縫網壓裂機理研究與認識[任嵐120425]

1、縫網壓裂機理研究與認識縫網壓裂機理研究與認識趙金洲趙金洲西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室2012年年4月月1 一一. 什么是縫網壓裂什么是縫網壓裂 二二. 能不能形成縫網能不能形成縫網 三三. 怎樣才能夠形成縫網怎樣才能夠形成縫網 四四. 如何形成縫網如何形成縫網 五五. 縫網壓裂實例分析縫網壓裂實例分析匯報提綱匯報提綱2 1984：Warpinski通過礦場試驗首次發(fā)現壓裂形成主裂縫與復雜分支裂縫同時延伸，通過礦場試驗首次發(fā)現壓裂形成主裂縫與復雜分支裂縫同時延伸，提出了提出了Zone of Fractures的概念。的概念。 198

2、6：Blanton 通過物理模擬實驗首次發(fā)現并提出水力裂縫相交天然裂縫后，水力通過物理模擬實驗首次發(fā)現并提出水力裂縫相交天然裂縫后，水力裂縫可能存在裂縫可能存在穿過穿過、轉向轉向、穿過和轉向穿過和轉向3種狀態(tài)。種狀態(tài)。一一. 什么是縫網壓裂？什么是縫網壓裂？3水力裂縫相交天然裂縫后的延伸模式（水力裂縫相交天然裂縫后的延伸模式（Blanton） 1999： Mahrer認為天然裂縫性地層壓裂將形成認為天然裂縫性地層壓裂將形成Network Fractures 。 2000： Beugelsdijk通過物理模擬實驗證實了通過物理模擬實驗證實了Network Fractures的存在。的存在。 20

3、02：Fisher和和Maxwell 同時通過微地震測試發(fā)現壓裂形成同時通過微地震測試發(fā)現壓裂形成Fracture Networks的可能性。的可能性。 2004：國內（趙金洲）首次提出了：國內（趙金洲）首次提出了網絡裂縫酸化網絡裂縫酸化概念。概念。 2006：國內（胥云等人）首次提出了：國內（胥云等人）首次提出了縫網壓裂縫網壓裂概念。概念。 2006：Mayerhofer提出了提出了Stimulated Reservoir Volume (SRV)概念，國內翻譯概念，國內翻譯為為體積改造（壓裂）體積改造（壓裂）。一一. 什么是縫網壓裂？什么是縫網壓裂？4 2008：國內（趙金洲，任嵐）開始研

4、究：國內（趙金洲，任嵐）開始研究縫網壓裂理論模型縫網壓裂理論模型。 2009：Olson發(fā)表了發(fā)表了縫網壓裂的力學模擬成果縫網壓裂的力學模擬成果。一一. 什么是縫網壓裂？什么是縫網壓裂？5Rn=1Rn=2傳統壓裂的裂縫形態(tài)傳統壓裂的裂縫形態(tài)縫網壓裂的裂縫形態(tài)縫網壓裂的裂縫形態(tài)裂縫單一裂縫單一雙翼裂縫雙翼裂縫水力裂縫對儲層流動區(qū)域控制范圍小水力裂縫對儲層流動區(qū)域控制范圍小表現為裂縫面對儲層流動區(qū)域的控制表現為裂縫面對儲層流動區(qū)域的控制裂縫帶裂縫帶裂縫延伸具有隨機性裂縫延伸具有隨機性縫網對儲層流動區(qū)域控制范圍大縫網對儲層流動區(qū)域控制范圍大表現為縫網體積對儲層流動區(qū)域的控制表現為縫網體積對儲層流動區(qū)

5、域的控制6一一. 什么是縫網壓裂？什么是縫網壓裂？7Warpinski（1984）室外礦場試驗發(fā)現形成了裂縫帶（縫網）：室外礦場試驗發(fā)現形成了裂縫帶（縫網）：二二. 能不能形成縫網？能不能形成縫網？8二二. 能不能形成縫網？能不能形成縫網？室內物理模擬實驗證實了網絡裂縫室內物理模擬實驗證實了網絡裂縫(縫網縫網)的形成：的形成：（ Beugelsdijk ，2000 ）(陳勉，陳勉，2008)施工結束施工結束190min130min80min9微地震監(jiān)測證實了網絡裂縫（縫網）的形成：微地震監(jiān)測證實了網絡裂縫（縫網）的形成：（Maxwell ，2002)二二. 能不能形成縫網？能不能形成縫網？10

