效厚度/m
41
产层
断裂韧性/(MPa·m0. 5)
杨氏模量/MPa 最小主应力/MPa
泊松比
1. 26
24653 29 0. 22
盖层
断裂韧性/(MPa·m0. 5)
杨氏模量/MPa 最小主应力/MPa
泊松比
1. 9
25622 34
0. 251
底层
断裂韧性/(MPa·m0. 5)
结论
1.当地层岩性不同时，裂缝延伸的规律会有很大的不同，塑 性较强的地层，比较容易出现早期脱砂的情况。
基于扩展有限元的页岩水平井压裂裂缝扩展规律研究
middle crack while the two sides of the crack repel each other. Under the condition of sequential fracturing with three clusters of fractures, the longest fracture can be obtained compared with synchronous fracturing and two-step fracturing.(4) When a hydraulic crack encounters a single natural crack with 90 degrees dip, secondary cracks will occur at both ends of the natural crack, otherwise only one secondary crack will occur at the end of the natural crack with small dip; when two natural cracks with 90 degrees dip are encountered, the second natural crack will severely inhibit the length of secondary cracks produced at the end of the first natural crack.This paper further reveals the law of fracture propagation and shape change in shale horizontal wells. The method of hydraulic fracturing simulation based on extended finite element method can be used to analyze the law of fracture propagation under various factors.Keywords: Shale,Horizontal Well, Hydraulic Fracturing, Fracture Propagation, Extended Finite Element MethodThesis: Fundamental Study(The paper is supported by the China National Science Foundation Research on Brittle Failure Mechanism of Shale Reservoir based on macro-micro mechanics, Grant No:51674197)目录第一章绪论 (1)1.1 选题背景和研究意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 水平井多簇裂缝扩展竞争机制研究 (2)1.2.2 水力裂缝与天然裂缝相互作用关系研究 (4)1.2.3 裂缝扩展模拟方法研究 (6)1.3 研究内容及创新点 (8)1.3.1 研究内容 (8)1.3.2 技术路线 (8)1.3.3 创新点 (9)第二章基于XFEM的水力压裂理论基础 (10)2.1 多孔介质基本理论 (10)2.1.1 基本物性参数概念 (10)2.1.2 有效应力原理 (11)2.2 扩展有限元方法 (11)2.2.1 扩展有限元位移标准格式 (11)2.2.2 模拟裂缝扩展的水平集方法 (14)2.3 ABAQUS软件在水力压裂模拟中的具体实现 (16)2.4 基于XFEM的裂缝起裂和扩展准则 (16)第三章水力压裂数值模型建立及验证 (19)3.1 模型基本假设 (19)3.2 水力压裂数值模拟基本方程 (20)3.2.1 基于有效应力原理的渗流/应力耦合基本方程 (20)3.2.2 裂缝内流体流动方程 (21)3.2.3 边界条件 (22)3.3 基于XFEM的渗流/应力耦合方程离散 (22)3.4 ABAQUS软件模拟水力压裂的基本步骤 (24)3.5 