地应力改变对水力裂缝扩展的模拟实验研究

地应力改变对水力裂缝扩展的模拟实验研究卜向前;周大伟;李向平;吕宝强;张广清【摘要】采用RTM-1大尺寸岩石三轴力学性质测试装置测试人工试件(300×300×600 mm3),模拟在改变水平地应力方向及大小的条件下,研究重复压裂裂缝的形成和扩展过程:已有裂缝的偏转和新裂缝的形成.实验结果表明:①重复压裂形成新裂缝的过程中,已有裂缝会重张、起裂偏转,已有裂缝的偏转主要以剪切破坏形式为主;②水平地应力发生改变时,不一定就产生新裂缝:-Kh越小,已有裂缝越容易发生偏转;-Kh越大,已有裂缝壁面上越容易产生单翼新裂缝,产生新裂缝临界条件是-K'h =5/7;③注入速率Q对新裂缝的产生影响较大:当Q较小时,已有裂缝壁面上不易产生新裂缝,仅发生已有裂缝的偏转;当Q较大时,已有裂缝壁面上容易产生单翼新裂缝.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)035【总页数】5页(P24-28)【关键词】地应力改变;已有裂缝偏转;新裂缝;物模实验;地应力差异系数K'h【作者】卜向前;周大伟;李向平;吕宝强;张广清【作者单位】长庆油田分公司油气工艺研究院,西安710021;中国石油大学(北京)石油天然气工程学院,北京102249;长庆油田分公司油气工艺研究院,西安710021;长庆油田分公司油气工艺研究院,西安710021;中国石油大学(北京)石油天然气工程学院,北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE31920世纪80年代，国外研究逐渐认识到重复压裂并不仅仅是已有裂缝的张开及延伸扩展，而是产生了与已有裂缝方位不同的新裂缝[1]。

Chevron石油技术公司在美国的LostHill油田，利用倾斜仪测量重复压裂裂缝方位，发现其与初次裂缝方位相差约30°。

20世纪90年代研究发现注采井的注入、生产活动引起地层压力下降，导致水平地应力方向发生改变，Warpinsk和Branagan[2]提出了改变地应力压裂概念，通过现场压裂测试指出压裂施工可以改变邻井周围的就地应力场。

Mack和Elbel[3]发现压裂生产井经过长时间生产后，平行于水力裂缝方向地应力要比垂直方向的地应力递减速度快。

Roussel和Sharma[4]基于数值模拟结果指出水力裂缝中含有的支撑剂会改变裂缝周围的地应力状态。

张广清等[5]研究了重复压裂最佳时机的影因素，指出远场地应力差、弹性模量、已有裂缝长度和宽度是新裂缝是否产生的决定性因素,而生产压差、储层渗透率、孔隙度和流体粘度是最佳重复压裂时机的决定性因素。

2000年以后，很多油田进入开发中后期，尤其是低渗透油藏已经进入高含水期，胡永全[6]提出了封堵老缝压新缝的重复压裂技术，即采用一种高强度的裂缝堵剂有选择性的进入并有效封堵已有裂缝和射孔孔眼；目前国内很多油田采用暂堵压裂技术，即在已有裂缝张开的同时进行暂堵，开启侧向微裂缝，提高储层改造波及系数、减少死油区，施工结束后暂堵剂溶解返排，堵剂对储层不造成危害，苏良银等[7]采用XZ-1型油溶性暂堵剂对鄂尔多斯盆地进行了现场实验，压裂后增产效果显著。

谈士海[8]通过改变围压条件进行了水力压裂物理模拟实验，证实了重复压裂造缝的可能性，但是关于改变应力压裂的室内实验研究实验数据量少、分析不充分。

1.1 实验装置实验研究采用中国石油大学(北京)自行研制开发的RTM—1大尺寸岩石三轴力学性质测试装置，本实验系统由大尺寸岩石三轴力学性质实验架、JLB170—100双腔恒速恒压计量泵、气动控制系统、液压站、声发射仪及其他辅助装置组成，如图1所示。

该实验系统可测试最大尺寸为300×300×600mm3的试件。

1.2 试件制备实验采用人工水泥试件，水泥为PC32.5R复合硅酸盐水泥，砂为40～70目的石英砂，水泥∶砂按质量比1∶1混合浇筑而成。

经过测试，水泥试件的平均单轴抗压强度为27.98MPa，抗拉强度为3.55MPa。

实验测试了6块人工试件，试件及应力加载示意图如图2所示。

1.3 实验过程将试件放置在RTM—1大尺寸岩石三轴力学性质测试装置实验架上，然后进行初始三向主应力的加载，实验采用清水压裂，清水中添加红色染色剂。

本次实验加载的初始三向主应力σv-σH-σh均为10-4-1MPa，已有裂缝形成后立即停止注入压裂液，变化水平地应力。

由于已有裂缝的张开，导致了σh方向应力的增加幅度要比σH方向的大，因此本文的σh由1MPa直接变为8MPa，σH由5MPa逐步(步长为1MPa)增加为7MPa，每一步加载完成后，注入压裂液，往复循环该过程直至实验结束。

