2天然裂缝的开启压力确定

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天然裂缝性地层清水压裂模拟实验研究的开题报告

天然裂缝性地层清水压裂模拟实验研究的开题报告1. 研究背景和意义天然裂缝性地层是典型的非均质多孔介质，其水文地质特性非常复杂，具有明显的渗透阻力和孔隙结构异质性。

在充分认识天然裂缝性地层的基础上，开展清水压裂技术研究和应用，有利于提高油气田勘探和开发效率，促进能源行业可持续发展。

因此，对天然裂缝性地层清水压裂进行模拟实验研究，对探究水力压裂机理、深入了解水力压裂作用及演化规律、提高水力压裂技术水平具有重要意义。

本研究旨在针对天然裂缝性地层开展清水压裂模拟实验，揭示其水力压裂机理和压裂过程，探寻一种高效具有实际应用价值的水力压裂方法。

2. 研究内容和方向本研究主要致力于对天然裂缝性地层进行清水压裂模拟实验研究，并分别从实验前的样品采集、实验设计、实验参数确定、实验设备选择与搭建、实验结果分析等方面开展深入研究。

具体研究内容包括：（1）选取典型的天然裂缝性地层岩石样品进行采集、测试和分析，研究其基本物理性质及水文地质特征。

（2）结合储层分析和地质勘探资料，设计科学合理的清水压裂实验方案，确定实验参数。

（3）选择适合的实验设备，规划实验进程，建立水力压裂实验平台。

（4）进行实验试验，收集实验数据，并对实验结果进行综合分析和评价，揭示天然裂缝性地层的水力压裂机理和压裂过程。

（5）对实验结果进行模拟和预测，探索一种高效具有实际应用价值的水力压裂方法。

3. 研究方法和技术路线本研究采用实验研究为主要手段，结合计算机模拟方法，全面细致地研究天然裂缝性地层的水力压裂机理和过程。

具体的技术路线分为以下几个步骤：（1）样品采集与分析：选取典型的天然裂缝性地层岩石样品进行采集、测试和分析，研究其基本物理性质及水文地质特征。

（2）实验设计和参数确定：在充分了解天然裂缝性地层的特点和场地环境的基础上，结合储层分析和地质勘探资料，设计科学合理的清水压裂实验方案，并确定实验参数。

（3）建立实验平台：选择适合的实验设备，规划实验进程，建立水力压裂实验平台。

注水诱导裂缝动态特征及数值模拟研究

嵌入式离散裂缝模型( EDFM) 由 Lee 等 [14] 提
出,其主要优点为裂缝系统和基质系统相对独立,
改变裂缝的分布时无需重新对基质网格进行划分。
Yang 等 [15] 基于 EDFM 提出了一种适用于注水诱
导裂缝的高效数值模拟方法,即动态嵌入式离散裂
缝方法( dEDFM) ,但仅研究了张性裂缝的直线扩
展过程,而受古构造运动的影响,砂岩油藏中一般
发育天然裂缝,在注水诱导裂缝的扩展过程中发生
主裂缝与天然裂缝相遇形成交叉裂缝扩展的情况,
导致 dEDFM 的准确性降低。因此, 对 dEDFM 进
行前处理算法的动态改进,使其能够模拟复杂天然
裂缝分布下注水诱导裂缝的扩展过程。
模型中考虑油水两相的渗流问题。以油相为
力,Pa;p of 为与井筒相连裂缝单元的流体压力,Pa;
r em 为与基质网格相连井筒的等效半径,m;r ef 为与
1 高效注水诱导裂缝数值模拟方法
▽(
q ofw 为油相由井筒向裂缝的注入量,m 3 / s;p wf 为井
(1)
(2)
式中:K m 、K f 分别为基质渗透率和裂缝渗透率,mD;
的距离,m;θ 为目标方向与 x 轴的夹角,°;K Ⅰ 为Ⅰ
Key words: ultra-low permeability reservoir; waterflood-induced fracture; cross fracture; numerical simulation
0 引言
鄂尔多斯盆地 Y2 超低渗透油藏存在初期产
量低、产能递减迅速等问题,通常采用面积注水的
模拟方法能够高效模拟油藏注水开发过程中裂缝的动态变化,反映天然裂缝对于主裂缝扩展