基于扩展有限元的水力压裂模型验证 (28)3.5.1 真三轴水力压裂物模对比验证 (28)3.5.2 水力裂缝内压强及入口缝宽变化规律验证 (29)第四章页岩水平井压裂单缝扩展规律研究 (31)4.1 单裂缝扩展水力压裂模型及求解 (31)4.2 射孔方位角对裂缝扩展规律的影响 (32)4.2.1 裂缝扩展形态规律分析 (32)4.2.2 起裂压力变化规律 (34)4.2.3 单缝半长和入口处宽度变化规律 (34)4.2.4 裂缝稳定扩展压力和初始转向角度变化规律 (35)4.3 水平应力差对裂缝扩展规律的影响 (36)4.3.1 裂缝扩展形态规律分析 (36)4.3.2 起裂压力变化规律 (37)4.3.3 单缝半长和入口处宽度变化规律 (38)4.3.4 裂缝稳定扩展压力和初始转向角度变化规律 (38)4.4 注入排量对裂缝扩展规律的影响 (39)4.4.1 裂缝扩展形态规律分析 (39)4.4.2 起裂压力变化规律 (40)4.4.3 单缝半长和入口处宽度变化规律 (41)4.4.4 裂缝稳定扩展压力和初始转向角度变化规律 (41)4.5 压裂液黏度对裂缝扩展规律的影响 (42)4.5.1 起裂压力变化规律 (43)4.5.2 单缝半长和入口处宽度变化规律 (43)4.5.3 裂缝稳定扩展压力和初始转向角度变化规律 (44)第五章页岩水平井压裂多簇裂缝扩展规律研究 (45)5.1 多簇水力裂缝扩展模型及求解 (45)5.2 压裂两簇裂缝时扩展规律分析 (47)5.2.1 两簇裂缝扩展形态分析 (47)5.2.2 缝间距对裂缝扩展规律的影响 (49)5.2.3 水平应力差对裂缝扩展规律的影响 (51)5.2.4 裂缝长度对裂缝扩展规律的影响 (54)5.2.5 注入排量对裂缝扩展规律的影响 (55)5.3 压裂三簇裂缝时扩展规律分析 (56)5.3.1 三簇裂缝扩展形态分析 (56)5.3.2 压裂次序对裂缝扩展规律的影响 (58)5.4 压裂四簇裂缝时扩展规律分析 (59)5.5 水力裂缝与天然裂缝相交扩展规律研究 (61)5.5.1 水力裂缝与天然裂缝交互数值模型 (61)5.5.2 物理模型建立及求解 (62)5.5.3 裂缝扩展规律分析 (63)第六章结论与建议 (66)6.1 结论 (66)6.2 建议 (66)致谢 (68)参考文献 (69)攻读学位期间参加科研情况及获得的学术成果 (76)第一章绪论1.1 选题背景和研究意义伴随着经济全球化发展趋势愈演愈烈，世界各国经济总量不断迈入新台阶，尤其以中国为首的发展中国家于2010年末一跃成为世界第二大经济体。
水平井压裂起裂规律研究现状
水平井压裂起裂规律研究现状X冯彦田,王继波,胥元刚(西安石油大学石油工程学院,陕西西安 710065) 摘 要:介绍了国内外在水平井压裂裂缝起裂规律的研究进展,主要包括运用解析法和有限元法两种不同方法,研究了水平井井筒周围地应力分布对裂缝起裂的影响,破裂压力及起裂方位,指出了目前研究中的不足,并对未来的研究方向进行了分析和展望。
关键词:水平井压裂;地应力;破裂压力;起裂方位;研究现状 水力压裂油气井是增产的一项重要技术,利用地面的高压泵组将高粘度液体泵入井中,当目的层段的液体压力超过一定值后,岩石破裂,随着支撑剂的运移和沉降,逐渐形成一条高渗的填砂裂缝。
水平井压裂与常规直井压裂相比,水平井本身所具有的特殊性和复杂性,钻遇地层情况复杂。
因此,水平井压裂起裂与直井压裂起裂有很大的区别:水平井压裂裂缝的起裂与井筒周围的应力分布、射孔、完井方式、井筒压力以及天然裂缝都密切相关。
众所周知,水平井压裂方面的相关研究在国外一些发达的产油国得到了较早、较全面的认识、研究;而我国在近十年对水平井的开发利用以及压裂方面也做了很多工作并取得了可喜的成绩。
自从Gig er[1]首次提出水平井水力压裂的概念以来,水平井水力压裂的发展已经得到了广泛的认识和深刻的研究。
从那时开始,伴随着水平井技术的不断发展以及在水平井施工过程中各种外来因素的影响和地质构造方面复杂性、多变性的存在,为了提高水平井压裂的成功率,在进行水平井压裂设计时必须考虑各种因素的综合影响——如钻井、射孔后原始地应力在井筒以及孔眼周围的重新分布;起裂条件的分析以及起裂压力的计算以及裂缝的起裂形态研究等。
因此,对于水平井压裂裂缝起裂规律的研究分析无疑是后续工作的基础又是水平井压裂成功的关键。