6、微地震監(jiān)測證實了網絡裂縫（縫網）的形成：微地震監(jiān)測證實了網絡裂縫（縫網）的形成：（Cipolla，2009）二二. 能不能形成縫網？能不能形成縫網？11 地質條件地質條件 儲層必須具有結構弱面（如天然裂縫），儲層結構弱儲層必須具有結構弱面（如天然裂縫），儲層結構弱面越發(fā)育，縫網系統越發(fā)育面越發(fā)育，縫網系統越發(fā)育三三. 怎樣才能夠形成縫網？怎樣才能夠形成縫網？12在不同應力差和相交角組合下的實驗結果在不同應力差和相交角組合下的實驗結果實驗室構架實驗室構架三三. 怎樣才能夠形成縫網？怎樣才能夠形成縫網？ 應力條件應力條件 最大最小水平主應力差越小，最大水平主應力方向與結構最大最小水平主應力差越小，

7、最大水平主應力方向與結構弱面（如天然裂縫）走向夾角越小，越容易形成縫網且縫網系統越發(fā)育弱面（如天然裂縫）走向夾角越小，越容易形成縫網且縫網系統越發(fā)育（Blanton，1987） Rickman 認為脆性礦物認為脆性礦物(硅質硅質+鈣質鈣質)總量要大于總量要大于40%，才能夠形成縫網，才能夠形成縫網巖礦成分巖礦成分3角圖角圖（Rickman，2008）13三三. 怎樣才能夠形成縫網？怎樣才能夠形成縫網？ 巖礦條件巖礦條件脆性礦物脆性礦物(硅質硅質+鈣質鈣質)含量越高，儲層越容易形成縫網含量越高，儲層越容易形成縫網 脆性特征參數約大于脆性特征參數約大于5050，儲層才具有縫網擴展的巖石力學條件，儲

8、層才具有縫網擴展的巖石力學條件14三三. 怎樣才能夠形成縫網？怎樣才能夠形成縫網？ 力學條件力學條件彈性模量越大、低泊松比越小，儲層越容易形成縫網彈性模量越大、低泊松比越小，儲層越容易形成縫網（Rickman，2008）15計算條件：計算條件：巖石抗張強度巖石抗張強度5MPa，流體黏度，流體黏度1mPa.s（趙金洲，任嵐（趙金洲，任嵐 20102010）三三. 怎樣才能夠形成縫網？怎樣才能夠形成縫網？ 工程條件一：工程條件一：凈壓力越高，儲層越容易形成縫網且縫網越發(fā)育凈壓力越高，儲層越容易形成縫網且縫網越發(fā)育模擬實驗結果模擬實驗結果（Beugelsdijk，2000）低粘低粘高粘高粘裂縫監(jiān)測結

9、果裂縫監(jiān)測結果（Cipolla，2008）16凍膠凍膠滑溜水滑溜水清水清水弱交聯壓裂液弱交聯壓裂液理論計算結果理論計算結果（趙金洲、任嵐，趙金洲、任嵐，2010）三三. 怎樣才能夠形成縫網？怎樣才能夠形成縫網？ 工程條件二：工程條件二：主裂縫形成后，壓裂液黏度越低，主裂縫形成后，壓裂液黏度越低，越容易形成縫網越容易形成縫網17注入壓裂液量與縫網發(fā)育程度相關性（注入壓裂液量與縫網發(fā)育程度相關性（Mayerhofer，2010）三三. 怎樣才能夠形成縫網？怎樣才能夠形成縫網？ 工程條件三：工程條件三：壓裂規(guī)模越大，縫網體積越大壓裂規(guī)模越大，縫網體積越大18縫網壓裂的基本條件縫網壓裂的基本條件地質條

10、件：地質條件：結構弱面（天然裂縫、節(jié)理等）發(fā)育結構弱面（天然裂縫、節(jié)理等）發(fā)育應力條件：應力條件：水平應力差小水平應力差小巖礦條件：巖礦條件：脆性礦物含量高脆性礦物含量高力學條件：力學條件：彈性模量大、泊松比小彈性模量大、泊松比小工程條件：工程條件：三三. 怎樣才能夠形成縫網？怎樣才能夠形成縫網？凈壓力高凈壓力高流體黏度低流體黏度低規(guī)模大規(guī)模大縫網形成示意圖縫網形成示意圖四四. 如何形成縫網？如何形成縫網？1920縫網概念圖（縫網概念圖（Blanton）四四. 如何形成縫網？如何形成縫網？縫網概念圖（縫網概念圖（趙金洲，任嵐趙金洲，任嵐）21 netmaxmino11 cos22ptT net

