水力压裂力学-1讲解

1.06
1 0.56 0.55
0.72
0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
年原油新增探明储量变化情况
7000 6000 5000 4000
5720
4922
5122 5008
4
467 3703
4804
5169
4303
4616 4168
➢ 固体力学描述由于流体压力变化引起的岩石变形或开裂； ➢ 断裂力学描述水力裂缝端部附近发生的破坏及裂缝延伸； ➢ 热力学描述压裂流体与地层间的热交换。
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一、绪论
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❖5 压裂工程与油藏工程的关系
油藏研究是水力压裂改造能否取得经济效果的重要基础。 主要包括：
➢ 储层的构造和建筑格架（储集体的构造条件）； ➢ 储层物性的空间分布； ➢ 储层内流体分布及其性质。 水力压裂是改造低渗、特低渗油气藏的重要手段 根据储层特点进行有针对性的压裂酸化设计与实施。
亚裂施工现场
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一、绪论
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❖3 水力压裂发展：有60多年的发展历史，大致分 为三个阶段
① 20世纪40年代末到60年代中期
水力压裂作为油井增产技术逐步得到发展，研究压裂工艺和改进压裂 材料的质量及开发化学剂。
② 20世纪70年代到80年代末
发展了大型水力压裂技术，开发了压裂酸化设计的各种数学模型，提 出了压裂力学的概念，压裂力学分析技术得到了进一步发展，压裂 设备的发展。
pb
3 2
1 2p T 2(1 )
(1 2 ) 2(1 )
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
σ2：水平最小主应力 σ1：水平最大主应力 Pp ：地层压力 γ：泊松比 T：岩石抗张强度
① 泵注具有一定粘性的压裂液，在井筒附近的储层内形成 高压，劈开地层形成裂缝并使之延伸；
② 继续注入混有支撑剂的携砂液，支撑剂运移到裂缝前端 ；
③ 施工结束后，压裂液化学破胶，成低粘状态，返排到地 面；
④ 地层中留下了一条由支撑剂的高导流能力的裂缝通道。
3
水力压裂过程
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2.地层压力（孔隙压力）
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
一般地层岩石含 有孔隙，孔隙中 含有流体，流体 承受的压力称为 孔隙压力。（石 油工程中称为地 层压力） 在油气藏开发过 程中，孔隙压力 是变化的。
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岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
3.有效应力
' Pp
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二、岩石力学
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③ 有效应力：作用在岩石骨架（颗粒）上的力。 ④ 地层破裂压力 ⑤ 裂缝闭合压力（闭合应力）：开始张开一条已存在的 裂缝所需流体压力。 ⑥ 裂缝延伸压力
⑦ 瞬时停泵压力 ⑧ 净压力 ⑨ 摩擦力：井筒摩阻，孔眼摩阻，裂缝内摩阻。
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σ’ ：有效应力，作用在岩石骨架（颗粒）上的力 σ ：地应力（总应力） Pp :孔隙压力（地层压力）
' Pp
α:孔隙弹性系数，表征孔隙压力对总应力 的反作用程度。
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4.地层破裂压力 使地层产生张性裂缝的压力 如果不考虑液体滤失
Pb 32 1 P T
如果考虑液体滤失
③ 20世纪90年代至21世纪初
水力压裂方案优化设计，材料研制，实时监测设备，计算机控制得到 了进一步完善和发展。
6
一、绪论
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❖4 水力压裂力学是对压裂工程中涉及到的一系 列力学行为的描述。
水力压裂力学涉及流体力学（包括渗流力学）、固体 力学、断裂力学和热力学。
➢ 流体力学描述单相、两相或三相流体在裂缝中的流动（包括 在多孔介质中的渗流力学）；
= l
l
③ 线弹性：对线弹性的材料，应力与应变关 系是线性的：
E
E成为弹性模量。
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二、岩石力学
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❖2 与压裂力学有关的几个力学概念
① 地应力：地壳或岩石圈中存在的应力，包括由 上覆岩体重力引起的应力和构造运动引起的应力 两部分。它决定了外力压裂裂缝的基本形态：水 平裂缝或垂直裂缝。 ② 地层压力（孔隙压力）：地层岩石孔隙所含流 体承受的压力，在油气藏开发过程中孔隙压力是 变化的。
9
8
地质储量 低渗 特低渗
8.29 7.44 7.34
7 6.15
6
5.62
5.21
5
4.24 4.57 4.28 4.39
4 3.73
6.28 4.15
3
2.66 2.95 2.94
2.73
2
2.00 0.78
1.26 1.24
1.15 1.38
2.29 1.47
1.02
1.02
1 .12.84 6
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水力压裂力学
单文文个（教人授简级高历级工程师）
2011.8
水力压裂力学
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1 绪论 2 岩石力学 3 流体力学与流变学 4 水力压裂模拟 5 压裂液与支撑剂 6 水力压裂设计 7 水力裂缝测试技术
一、绪论
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❖1 水力压裂是一项永远的增产技术 ❖2 水力压裂过程：
3000 2000 1000
0
2475
1603 1898 1085 1170 1240
2309
1394
年天然气新增探明储量变化情况
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水力压裂力学
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1 绪论 2 岩石力学 3 流体力学与流变学 4 水力压裂模拟 5 压裂液与支撑剂 6 水力压裂设计 7 水力裂缝测试技术
二、岩石力学
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截至2009年底，中石油累计探明石油地质储量中低渗透储量占40.6%， 探明天然气地质储量中低渗透储量占78.3%
近年新增石油储量中73%、新增天然气储量83%为低渗透
储量（亿吨）
1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009
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❖1 基本概念
① 应力：作用在单位面积上的力，当面积无限趋于 零时的极限，成为作用在某点的应力，应力单位是 N/㎡，简称为Pa（帕）。
z
y x
σzz
σyy σxx
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二、岩石力学
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② 应变：如果l是两点之间的原长，变形后 新的长度为l+Δl，则应变定义为：