1 地应力分布模型的发展现状在地应力场的研究方面,已经有许多学者专家做了大量的研究工作:M.M.Hossain[2]给出了斜井井筒应力分布的计算模型,并运用叠加原理在斜井周围应力分布的数学模型下经推导得出了柱坐标系下水平井井筒水平段任意一点处的应力分布;余雄鹰[3]等根据Yew[17]改进的坐标系统,利用三维弹性力学建立了斜井井筒应力分布模型;陈勉等[4]考虑到岩石介质孔隙压力、压裂液渗流效应及作业条件对裂缝起裂的影响,利用多孔弹性理论,采用叠加原理建立了斜井井筒周围的应力分布;程远方等[5]假设岩石是小变形多孔弹性体,利用叠加原理并考虑到钻井液渗流效应,建立了井眼围岩应力分布规律;徐严波[6]考虑了地层温度变化产生的热应力的影响,建立了新的水平井筒周围应力分布的数学模型;王培义等[7]初步研究了水平井水力压裂机理,建立了水平井井眼的应力分布模型;刘翔[8]运用解析方法研究了射孔后孔眼围岩的地应力分布;而胡永全等[9]首次将射孔井套管和岩石化为两种不同性质的材料,按线弹性有限元方法计算近井地带应力场。
水平井连续油管分段压裂技术研究
水平井连续油管分段压裂技术研究连续油管压裂技术可以实现一次多压作业，更好地提高油井产量。
本文对连续油管分段压裂技术进行简单的叙述，并对连续油管分段压裂方案优化展开探讨和研究。
标签：水平井;连续油管技术;分段压裂低渗透油藏是很多油田提高产量的重要资源，采用水平井分段压裂技术可以使低渗透油藏流通性变好、减小渗流阻力、提高油田采收率。
水平井开发技术的进步，可以有效地动用难以开采的油藏，分段压裂施工需要以压裂管柱的安全起下作为保证，连续油管在卷筒拉直以后下放到井筒中，当作业完成之后从井中提取出来重新卷到卷筒中，具有很高的作业效率。
1连续油管分段压裂技术概述该技术以水动力学作为研究的前提，把连续油管技术实现与压裂技术的结合，采用喷砂射孔及环空加砂进行压裂的办法，可以对水平井进行一次多压。
进行施工作业过程中，需要先设计好压裂施工所采用的工具串，是由导引头、机械丢手、喷枪、封隔器等构成，压裂施工时把工具串投入到井筒中，采用机械定位装置实现位置确定，并对深度进行校核，利用打压办法来完成封隔器的坐封，达到合格标准之后就可以应用连续油管水力喷砂射孔技术进行作业，再采用环空加砂压裂技术，当完成一段压裂作业之后再对管柱进行上提操作，在后续层段采用相同的施工作业方式，不需要太多的时间就可以实现对多层段的地层压裂改造作业。
2连续油管分段压裂方案优化某油田区块采用水平井连续油管技术进行分段压裂增产，达到了比较理想的效果，把裸眼封隔器分段壓裂作为主要的压裂工艺技术，可该压裂工艺需要较长的作业时间，压裂之后还需要较多的工艺来完善，很难对裂缝起始位置进行有效地控制，为了提高压裂增产效果，可以采用连续油管分段压裂技术，充分考虑到多种影响因素，对原有的压裂方案进行优化改进。
2.1裂缝特征优化地层裂缝长度情况直接影响着低渗透油藏的开采效果，如果地层裂缝长度变大，油气产量则会相应地提升。
对早期投入使用的油井地质情况进行分析来看，如果地层裂缝长度达到90-100米，可以达到较高的原油产量，从而实现较长的稳产时间。
水平井多段压裂布缝方式探讨_李静嘉
PetroleumEngineeringTechnology 石油工程技术中国石油和化工2013·09本栏目合办单位：中国石油大学（北京）北京雅丹石油技术开发有限公司53中国石油和化工2013·09裂。
交互式压裂的布缝方式为在压开两条裂缝后，再在两条缝之间压开一条缝，并在之后的压裂程序上重复这样的操作，直到完成设计的裂缝条数。
这种布缝方式可以改变裂缝范围内应力场的分布，造出更多与主裂缝连通的次生裂缝，使整个水平井段改造体积增大。
本文研究了这种布缝方式下地层最小主应力的改变情况，为了模拟交互式压裂的诱导应力场，模型设置前两条缝的间距为１５０米，第三条缝在前两条缝的中间位置，中间缝的扩展对最大水平主应力的改变情况影响很大，又受前两条缝净压力的影响。
（见图１）图２为缝端部的剪切应力改变情况，这种改变是通过微地震监测得到的，当缝端剪切应力发生改变时就会发射出一种可以被微波接收器捕捉到的剪切波，通过对微地震事件的反衍得到准确的裂缝位置［８］。
从图中可以看出缝端的这种剪切应力改变最为明显，因此随着中间裂缝的扩展所产生的诱导应力有可能压开非常规储层（如页岩）的弱层理面，波及更大的地层范围。
尽管这种布缝方式易于制造出复杂缝网结构，但在工艺上却很难实现，而且在近井筒带有可能发生应力反转，因此这项技术目前来看还不适合应用于油田现场。
同步压裂（拉链式压裂）同步压裂技术指两口平行的水平井同时压裂，Ｒｏｕｓｓｅｌ 和Ｓｈａｒｍａ在２０１０年模拟了这种压裂方式裂缝周围的应力分布状况。
当相对的两条裂缝向对方延伸时，在裂缝尖端会产生一定程度的扰动，使裂缝向垂直于水平井筒方向延伸。
（见图３）我们希望看到的是在裂缝尖端有剧烈的应力改变，但模拟显示与交互式压裂相比这种改变是非常小的。
但裂缝尖端的剪切应力改变较为明显（见图４），有可能导致裂缝转向。
当两条相对的裂缝距离非常近时就有可能发生裂缝转向，增加两口井连通的风险。
体积压裂复杂裂缝起裂与延伸基础理论研究
复杂裂缝网络形成过程：
分支缝延伸 （延伸判定）
压裂施工
形成人工主缝
沟通天然缝
主缝穿透分支缝并延伸 分支缝延伸 分支缝中某一薄弱位置延伸