人工压裂裂缝的检测

人工压裂裂缝的检测人工压裂直接关系到压裂效果。

压后产量及其稳产效果等都决定于人工裂缝的几何尺寸和裂缝方位，而裂缝方位有直接关系到井区的井网布置和开发政策。

压裂后对所产生裂缝的几何形态的检测是压裂施工的一项重要工作。

对目前国内外广泛采用几种不同的检测方法来综合分析。

裂缝高度的检测目前对水力压裂裂缝高度的检测技术中，效果比较好的有油井温度测量法和放射性同位素示踪法。

油井温度测量法是在压裂前先测出地层基准温度剖面，然后在压裂时将冷或热的压裂液压入裂缝中，在压裂结束后测的井温曲线在裂缝段会发生温度异常，根据井温曲线上的温度异常范围来确定裂缝的高度。

放射形同位素示踪法又分为两种方法，一是在支撑剂中加入示踪剂，压裂结束后用伽玛射线测井法测量裂缝中的放射形示踪剂确定裂缝的高度。

二是在施工的最后，在压裂液中加入示踪剂，再进行伽玛射线测井。

裂缝方位和几何尺寸的检测目前检测裂缝的方位和几何尺寸的主要方法是在裸眼井中用下井下电视测量、微地震测量、无线电脉冲测量等方法对裂缝进行探测，通过传送系统在地面进行实时显示，根据图象观察和分析裂缝的方位和几何形态。

地层人工裂缝监测方法有诸多，其中以微地震方法最为及时、直接、可靠。

当压裂井实施压裂形成人工裂缝时，沿裂缝面必然出现微震，微震震源的分布反映了人工裂缝的轮廓。

根据监测结果可以汇出裂缝的形态、方位、高度、产状，从而弄清油田地应力方向。

井温测井可用来评估水力裂缝高度，通常可根据压裂作业后很短时间进行的关井测井曲线上的高温异常或低温异常来确定。

挤入的压裂液一般比被压裂地层的的温度低，在压裂过程中，低温压裂液被挤入裂缝，而井周未被压裂的地层散热从而降温。

关井后，对应着未压开地层的井眼部位，通过非稳态的辐射热传导方式，温度逐渐转回至地热温度;在被压开地层段，主要以热传导方式升温。

由于辐射热交换比热传导交换的速度快，因此被压开地层的升温相对慢，所以在相应的井温曲线上呈现低温异常。

利用动态资料识别裂缝油藏注水后，注入水很容易沿裂缝窜进，使沿裂缝方向上的采油井见水快，油藏含水上升快，可能在很短的时间内就进入高含水阶段，而位于裂缝两侧的油井见效慢，压力恢复慢。

体积压裂

体积压裂1体积压裂体积压裂是指在水力压裂过程中，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，从而增加改造体积，提高初始产量和最终采收率。

1.1体积压裂机理体积压裂的作用机理：通过水力压裂对储层实施改造，在形成一条或者多条主裂缝的同时，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，实现对天然裂缝、岩石层理的沟通，以及在主裂缝的侧向强制形成次生裂缝，并在次生裂缝上继续分支形成二级次生裂缝，以此类推，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络。

从而将可以进行渗流的有效储层打碎，实现长、宽、高三维方向的全面改造，增大渗流面积及导流能力，提高初始产量和最终采收率。

1.2体积压裂的地层条件1)天然裂缝发育，且天然裂缝方位与最小主地应力方位一致。

在此情况下，压裂裂缝方位与天然裂缝方位垂直，容易形成相互交错的网络裂缝。

天然裂缝的开启所需要的净压力较岩石基质破裂压力低50%。

同样，有模型研究复杂天然裂缝与人工裂缝的关系，以及天然裂缝开启的应力变化等，建立了天然裂缝发育与扩展模型，研究表明，在体积改造中，天然裂缝系统会更容易先于基岩开启，原生和次生裂缝的存在能够增加复杂裂缝的可能性，从而极大地增大改造体积。