11、maxminof11 cos22ptTp tnfip tp 從相交點直接穿過從相交點直接穿過穿過天然裂縫判據：穿過天然裂縫判據： 從天然裂縫端部延伸從天然裂縫端部延伸天然裂縫轉向判據：天然裂縫轉向判據：水力裂縫與天然裂縫相交作用后的延伸理論模型水力裂縫與天然裂縫相交作用后的延伸理論模型220nff20nftf421211expsin2142cnppnk tnpnCL fp四四. 如何形成縫網？如何形成縫網？水力裂縫相交天然裂縫后的延伸分析水力裂縫相交天然裂縫后的延伸分析(1) 低相交角時，水力裂縫傾向沿天然裂縫轉向延伸；低相交角時，水力裂縫傾向沿天然裂縫轉向延伸；(2) 中相交角低應力差時，水

12、力裂縫傾向沿天然裂縫轉向延伸；中相交角低應力差時，水力裂縫傾向沿天然裂縫轉向延伸；(3) 高相交角時，當水平應力差小于巖石抗張強度，水力裂縫傾向沿天然裂縫轉向延伸；高相交角時，當水平應力差小于巖石抗張強度，水力裂縫傾向沿天然裂縫轉向延伸；(4) 水平應力差越小，相交角越小，水力裂縫轉向延伸需要的凈壓力越低；水平應力差越小，相交角越小，水力裂縫轉向延伸需要的凈壓力越低； 總體上說，低相交角和低應力差有利于遠場縫網的形成，而高相交和高應力差將更容易形總體上說，低相交角和低應力差有利于遠場縫網的形成，而高相交和高應力差將更容易形成對稱雙翼裂縫。成對稱雙翼裂縫。 相交角和水平應力差對水力裂縫轉向延伸的

13、影響相交角和水平應力差對水力裂縫轉向延伸的影響22四四. 如何形成縫網？如何形成縫網？清水清水（1mPa.s） (1) 隨著作業(yè)液體體系的黏度越來越高，水力裂縫轉向延伸角范圍逐漸縮??；隨著作業(yè)液體體系的黏度越來越高，水力裂縫轉向延伸角范圍逐漸縮??； (2) 壓裂液黏度越高，水力裂縫沿天然裂縫轉向延伸所需的凈壓力越高，轉向延伸越困難，不壓裂液黏度越高，水力裂縫沿天然裂縫轉向延伸所需的凈壓力越高，轉向延伸越困難，不利于水力裂縫的橫向延伸；利于水力裂縫的橫向延伸； 選擇低黏度的壓裂液更加有利于液體對流體壓力在天然裂縫內的傳播，更易形成選擇低黏度的壓裂液更加有利于液體對流體壓力在天然裂縫內的傳播，更易

14、形成復雜的遠場縫網。復雜的遠場縫網。弱交聯壓裂液（弱交聯壓裂液（50mPa.s）23水力裂縫相交天然裂縫后的延伸分析水力裂縫相交天然裂縫后的延伸分析四四. 如何形成縫網？如何形成縫網？24天然裂縫與水力裂縫不相交對水力裂縫延伸的影響：天然裂縫與水力裂縫不相交對水力裂縫延伸的影響：水力裂縫轉向水力裂縫轉向不相交作用分析的物理模型不相交作用分析的物理模型 除了水力裂縫與天然裂縫相交作用會發(fā)生轉向、穿過、轉向和穿過并除了水力裂縫與天然裂縫相交作用會發(fā)生轉向、穿過、轉向和穿過并存以外，還存在水力裂縫與天然裂縫不相交的相互作用存以外，還存在水力裂縫與天然裂縫不相交的相互作用四四. 如何形成縫網？如何形成

15、縫網？25其中其中 ffffnfnfnfnffffn1f1ffffnfnfnfn2nf2nfnfnf21111LLLLLLLLLxLxKLx dxKLx dxLxLxLLLxLxKLx dxKLx dxLxLxLa水力裂縫轉向角水力裂縫轉向角201tan824KKKK水力裂縫與天然裂縫非相交情況下水力裂縫轉向模型水力裂縫與天然裂縫非相交情況下水力裂縫轉向模型四四. 如何形成縫網？如何形成縫網？26相交角對水力裂縫延伸轉向角的影響相交角對水力裂縫延伸轉向角的影響縱向距離對水力裂縫延伸轉向角的影響縱向距離對水力裂縫延伸轉向角的影響 水力裂縫與天然裂縫橫向分布距離越小，相互作用越強，轉向角越大，水力