分支缝起裂 （起裂判定）
分支缝
天然缝
实拍图
-16-
示意图
3、复杂裂缝起裂与延伸力学机理研究
1）裂纹扩展形式 按裂纹的几何特征可分为穿透裂纹、表面纹和埋深纹 。 裂纹的扩展形式包括Ⅰ型、 Ⅱ型和Ⅲ型裂纹。
延N 伸
延 伸
分支缝与天然 Y 缝相交判定
N 计算分支缝及主缝起裂和延伸
计算特点：
增加分支缝 计算模块
①每条天然缝都需分配新的 计算模块，天然缝越多，计 算越复杂；
计 算
②对每条缝都需进行相交判
相 交
定，并在节点处重新分配计
点 处
算参数，缝网越复杂，计算
新
量越大；
的
参
数
➢交点处流量、压力动态 分配计算较为困难。
非常规裂缝模型模拟方法
考虑不同物性天然裂缝影 响，能较为精确计算缝网尺 寸及复杂程度，但天然缝多 时模拟难度及工作量较大。
-6-
一、体积压裂复杂裂缝模拟研究现状
2）体积压裂复杂裂缝模拟研究
➢正交线网模型
模型特点
根据微地震数据点密度、 地质及测井等数据用于调整 正交天然缝间距。
通过调整σH拟合缝网基
裂缝面法线与X轴
↗
夹角
↘
↗
地应力差
↘
↗
裂缝半径
↘
↗
缝内实际压力
↘
↗
岩石断裂韧性
↘
延伸及起裂趋势
复合型裂缝起裂与延伸 判定准则
延伸趋势
水平井水力裂缝非平面扩展研究_张广清
第26卷 第3期2005年5月石油学报A CT A PETROLEI SINICAV ol.26 N o.3M ay 2005基金项目:国家自然科学基金项目(No.50274054)/水平井水力裂缝非平面扩展的物理模拟研究0部分成果。
作者简介:张广清,男,1975年7月生,2002年毕业于石油大学(北京),现为中国石油大学讲师,博士,北京大学力学与工程科学系博士后,主要从事石油工程岩石力学研究。
E O m ail:zgq 1975666@文章编号:0253O 2697(2005)03O 0095O 03水平井水力裂缝非平面扩展研究张广清1,2 陈 勉2(11北京大学力学与工程科学系 北京 100871; 21中国石油大学石油天然气工程学院 北京 102249)摘要:基于最大拉伸应力准则和拉格朗日极值法,建立了水平井筒附近水力裂缝空间转向模型,用于分析三向地应力和井筒内压作用下水平井筒水力裂缝的起裂位置和扩展形状。
根据此模型,编制了数值计算程序。
针对所建立的理论模型,在真三轴水力压裂模拟装置上采用300mm @300mm 的岩石试样进行了物理模拟,模型计算结果与物理模拟结果基本一致。
通过模拟计算和物理试验,得到了井筒附近水力压裂裂缝空间转向的基本规律。
研究结果表明,水平井井筒附近水力裂缝确实存在空间转向现象,裂缝在转向前与井筒的距离随井筒方位角增大而增加,但增加幅度不大,大致发生在3倍井筒直径的范围内。
关键词:水力压裂;裂缝非平面扩展;水平井;物理模拟;计算模型中图分类号:T E 357111 文献标识码:ANon -planar propagation of hydraulic fracture near horizontal wellboreZH AN G Guang -qing1,2CH EN M ian2(1.D ep ar tment of M echanics and Eng ineer ing ,P ek ing Univer sity ,Beij ing 100871,China;2.Faculty of Petroleum E ngineer ing ,China Univer sity of P etr oleum ,Beij ing 102249,China)Abstract :A three -dimensio nal model fo r describing hydraulic fr act ur e r eo rientation near ho rizo ntal w ellbore was established o n the basis o f max imum tensile str ess crit erio n and the L ag range M ultiplier method.T he model can be used to analy ze no n -planar shape o f hy dr aulic fr act ur e during propag ation under thr ee far -field gr ound -stresses and w ellbore pr essure.T he numer ical codes wer e dev e-l o ped for simulatio n.A cco rding to the theoret ical mo del,labor ator y ex periments w ith r ock sample