2)岩石硅质含量高(大于35%)，脆性系数高。

岩石硅质(石英和长石)含量高，使得岩石在压裂过程中产生剪切破坏，不是形成单一裂缝，而是有利于形成复杂的网状缝，从而大幅度提高了裂缝体积。

3)敏感性不强，适合大型滑溜水压裂。

弱水敏地层，有利于提高压裂液用液规模，同时使用滑溜水压裂，滑溜水黏度低，可以进入天然裂缝中，迫使天然裂缝扩展到更大范围，大大扩大改造体积。

2太沙基有效应力原理太沙基（K. Terzaghi）早在1923年就提出了有效应力原理的基本概念，阐明了粒材料与连续固体材料在应力--应变关系上的重大区别，从而使土力学成为一门独立学科的重要标志。

σσ+μ=’式中σ为平面上法向总应力, kPa; σ′为平面上有效法向应力, kPa; μ为孔隙水压力, kPa。

天然裂缝影响下水力裂缝扩展的、数值建模分析

工程。Ｅｍｉｘｈ９７１３ｅｍ。－ａｌｇ１７＠６．ｏ：
裂缝影响并改变了储层中的地应力分布格局。 ② 伴随着水力裂缝的动态扩展，然裂缝会发天
２５期
肖光辉，：等天然裂缝影响下水力裂缝扩展的数值建模分析
６６４３
建立了包括裂缝内流体运动、地层流体渗流和储层应力变形的水力裂缝扩展理论模型方程，用图形建模数值方法，运分析得到低渗透岩石天然裂缝对水力压裂裂缝开展的影响：天然裂缝对水力裂缝端部应力场的改变形成混合裂缝扩展形式；位于水
力裂缝端部拉张区域的张性天然裂缝，因为压裂液漏失和因路径改变产生的摩阻力，造成水力裂缝内有效驱动压力耗散，影
研究和压裂方案设计。
现有的水力裂缝扩展模拟方法是首先假定一
初始长度和宽度的半椭圆型或半圆型裂缝，得缝求
内流体压力和速度的一维或二维分布；后根据Ｉ然
１天然裂缝对水力裂缝扩展的影响原因分析
水力压裂问题的核心本质是地层岩石在流体压力作用下的变形及破裂过程。水力裂缝的扩展直接受压裂液的流体特性及岩石力学性质所控制。
第１２卷
第２５期
２１０２年９月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ．１Ｎｏ５Ｓｐ．２０１１２．２ｅ２
１７ — １１（０２２ —４２０６１８５２１）５６６ —５

测井资料在裂缝识别评价中的应用

泥质条带:泥质质条带的高电导异常一般平行于层面且较规则，仅当构造运动强烈而发生柔性变形才出现剧烈弯曲，但宽窄变化仍不会很大；而裂缝则不然，其中总常有溶蚀孔、洞在一起，使电导率异常宽窄变化很大。
层界面常常是一组相互平行的或接近平行的高电导异常，且异常宽度窄而均匀。
但裂缝由于总是与构造运动和溶蚀相伴生，因而高电导异常一般既不平行，又不规则

图为典型的诱导缝,在FMI 图像上呈小 “八”字型,且未切穿砾石,为地应力各向异性形成。
真实性识别

缝合线:由于缝合线是压溶作用的结果，可存在于任何沉积岩中，因而一般平行或接近于层界面，呈薄层的锯齿状，大多数是不规则、不连续的平面，两侧有近垂直的细微高电导异常，通常都不具有渗透性。

1 裂缝评价 1.1 真实性评价 (1)张开裂缝 (2)闭合裂缝 (3)钻井诱导裂缝 (4)真实性识别 1.2 有效性评价 (1)裂缝的张开程度 (2)裂缝的径向延伸 (3)裂缝的渗透性 1.3 填充性评价

