第六章 水力压裂

第六章水力压裂

水力压裂(hydraulic fracturing)是利用地面高压泵组，以超过地层吸液能力的排量将高粘压裂液泵入井内而在井底产生高压，当该压力超过井壁附近地应力并达到岩石抗张强度，使地层产生裂缝。继续注入压裂液使水力裂缝逐渐延伸；随后注入带有支撑剂的混砂液，使水力裂缝继续延伸并在缝中充填支撑剂。停泵后，由于支撑剂对裂缝壁面的支撑作用，在地层中形成足够长的、足够宽的填砂裂缝，从而实现油气井增产和注水井增注。图6-1为水力压裂作业示意图。

水力压裂的增产增注机理主要体现在：(1) 沟通非均质性构造油气储集区，扩大供油面积；(2) 将原来的径向流改变为线性流和拟径向流，从而改善近井地带的油气渗流条件；(3) 解除近井地带污染。

水力压裂主要用于砂岩油气藏，在部分碳酸岩油气藏也得到成功应用。

图6-1 水力压裂作业示意图

1—混砂车；2—砂车(罐)；3—液罐（组）；4—压裂泵车(组)；5—井口；6—压裂管柱；7—动态裂缝；8

—支撑裂缝；9—压裂液；10—储层

本章从水力压裂系统工程角度全面阐述压裂造缝机理、压裂液材料性能与评价方法、裂缝延伸模拟、支撑剂在裂缝中运移分布、水力压裂设计和水力裂缝诊断评估方法，并扼要介绍水力压裂技术新发展。

第一节水力压裂造缝机理

水力压裂裂缝的形成和延伸是一力学行为，水力裂缝的形态与方位对于有效发挥压裂对储层的改造作用密切相关，必须掌握水力压裂的裂缝起裂与延伸过程的力学机制。本节从地应力场分析及获取方法入手介绍水力裂缝的形成机理、造缝条件、裂缝形态与方位、破裂压力预测方法。

图6-2为水力压裂施工泵压变化的典型示意曲线。F点对应于地层破裂压力（使地层破裂所需要的井底流体压力），E点为瞬时停泵压力（即压裂施工结束或其它时间停泵时的压力），反映裂缝延伸压力（使裂缝延伸所需要的压力），C点对应于闭合压力（即裂缝刚好能够张开或恰好没有闭合时的压力），S点为地层压力。压裂过程中的泵压是地应力场、压裂液在裂缝中流动摩阻和井筒压力的综合作用结果。

在致密地层，首先向井内注入压裂液使地层破裂，

然后不断注液使压裂缝向地层远处延伸。显然，地层破裂压力最高，反映出注入流体压力要克服由于应力集中而产生的较高井壁

应力以及岩石抗张强度。一旦诱发人工裂缝，井眼附近应力集中很快消失，裂缝在较低的压力下延伸，裂缝延伸所需要的压力随着裂缝延伸引起的流体流动摩阻增加使得井底和井口压力增加。停泵以后井筒摩阻为零，压裂缝逐渐闭合，施工压力逐渐降低。

对于高渗透地层或存在裂缝带，地层破裂时的井底压力并不出现明显的峰值。

一、地应力场分析与测量

地下岩石的应力状态通常是三个相互垂直且互不相等的主应力(principal stress)。地应力场不但影响到水力压裂造缝过程，而且通过井网与人工裂缝方位的配合关系影响到油藏开发效果。

1．地应力场

存在于地壳内的应力称为地应力(in-situ stress)，是由于上覆岩层重力、地壳内部的垂直运动和水平运动及其它因素综合作用引起介质内部单位面积上的作用力。包括原地应力场和扰动应力场两部分。前者主要包括重力应力、构造应力、孔隙流体压力和热应力等；后者主要是指由于人工扰动作用引起的应力。

1）重力应力场

是指沉积盆地中的储层受到上覆岩层重力作用而形成的应力分布。上覆岩层重力为 （6-1）

式中σz ——深度H

处的垂向应力； ρr (h )

——随深度变化的上覆岩体密度；

H ——压裂层位深度。

在地层中孔隙流体压力作用下，部分上覆岩层的重力被孔隙流体压力所支撑。但由于颗粒间胶结作用，孔隙压力并未全部支撑上覆地层压力，因而有效垂向应力为

（6-2）

式中α——孔隙弹性常数。

Terzaghi 认为：地层岩石变形由有效应力引起。假设地层岩石为理想的均质各向同性线弹性体，弹性状态下垂向载荷产生的水平主应力分量由广义胡克(Hook) 定律计算。

⎰=H

r z gdh

h 0

)(ρσS z z p ασσ-=施工时间

a a

(6-3)

式中

，—分别为地层水平面x 和y 方向的有效应力；

，—分别为地层水平面x 和y 方向的应变；

E ，—分别为地层岩石杨氏弹性模量和泊松比。

E 和ν为岩石力学参数，典型值见表6-1。它们与岩石类型和所受到的围压、温度有关。

表6-1 常见岩石的泊松比与杨氏模量

因岩体水平方向上应变受到限制，即εx =0，εy =0。则泊松效应引起的水平应力场为

（6-4）

砂岩的泊松比一般在0.15~0.27之间。泊松比越大，水平主应力越接近垂向应力。考虑孔隙流体压力后的地层水平主应力为

（6-5）

2) 构造应力场

构造应力场是指构造运动引起的地应力场增量。它以矢量形式迭加在地层重力应力场中，使得水平主应力场不均匀。一般而言，在正断层和裂缝发育区是应力释放区，例如，正断层中的水平主应力可能只有垂向应力的1/3，而在逆断层或褶皱地带的水平应力可以大到垂向应力的3倍。通常，构造应力场只有两个水平主应力，属于水平的平面应力状态，而且挤压构造引起挤压构造应力，张性构造引起拉张构造应力。

3) 热应力场

热应力场是指由于地层温度变化在其内部引起的内应力增量，与温度变化量和岩石性质有关。油田开发中的注水、注蒸汽和火烧油层等可以改变油藏的主应力大小，甚至主应力方向。

将油藏边界视为无穷大，考虑其侧向应变受到约束，温度变化引起的水平应力增量∆σx ，∆σy 为

（6-6）

式中αT ——岩石热膨胀系数；

()[]

()[]

⎪⎪⎩⎪⎪⎨

⎧+-=+-=x z y y z y x x E E σσνσεσσνσε11x σy σx εy ενz

y x σν

ν

σσ-=

=1[]S

S z y x p p αασν

ν

σσ+--=

=1νασσ-∆=

∆=∆1T

E T y x