o f 300mm @300mm @300mm in size w ere made o n t he tr ue tr-i ax is simulation equipment o f hy draulic fr act ur ing.T he ca lculated results by t he theo retical model ar e basically co nsistent with those of ex periments.T he fundamental patterns o f thr ee -dimensional r eorientat ion o f hy dr aulic fracture near wellbor e wer e obtained.T he main results of theo retical model and ex perimental v erificat ion sho wed that three -dimensional reo rienta -t ion of hydraulic fr actur e ex ists near hor izo nt al wellbor e indeed,and the distance awa y fro m w ellbo re before fr actur e turning incr eases w ith increament o f w ellbore or ientatio n angle.T he increasing mag nitude is limit ed.G ener ally it occurs w ithin three times o f wellbor e diameter.Key words :hy dr aulic fr actur e;non -planar fracture pro pag atio n;hor izo nt al w ellbo re;physical simulatio n;calculation model水力压裂是一项重要的油田增产增注措施,在水力压裂方面已进行了大量的理论、试验和数值模拟研究[1]。
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(3)裂缝内流体流动压降方程:
（4）裂缝宽度方程:
9
3.水平井压裂裂缝延伸规律研究
(5)裂缝高度方程：
0
3.水平井压裂裂缝延伸规律研究
3.2 实例计算
名称 动态裂缝半长 (m) 动态裂缝上缝 高(m) 动态裂缝下缝 高(m) 最大缝宽(mm) 平均缝宽(mm) 动态裂缝总高 度(m)
改进计的算拟结三果比较二维(PKN) Fracpro_PT
维模型
模型
计算
102
324.3
96
28.91
20
35.73
26.63 0.565 0.366
20 1.35 1.209
39.16 0.931 0.517
55.54
40
74.99
1
汇报提纲
➢前 言 ➢水平井压裂裂缝起裂规律 ➢水平井压裂裂缝延伸规律
5
1.前 言
在不同的地应力状态和井筒方位下，水平井压裂形 成的裂缝形态也不同。
水
横向裂缝
平
井
纵向裂缝
压
裂 的
转向裂缝
裂
缝
扭曲裂缝
6
1.前 言
(1) 横向裂缝
横向裂缝是沿着垂直于井筒的方向起裂的裂缝，它一般产生在水平井井 筒水平段平行于最小主应力方向的水平井。 横向裂缝可以改善低渗透油层 渗流状况，有利于增加油层泄油面积。多条横向裂缝能大大提高采油速度， 并有利于提高采收率。其主要缺点是流体将聚集在裂缝中以向心流流入井底 ，这将导致裂缝中流动压降的增加。
6
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
水平井井筒应力分布模型的建立要考虑诸多因素：
（1）水平井井筒周围的岩石受井筒内压引起的应力 （2）岩石原地应力 （3）压裂液渗流效应引起的应力变化 （4）射孔对井筒应力分布的影响 （5）分隔器对水平井井筒轴向应力也有一定的影响
根据假设条件，以上在水平井井筒处产生的应力满足迭加原理，水平 井井筒处的总应力分布可以通过各个因素产生的应力迭加得到，(在所 有的受力分析中，将压应力取正，拉应力取负)。
b.平移断层
平移断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系
0
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
c.逆断层
逆断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系
1
