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。

⎰=Hr z gdhh 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 ενzy x σννσσ-==1[]SS z y x p p αασννσσ+--==1νασσ-∆=∆=∆1TE T y x∆T ——地层温度增量。

2．地应力场确定地应力场确定包括地应力大小和方向。

主要手段主要有： 1) 水力压裂法由图6-3所示微型压裂(mini-frac)压力曲线计算应力场。

（6-7） （6-8）（6-9）式中—分别为地层破裂压力和裂缝重张压力；— 分别为岩石抗张强度和地层闭合压力。

2)实验室分析方法应用定向取心技术保证取出岩心样品的主应力方位与其在地层中主应力方位一致。

岩心从地下三向压应力状态改变到地面自由应力状态，根据岩心各方向的变形确定主应力方位和数值。

(1) 滞弹性应变恢复（ASR ）基于岩心与其承压岩体发生机械分离后所产生的应力松弛，按各个方向测量应变并确定主应变轴。

并假定主方向与原位应力主轴相同，按已知的弹性常数和上覆岩层载荷情况间接计算应力值。

(2) 微差应变分析（DSCA ） 从井底取出的岩心由于应力释放和应变恢复会发生膨胀，产生或重新张开微裂缝。

基于应变松弛作为“应力史”痕迹的思想，应变松弛形成的微裂缝密度和分布与岩心已经出现的应力下降成正比。

通过描述微裂隙分布椭球，即可揭示以前的应力状态。

根据和这些微裂缝相关的应变推断主应力方向，并从应3) 测井解释方法利用测井（主要是密度测井、自然伽玛测井、井径测井和声波时差测井以及中子测井、自然电位测井等）资料，首先基于纵横波速度与岩石弹性参数之间的关系解释岩石力学参数，再结合地应力计算模式获得连续的地应力剖面。

4) 有限元模拟 根据若干个测点地应力资料，借助于有限元数值分析方法，通过反演得到构造应力场。

强烈取决于根据研究工区所建立的地质模型、数学力学模型和边界条件。

此外，测定地应力方向的常用方法还有声波测定、井壁崩落法、地面电位法、井下微地震法和水动力学试井等方法。

r F t p p -=σcy p =σsr y x p p --=σσ3r F p p ,c t p ,σ图6-3 微型压裂压力曲线3．人工裂缝方位在天然裂缝不发育的地层，压裂裂缝形态取决于其三向应力状态。

根据最小主应力原理，水力压裂裂缝总是产生于强度最弱、阻力最小的方向，即岩石破裂面垂直于最小主应力方向，如图6-4所示。

当σz 最小时，形成水平裂缝（horizontal fracture ）；当σy 最小时，形成垂直裂缝(vertical fracture)。

(a) σz 最小 (b) σy 最小图6-4 水力压裂人工裂缝形态示意图对于显裂缝地层很难出现人工裂缝。

而微裂缝地层可能出现多种情况，人工裂缝面可以垂直于最小主应力方向；也可能基本上沿微裂缝的方向发展，把微裂缝串成显裂缝。

二、破裂压力地层岩石破裂前，井壁最终应力场为钻孔应力集中、向井筒注液产生的应力、注入压裂液径向滤失诱发应力的迭加。

基于最终应力分布结合岩石破裂准则确定破裂压力计算公式。

1．井壁最终应力分布1）井筒应力分布对于裸眼井，记井眼半径为r w 。

钻井完成后地层中应力分布可视为无限大均质各向同性岩石平板中有一圆形孔眼时的应力状态，如图6-5a 所示。

记压应力为正、张应力为负，根据弹性力学理论计算图中任意点 (r ,θ) 处的应力分布。

（6-10）式中σx 、σy —分别为x 方向和y 方向上的应力；σr 、σθ—分别为径向和周向（切向）上的应力； θ，r —任意径向与x 轴的极角和极半径； σr θ—计算点剪切应力。

⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+--=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+--+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=θσσσθσσσσσθσσσσσθθ2sin 32122cos 312122cos 34121244224422442222r r r r r r r r rr r r r r ww y x r w y x w y x w wy x w y x r图6-5a 钻井后地层受力物理模型图6-5b 钻井后的井壁应力分布由式（6-10）可知：离井壁越远，周向压应力迅速降低，径向压应力逐渐增加；而且大约几个井径之后，周向压应力降为原地应力，径向应力增加到原地应力。

如图6-5b 所示。

实际上，由于岩石的抗压强度比抗张强度大得多，而且钻井孔眼引起的应力集中使得井壁处应力大于原地应力，因此，水力压裂造缝时主要关心的应是井壁处的周向应力σθ。

通常记σx >σy ，则当θ=0︒或180︒，井壁处周向应力最小。

σθmin = 3σy -σx 当θ=90︒或270︒，井壁处周向应力最大。

σθmax = 3σx -σy 对于套管完成井，考虑到水泥环与岩石的力学性质比钢材与岩石的力学性质差别小得多，可按双层厚壁圆筒的弹性力学理论计算井筒周围的应力状态。

2）向井筒注液产生的应力分布为了在井壁的薄弱处人为诱发裂缝，需要向井筒注入高压液体使井底压力迅速提高。

将裸眼井筒周围岩石系统视作具有无限壁厚、且承受内外压力的厚壁圆筒，按弹性力学理论计算其应力分布（6-11）式中 p e ，p i —分别为厚壁筒外边界压力（无穷远处p e 为零）和井底注入压力。

式（6-11）表明：注入压裂液在井壁周围各个方向上所产生的应力均为张应力，因此，向井筒注液有利于撕开地层。