填充性评价方法
裂缝性地层一般具有各向异性的特征，横波在各向异性地层中传播时会发生分裂现象，根据该快慢横波的强弱变化可指示地层的各向异性的大小。实际资料进一步证实：泥质充填或方解石充填的高角度裂缝只有微弱的各向异性，而未充填裂缝有很强的横波各向异性。幅度衰减程度与裂缝的充填物质也有关系。当裂缝被流体充填，衰减幅度增大，裂缝为有效裂缝; 当裂缝被固体矿物所充填，衰减幅度较小，表明裂缝有效性较差。

利用交叉偶极声波测井可准确提取出地层纵波、横波和斯通利波，还可计算其各自在不同接收器上的声波幅度，进而计算出相应的衰减数据，根据衰减程度可判断裂缝发育井段、发育类型。另外，斯通利波对地层渗透性较敏感，通过计算斯通利波的透射和反射系数可评价裂缝带的渗透性。

小型压裂测试

小型压裂测试：采用小体积，且与正式压裂相同的压裂液进行不加砂压裂试验。其目的是通过小型压裂测试来确定流体滤失特性、压裂液的有效利用率及裂缝形成和延伸扩展压力的特性及摩阻大小。根据测试求得的能够及时调整压加压裂前置液用量和排量，施工规模应根据小型压裂结果进行调整。小型压裂测试的基础是测定瞬时停泵压力和压后压力恢复数据。采用正式加砂压裂相同的压裂液，一般用量20m3左右。在正常情况下，为了地层不受液体滤失而增加空隙压力的影响，较准确地测定局部地应力，应注入少量液体地层破裂后瞬时停泵一次。其测试步骤如下： 1.液量20m3，然后停泵5分钟。采用变排量由低逐渐增高注入，分析不同阶段、不同排量的压力变化。判断孔眼摩阻是否过高而需重新射孔。当排量达到正式压裂所设计规模时，分析泵压变化。若井筒及裂缝摩阻过高，使得泵压超过油管或压裂设备要求，则根据现场实际情况调整注入规模。 2.重新起车，以调整后的压裂规模注入10m3左右同性质的压裂液。此过程能够通过裂缝延伸扩展时的压力变化规律，分析判断隔层的遮挡强度或裂缝内液体滤失情况以及天然裂缝发育的程度等储层的地质影响因素。 3.关井后测试压力60分钟左右，以录取压降数据。通过压力恢复阶段的分析及拟合计算，可以得到裂缝的闭合时间、闭合压力以及压裂液的综合滤失系数及压裂效率，判断地层的渗透性质。利用压降数据进行拟合计算获得压裂液综合滤失系数，是一个需要花费大量的时间，而在压裂施工现场时间是宝贵的。在不允许长时间进行压力拟合计算时，可通过两种现场简单公式计算获得，即通过上述的两次瞬时关井压力及时间求得压裂液的综合滤失系数和压裂液滤失效率。公式： VLP：泵注期间的滤失体积

2.通过压降过程中压力与时间的曲线的变化，判断出裂缝的闭合时间。由裂缝的闭合时间与注入时间的无因次时间关系曲线，查找出压裂液的有效利用率。通过压裂液利用效率与滤失系数的间接关系公式，求得C。

即：VC=ef×Q×t

(一) 裂缝的基本参数

（一）裂缝的基本参数对于一个裂缝组系来说，裂缝的基本参数是指裂缝的宽度、大小、产状、间距、密度、充填性质等。

这些参数可在野外露头和岩心上直接测量，也可以利用测井资料间接求取。

1. 裂缝宽度（张开度）裂缝宽度，也叫张开度（或叫开度），是指裂缝壁之间的距离。

这个参数是定量描述裂缝的重要参数，它与裂缝孔隙度和渗透率，特别是渗透率的关系很大。

裂缝宽度可以在露头表面、岩心及铸体薄片上直接测得，也可以通过测井间接求取。

斯伦贝谢公司A. M. Sibbitt et al. （1985）仅对最简单的一条裂缝（水平或垂直）用二维有限元法进行了数值计算，得出双侧向测井解释方法。

他们没有考虑不同角度、多组裂缝的情况，得到了计算一条裂缝宽度的公式。

垂直裂缝：油气田开发地质学水平裂缝：油气田开发地质学式中：b——裂缝宽度，mm；C LLD，C LLS——深、浅双侧向电导率，S/m；C m ——泥浆电导率，S/m；C b——基质电导率，S/m。