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 （3）射孔对起裂压力的影响分析
射孔参数会对压裂作业产生影响，选择合适的射孔参数可以降 低地层破裂压力、降低裂缝的扭曲程度。
射孔对起裂压力的影响
转向裂缝又叫‘S’型裂缝，一般是裂缝从井筒起裂后在 近井筒位置延伸一段距离，再转向另一个平面的方向延伸。如 图所示，在图中所示的应力分布状态下，该裂缝在起裂时是沿 着水平方向延伸，而在沿着水平方向延伸一段距离后，裂缝发 生转向，转向垂直于最小主应力的方向延伸，所以导致了转向 裂缝的形成。许多因素都可以引起裂缝转向，最主要的因素是 在裂缝起裂时的近井筒应力分布状况以及射孔状况。裂缝转向 会引起更大的施工泵压，严重情况下可能会引起砂桥和过早的 近井筒出砂。
7
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
2.1.1 裸眼完井水平井井筒周围应力分布
水平井井筒原地应力分布
+
井筒内压引起的应力
+
压裂液渗滤效应引起的附加应力
8
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.1.2 射孔完井水平井井筒周围应力分布
假设条件： (1) 岩石均质各向同性； (2) 岩石为处于线弹性状态的多孔介质； (3) 不考虑岩石与压裂液的物理化学作用而引起的力学性质的变化； (4) 孔眼与井壁垂直相交，井筒和孔眼间的连通性良好，作用在井壁和 孔壁处的流体压力相等。
拟三维裂缝延伸模型中压裂液的流动被假设为沿缝长方向的一维 流动，由于未考虑压裂液在缝高方向流动所引起的压降，模型就会 过高地估计裂缝的延伸高度； Molales等人将压裂液沿缝高方向的流动考虑进缝高计算中。全 面考虑了缝高压降梯度、流体重力、地应力梯度、地应力差等因素 对裂缝延伸的综合影响，建立了一套新的裂缝拟三维延伸模型。
0
1.前 言
(4) 扭曲裂缝
1
1.前 言
扭曲型裂缝与转向裂缝类似，但扭曲裂缝的上半缝和下 半缝是向着两个不同的平面发生转动，而转向裂缝的上半缝 和下半缝是向着两个平行的平面发生转动。在图2-4所示的应 力状态下，水平井井筒方向垂直于最大水平主应力方向，起 裂的纵向裂缝从井筒延伸出来在远井筒地应力状态下会转向 于横向裂缝的方向。这样就会导致裂缝在离开井筒附近后的 扭曲。如同转向裂缝一样，扭曲型裂缝也会造成裂缝在近井 筒附近的快速收聚。而且其收聚的程度比转向裂缝更大，所 造成的产量和压裂施工上的负面影响也较大。
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
b. 平移断层
平移断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
c.逆断层
逆断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 （2）垂向应力对起裂压力的影响分析
a.正断层
正断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
射孔井筒几何模型和应力重分布图
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
在坐标系下射孔完井水平井井筒应力与裸眼完井水平井应力一 致，根据迭加原理，将井筒内压、地应力和压裂液渗流效应引起的 应力迭加，便可得到水平井射孔完井时井筒壁处的应力场分布：
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2 起裂压力和起裂角的计算
2
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2.1 裸眼完井起裂压力和起裂角的计算
为了求出最大拉伸应力，对式上式求导，得：
满足该式的角度0即为裸眼完井时裂缝的起裂方位角
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2.水孔完井起裂压力和起裂角的计算
射孔完井条件下水平井井筒三个主应力为：
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2.2 射孔完井起裂压力和起裂角的计算
裂缝扩展准则:
内压(或通常所说的破裂载荷)在裂缝边缘某一点上诱发应 力强度因子，当它大于岩石的断裂韧性时，裂缝将向前扩展。
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3.水平井压裂裂缝延伸规律研究
3.1 裂缝延伸数学模型
二维模型（2D）
1.设缝高为常数 ；
2.忽略压裂液在缝横截面方向的流动， 压裂液沿缝长方向一维流动 ；
3.裂缝延缝长和缝宽方向二维破裂.