地应力差异系数的计算公式如式(1)所示，水力压裂实验参数的设置如表1所示。

式(1)中地应力差异系数为应力变化后最大水平主应力为应力变化后最小水平主应力。

剖切试件后直接观察裂缝扩展形态，同时结合压裂液注入压力曲线进行分析。

实验过程中采用了不同的排量Q、应力变化大小及变化次数，实验结果显示6个试件均产生了新裂缝或已有裂缝偏转。

3#，4#试件产生了新裂缝，且已有裂缝发生了偏转，偏转方位角较大，新裂缝扩展距离较长；2#，5#试件产生了新裂缝，已有裂缝未发生偏转；1#，6#试件只发生了已有裂缝偏转，偏转方位角较小。

由2#，5#试件可知时产生新裂缝，排量Q主要影响了新裂缝的扩展距离。

由于不同的实验参数设置，出现了两种裂缝形态，因此本文选取了代表两种裂缝形态的1#和3#试件。

2.1 已有裂缝偏转1#试件进行了一次应力变换，由于缝内压力值较小，该压力不足以在裂缝壁面上产生新裂缝。

根据Daneshy[9]的裂缝非平衡扩展理论指出水力裂缝总是沿着最小阻力方向扩展，已有裂缝尖端的阻力要比裂缝壁面上的阻力要小，因此水力裂缝首先在裂缝尖端处起裂，形成了以剪切破坏形式为主的已有裂缝偏转，如图3(a)所示。

同时结合1#试件的压裂液注入压力-时间曲线可知，变化应力后注入压力不断上升且波动不明显，也说明了水力裂缝一直在发生偏转。

Peichao Li[10]指出裂缝偏转过程中剪切破坏和拉伸破坏起着同样主要的作用，Daneshy[9]也指出水力裂缝发生偏转时一定伴随着分支缝和剪切裂缝产生，如图3(b)所示。

试件内部微裂隙、孔洞随机分布，压裂液会优先突破阻力较小的水力裂缝尖端，沟通微裂隙、孔洞通道，水力裂缝非均衡向前扩展，进而形成宏观上的裂缝，1#试件的裂缝边缘呈放射状分布，形成剪切破坏。

传统的水力压裂理论基本都是基于Hubbert和Willis[11]，Haimson和Fairhurst[12]的拉伸破坏准则的单裂缝模型，但是剪切破坏在压缩应力状态下确实存在，比如钻井过程中的井眼坍塌现象，Chitrala等[13]通过声发射装置检测致密砂岩在不同应力状态下的扩展机理，发现了裂缝扩展过程中剪切破坏比拉伸破坏更容易形成。

周建等[14]通过实验了在低水平应力差情况下，水力裂缝与天然裂缝干扰后，闭合的天然裂缝张开，易发生剪切破坏，同时也指出了地应力差、低逼近角或摩擦因数小是天然裂缝发生剪切破坏的原因。

2.2 产生新裂缝3#试件经过了两次应力变化，随着σH逐步减小，裂缝扩展具有一定的延伸惯性，裂缝仍然沿着已有裂缝扩展或发生偏转，形成已有裂缝偏转，如图4(a)所示。

同时已有裂缝壁面开始起裂形成新裂缝，该两条新裂缝是非双翼对称新裂缝。

由3#试件的压裂液注入压力-时间曲线可知，变化应力后注入压力曲线波动比较明显，产生了多条裂缝如图4(b)所示的两条单翼新裂缝a和新裂缝b，新裂缝b要比新裂缝a扩展距离长。

通过Comsol软件建立二维模型，模型的长宽比为2∶1，模拟上述实验过程。

首先进行初始应力场(σv-σH-σh=10-4-1MPa，缝内压力为6MPa)的计算，然后在初始应力场的基础上进行应力变化(σh变为8MPa，σH由4MPa逐步(步长为1MPa)变为8MPa，缝内压力为11MPa)计算，发现当应力由10-8-6MPa变为10-8-5MPa时，裂缝尖端周围的第一主应力等值线图变化明显，如图5所示。