16、裂縫水力裂縫與天然裂縫橫向分布距離越小，相互作用越強，轉向角越大，水力裂縫與天然裂縫之間越易搭接；與天然裂縫之間越易搭接； 為此，天然裂縫分布密度越大，天然裂縫與水力裂縫之間的作用距離越小，越容為此，天然裂縫分布密度越大，天然裂縫與水力裂縫之間的作用距離越小，越容易形成縫網。易形成縫網。四四. 如何形成縫網？如何形成縫網？27水力裂縫沿天然裂縫轉向延伸路徑模擬水力裂縫沿天然裂縫轉向延伸路徑模擬轉向裂縫的等效平面裂縫轉向裂縫的等效平面裂縫水力裂縫在與天然裂縫相交后的延伸路徑水力裂縫在與天然裂縫相交后的延伸路徑水力裂縫轉向延伸情況下的等效裂縫延伸路徑水力裂縫轉向延伸情況下的等效裂縫延伸路徑四四.

17、如何形成縫網？如何形成縫網？28裂縫縫寬方程裂縫縫寬方程2fn2(1)( ( )( )( )hp xxW xE裂縫流體流動方程裂縫流體流動方程3fn( ( )( )64hWd p xxqdx 物質平衡方程物質平衡方程3nL( ( )( )2644( )p xxcWWxxttx求解的邊界條件求解的邊界條件( , )0W L t xLt3fn00( ( )( )|64xhWd p xxQdx四四. 如何形成縫網？如何形成縫網？29不同轉向次數下延伸裂縫縫長方向上的流體壓力和寬度分布不同轉向次數下延伸裂縫縫長方向上的流體壓力和寬度分布四四. 如何形成縫網？如何形成縫網？二次轉向延伸的縫寬分布示意圖二

18、次轉向延伸的縫寬分布示意圖30不同排量下延伸裂縫縫長方向上的流體壓力和寬度分布不同排量下延伸裂縫縫長方向上的流體壓力和寬度分布l 排量越高，整個縫內的流體壓力都越高，說明提升排量能增加轉向段的流動能力，降低排量越高，整個縫內的流體壓力都越高，說明提升排量能增加轉向段的流動能力，降低轉向段的節(jié)流效應；轉向段的節(jié)流效應；l 排量越高，包括轉向延伸段在內，整個縫內的縫寬都越大。排量越高，包括轉向延伸段在內，整個縫內的縫寬都越大。 對于縫網壓裂來說，提高排量能增加轉向裂縫段的縫寬，提升支撐劑通過轉向對于縫網壓裂來說，提高排量能增加轉向裂縫段的縫寬，提升支撐劑通過轉向延伸裂縫段的能力，降低支撐劑橋塞的延

19、伸裂縫段的能力，降低支撐劑橋塞的風險；同時也可以提高施工凈壓力，促進縫風險；同時也可以提高施工凈壓力，促進縫網的形成。網的形成。四四. 如何形成縫網？如何形成縫網？2 2、脆性特征參數計算結果、脆性特征參數計算結果311、巖石礦物成分、巖石礦物成分（石英含量（石英含量40.32-69.58%, 有利于形成縫網）有利于形成縫網）五五. 縫網壓裂實例分析縫網壓裂實例分析井號樣號石英斜長石鉀長石方沸石濁沸石菱鐵礦鐵白云石白云石方解石D106146.19 10.5214.4117.750.000.0011.130.000.00242.42 0.0014.6720.420.000.0011.4511.0

20、30.00369.58 11.4910.140.000.000.004.504.280.00D10653.07 22.0415.599.300.000.000.000.000.00b35640.32 0.000.000.000.0059.680.000.000.00 B28儲層彈性模量為2.878-5.064104MPa，平均彈性模量3.971104MPa；泊松比0.218-0.293，平均泊松比0.255。由右圖可得B28儲層巖石脆性特征參數為50.22，可見，該井基本具有形成縫網的巖該井基本具有形成縫網的巖石力學條件。石力學條件。以松遼盆地某口井為例，分析縫網壓裂的實施情況。以松遼盆地某口井為例，分析縫網壓裂的實施情況。32 井孔崩落法水平最大主應力方向為北東井孔崩落法水平最大主應力方向為北東60度到北東度到北東85度度之間，水平應力差之間，水平應力差3-12.4MPa 儲層網狀裂縫非常發(fā)育，巖石強烈破碎成角礫狀，微裂縫分布呈不規(guī)則的網狀，走儲層網狀裂縫非常發(fā)育，