➢结论与认识
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4. 结论与认识
（1）通过对水平井井筒周边岩石性质进行假设，研究了水平井井筒周围应力 的分布，建立了相应的数学模型； （2）水平井压裂裂缝的起裂压力和起裂方位不仅与井筒的方位有关，还与井 筒周围的岩石性质和井筒周围应力分布有关。考虑以上影响因素，在水平井 井筒应力分布的基础上，根据张应力破毁准则，建立的水平井压裂起裂模型 能较好的预测起裂压力和裂缝起裂方位角； （3）在正断层、逆断层和平移断层三个不同的应力状态下，最小水平主应力 、垂向应力对裂缝起裂压力的影响有各自不同的规律；水平井井筒方位角也 是影响起裂压力和起裂角的主要因素，射孔可以有效地降低裂缝的起裂压力 ；
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4. 结论与认识
(4) 根据裂缝扩展准则，研究了水平井压裂裂缝延伸规律，构建了改进的 拟三维裂缝扩展延伸模型，开发了相应的计算程序；
(5) 根据给定的储层参数和施工参数的条件下，比较拟三维模型和油田通 用软件Fracpro-PT软件的计算结果，结果发现具有很好的一致性，因此该模 型可以用来研究水平井压裂裂缝延伸规律。
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1.前 言
(2) 纵向裂缝
纵向裂缝是沿着水平井井筒起裂的，形成纵向裂缝时井筒方向应该与 最大水平主应力的方向一致。纵向裂缝有时可以把油层泄油面积向油层的 上下边界扩展，在某些情况下纵向裂缝还可以解除深度井筒伤害，改善油 层的各向异性，降低井筒周围汇流的影响。
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1.前 言
(3) 转向裂缝
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1.前 言
由弹性力学理论，其最大拉伸应力的表达式为：
对上式求导，确定出裂缝的起裂方位：
根据裂缝起裂准则，当井壁处最大拉伸应力达到岩石的抗拉强度σt 时，岩石破裂：
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.3 裂缝起裂压力的影响因素分析
（1）最小水平主应力对起裂压力的影响分析
a. 正断层
正断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系
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汇报提纲
➢前 言 ➢水平井压裂裂缝起裂规律
➢水平井压裂裂缝延伸规律
➢结论与认识
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3.水平井压裂裂缝延伸规律研究 3.1 裂缝延伸数学模型 3.1.1水力裂缝应力强度因子计算
在水力压裂中I型裂纹是最常见的
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3.水平井压裂裂缝延伸规律研究 3.1 裂缝延伸数学模型 对于二维裂缝来说，I型张开型的裂缝应力强度因子以下式 表达：
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3.水平井压裂裂缝延伸规律研究
改进的拟三维模型
模型的建立基于以下假设： ①裂缝两翼以井筒为轴对称分布；②盖层、产层、底层为均质连续 弹性体；③裂缝尖端处至少等于产层厚度。
(1） 应力强度因子计算 三维裂缝在无限大地层中的延伸模型，其应力强度因子
计算如下式:
三维延伸模型中井筒位于裂缝的中心时：
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汇报提纲
➢前 言
➢水平井压裂裂缝起裂规律
➢水平井压裂裂缝延伸规律 ➢结论与认识
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
水平井压裂裂缝起裂规律研究
建立水平井井筒应力分布模型； 进行了裸眼完井水平井裂缝起裂压力计算，并构建了 裂缝起裂方位预测模型；
进行了射孔完井水平井裂缝起裂压力计算，并构建了 裂缝起裂方位预测模型；
裂缝起裂压力:井壁发生破裂时的井筒内压力; 裂缝起裂角:裂缝面与井眼轴线之间的夹角 (规定从裂缝面沿顺时针方