同时结合实验结果可知，裂缝的扩展逐渐由产生已有裂缝偏转过渡到产生新裂缝，此时产生了明显的新裂缝。

通过人为改变地应力的方向及大小，模拟储层中由于生产注入活动等引起的地应力变化对水力压裂裂缝的影响，重复压裂裂缝扩展理论模型如图6所示。

重复压裂模型可以预测两条相交裂缝在不同应力状态下的裂缝扩展以及缝内压力变化，该模型可将重复压裂裂缝的扩展分为三个阶段，如图7所示。

1)新裂缝起裂及扩展；压裂液进入新裂缝的尖端，缝内压力迅速上升。

2)已有裂缝的重张；已有裂缝尖端处于稳定状态，尖端应力值为常数，缝内压力上升速率基本保持不变。

3)已有裂缝和新裂缝扩展；缝内压力迅速上升(砂堵引起压力变化)，已有裂缝尖端应力增加，已有裂缝开始起裂扩展，但其扩展速度迅速降低。

由以上实验可知新裂缝不仅在井筒附近产生，而且在已有裂缝壁面上也产生大量单翼新裂缝，同时已有裂缝发生偏转(非90°偏转)。

在进行重复压裂施工时，随着缝内压力的增加，沿已有裂缝壁面上σhmin方向的天然裂缝等薄弱点逐渐失稳，进而起裂扩展为新裂缝。

现场压裂井由于长时间生产后，支撑剂处于高围压应力状态下，支撑剂已经嵌入地层中，在封堵老缝压新缝或暂堵压裂可能存在如图8所示两种情况。

(1)堵剂或暂堵剂受到支撑剂的阻挡形成砂堵，压裂液沿着已有裂缝壁面上的微裂缝、孔洞等薄弱点起裂，形成已有裂缝壁面上的单翼垂直新裂缝，已有裂缝不再向前扩展。

(2)堵剂或暂堵剂对裂缝尖端没有形成有效的封堵，已有裂缝尖端发生偏转形成已有裂缝偏转，同时随着缝内压力的上升，已有裂缝壁面上形成单翼垂直新裂缝。

(1)重复压裂过程中形成新裂缝的同时，已有裂缝会重张、起裂偏转，已有裂缝的偏转主要以剪切破坏形式为主。

(2)水平地应力发生改变时，不一定就产生新裂缝越小，已有裂缝越容易发生偏转；越大，已有裂缝壁面上越容易产生单翼新裂缝，产生新裂缝临界条件是(3)注入速率Q对新裂缝的产生影响较大：当Q较小时，已有裂缝壁面上不易产生新裂缝，仅发生已有裂缝的偏转；当Q较大时，已有裂缝壁面上容易产生单翼新裂缝。

*通信作者简介：张广清(1975—),男,教授，博士,博士生导师。

研究方向：石油工程岩石力学与岩土工程。

E-mail:**********************.com。

【相关文献】1 李阳,姚飞,翁定为，等.重复压裂技术的发展及展望.石油天然气学报,2005;0(S5);789—791Li Y, Yao F, Weng D W,et al.Repeated fracturing technology development and prospects.Journal of Oil and Gas, 2005;0(S5);789—7912 Warpinski N R.Altered-stress fracturing.1988, Rocky Mountain Regional Meeting, Casper, 1989; 41(9):990—9973 Mack M G, Elbel J L.Hydraulic fracture orientation and pressure response during fracturing of producing wells.American Rock Mechanics Association,19944 Roussel N P, Sharma M M.Role of stress reorientation in the success of refracture treatments in tight gas sands,SPE Production and Operations, Nov.2012:346—3545 Zhang Q, Chen G M.Study of the optimal timing for refracturing.Petroleum Science & Technology, 2009;27(10):969—9836 胡永全,彭惠群.堵老裂缝压新裂缝重复压裂技术.西南石油学院学报,2000; 22(3):61—64Hu Y Q,Peng H Q.Repeated fracturing technology of seal old fracture and create new fracture.Journal of Southwest Petroleum Institute, 2000; 22(3):61—647 苏良银,庞鹏,达引朋,等.低渗透油田暂堵重复压裂堵剂用量优化与现场实验.断块油气田,2014,21(1):114—117Sun LY,Pang P, Da Y P, et al.The temporary plugging refracturing plugging agent optimization and field experiment in low permeable oil fields.Fault-Block Oil & Gas Field, 2014,21(1):114—1178 谈士海.低渗透砂岩油藏暂堵重复压裂技术研究.石油实验地质,2006;28(3):307—310Tan S H.Temporary plugging repeated low permeability sandstonereservoir fracturing technology research.Petroleum Geology and Experiment,2006;28(3):307—3109 Ali D A.Off-balance growth:a new concept in hydraulic fracturing.Journal of Petroleum Technology,2003;55(4):78—8510 Li P.Theoretical study on reorientation mechanism of hydraulic fractures.SPE，200811 Hubbert M K, Willis D G.Mechanics of hydraulic fracturing.Transactions of the American Institute of Mining and Metallurgical Engineers,1957;210:153—16312 Haimson B.Initiation and extension of hydraulic fractures in rocks.SPEJournal,1967;(3):310—31813 Chitrala Y,Moreno C,Sondergeld C,et al.An experimental investigation into hydraulic fracture propagation under different applied stresses in tight sands using acoustic emissions.Journal of Petroleum Science and Engineering, 2013; 108(3):151—16114 周健,陈勉,金衍,等.压裂中天然裂缝剪切破坏机制研究.岩石力学与工程学报, 2008;0(S1)：2637—2641Zhou J, Chen M, Jin Y, et al.The shear failure mechanism research of natural fracture during fracturing.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008;0(S1)：2637—2641。