周文（1998）提出了垂直（近垂直）裂缝的双侧向测井计算公式：油气田开发地质学式中：b——裂缝宽度，μm；g d，g s——深、浅双侧向几何因子；α——裂缝平均倾角，（°）；D d，D s——深、浅双侧向电极探测深度（根据测量仪系列选定），m；r——井筒半径，m；H——侧向测井聚集电流层厚度，m；R LLD，R LLS——深、浅双侧向电阻率，Ω·m；R m——泥浆电阻率，Ω·m。

2. 裂缝的间距裂缝间距是指两条裂缝之间的距离。

对于岩石中同一组系的裂缝，应对其间距进行测量。

所谓同一组系裂缝，是指那些具有成因联系、产状相近的多条裂缝的组合。

裂缝间距变化较大，由几毫米可变化到几十米。

裂缝间距小于井径时，要在岩心上进行观测，并统计裂缝的间距。

观测过程中要注意不同岩性中裂缝间距的变化和裂缝间距的级别。

裂缝间距大于井径时，在岩心上是无法直接观测裂缝间距的，因而至今尚无一种较好的估算裂缝间距的方法。

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2天然裂缝的开启压力确定
储层裂隙岩体中存在着大量的孔隙或裂隙，这些缺陷不但大大地改变了岩体的力学性
质，也严重影响着岩体的渗透特性。在油田开发工程中，确定天然裂缝的开启压力是十分必
要的。水力裂缝的扩展准则目前研究的比较多，而对天然裂缝扩展研究较少。目前应用较多
的有如下几种判断天然裂缝开启压力的方法：
1）．基于岩石力学理论，以天然裂缝面为研究对象，在考虑孔隙压力作用下建立力的平

衡方程得到的裂缝的张开压力。设最大主应力与天然裂缝面法线夹角为，则裂缝面与最

大主应力之间的夹角为2，作用在天然裂缝面上的正应力n为：
1313
cos222n

图1 共线多天然裂纹
天然裂缝张开压力[]：

fnfp
PSP

式中，fP为天然裂缝张开压力；fS为天然裂缝抗张拉强度；pP为油层孔隙压力。
2）．在注水开发中裂缝开启顺序及能力决定于裂缝走向与最大主应力之间的夹角，最小
主应力越小，夹角越小，裂缝开启压力越小，反映注水压力越低。天然裂缝反之，天然裂缝
不易开启，注水压力越高。其裂缝开启压力公式如下：

maxminmin
()sinPHFFF

式中：P为裂缝开启压力；H为油层某一深度；为裂缝与最大水平应力夹角；
max

P
p

B1
y
x
β
σ
1

σ
3

σ
1

σ
N

σ
S
σ

Bn
An

Cn
Dn

σ
3
为最大水平应力梯度；minF为最小水平应力梯度。
3）．压降分析方法。
绘制以无因次时间函数G为横坐标、井底压力wP为纵坐标的压降曲线，/wdPdG持续

不变时，此时水力裂缝还处于闭合阶段，天然裂纹未开启。在/wGdPdG与G的关系图中，
当/wGdPdG为直线时，通常认为此时无因次时间G对应的压力为天然裂缝的闭合压力，
即近似认为为天然裂缝的开启压力。[]
诸如Griffith准则，Nolte方法等在。经实践证明，Nolte方法计算结果偏大；Griffith准
则在受拉断裂较准确，而压剪作用下的计算结果偏差较大；岩石力学计算方法相对比较精确，
但需要知道天然裂缝的角度，对于一般的矿场运用不是十分方便；压降分析方法结果大体准
确，运用十分方便，但是整个曲线的获得是在压裂后形成的，在压裂前无法做到预测，因此
工程应用具有一定的局限性。