水平井壓裂裂縫起裂與擴(kuò)展

水平井壓裂裂縫起裂與擴(kuò)展引言：通過國內(nèi)外研究人員實踐表明：由于水平井具有單井產(chǎn)量高、穿透度大、泄油面積大、油氣儲量利用率高及能避開障礙與環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域等特點。對于低滲透油藏、薄差儲層油藏、儲量較小的邊際油藏以及稠油油氣藏等，水平井壓裂是這類油藏最佳的開采方式。最近一段時期，隨著學(xué)者們的不斷研究以及鉆井完井等工藝技術(shù)水平的提高，水平井開發(fā)技術(shù)成為人們開發(fā)低滲透油田的研究重點并被廣泛應(yīng)用。水平井與垂直井、普通定向井的裂縫起裂機(jī)理都有明顯區(qū)別。水平井自身存在復(fù)雜性與特殊性，鉆遇地層環(huán)境比較復(fù)雜，水力裂縫在發(fā)生破裂時所需的起裂壓力比垂直井的破裂壓力高得多，通常會發(fā)生裂縫不張開，導(dǎo)致壓裂失敗。深入研究水平井裂縫起裂機(jī)理，找出合理的起裂規(guī)律是水平井壓裂施工成功前提保障第1章水平井井壁上的應(yīng)力狀態(tài)水力壓裂時裂縫的形成主要是決定于井壁的應(yīng)力狀態(tài)。一般認(rèn)為：當(dāng)井壁上出現(xiàn)有一個超過巖石抗拉強(qiáng)度的拉伸應(yīng)力時，井壁便開始破裂。由于地應(yīng)力所產(chǎn)生的井壁應(yīng)力地應(yīng)力是由地殼巖層的重力場或即上覆地層壓力及地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場所組成的。一般可認(rèn)為,地應(yīng)力中的一個主應(yīng)力是垂直于地殼表面的,其余兩個主應(yīng)力則是水平的。如果只考慮上覆地層載荷引起的重力作用（即不存在地質(zhì)構(gòu)造運動力）且認(rèn)為地下巖石處于純彈性狀態(tài),可將初始的地應(yīng)力分解為垂道方向的正主應(yīng)力°z和兩個相等的水平方向的正主應(yīng)力。x入和。寸Oj=（jhST-二嚴(yán)式中h-底層的埋藏深度；p-上覆巖層的平均容重，其理論值可取。00231kg/cm3;卩-巖石的泊松比。

在有些構(gòu)造運動活躍的地區(qū)會出現(xiàn)異常大的側(cè)應(yīng)力（水平應(yīng)力）,井且在通常的情況下三個原地主應(yīng)力是不相等的。設(shè)取壓應(yīng)力的符號為正,拉應(yīng)力為負(fù),三個主應(yīng)力分別表示為O]Q2和O3（°1>O2>O3>°），根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造形成時的受力特點,正斷層、逆斷層和平推斷層發(fā)育的區(qū)域里,三個主應(yīng)力的方向是不相同的（圖1）。<4問逆fcfj層<4問逆fcfj層圖1不同斷層發(fā)育地區(qū)的頂應(yīng)力分布情況休伯特考慮到多數(shù)巖石的內(nèi)摩擦角都接近于30°這個事實,認(rèn)為在正斷層發(fā)育地區(qū)，最大主應(yīng)力O1等于有效的上覆壓力，最小水平主應(yīng)力O3最大的可能是等于1/3上覆壓力;在逆斷層發(fā)育的地區(qū)，最小主應(yīng)力O3等于有效的上覆壓力,而最大水平主應(yīng)力O1頂多會等于3倍的上覆壓力；而在平推斷層活躍的區(qū)域里,有效的上覆壓力則為中一間主應(yīng)力。由于地殼中的巖層可視為彈性半無限體,井壁上的應(yīng)力狀態(tài)可簡化為平面向題來分析。如果兩個水平方向的壓縮地應(yīng)力不相等（設(shè)為O1>°2>o），可把井眼看成是在互相垂道的方向上分別作用有°1和O2兩個壓縮外應(yīng)力的彈性平板中的一個小圓孔（圖2），孔壁上的應(yīng)力就相當(dāng)于井壁上的水平應(yīng)力。而井壁上的圖2矩形平板圓孔周圍的應(yīng)力垂直應(yīng)力分量仍可視為O=ph垂直應(yīng)力分量仍可視為O=ph，為上覆巖層的壓力。zHILLLmrrnHi根據(jù)彈性力學(xué)，圖2所示的矩形平板小孔周圍的應(yīng)力解為：聽丄守—I亠罟）斗電尹!一甲十昌學(xué)?^%二且護(hù)j+苦｝「旦詳—11卡1心陰咕一上C1-3-；：-卜2-;二仙訕由于井壁周圍存在有應(yīng)力集中現(xiàn)象拜在井壁上應(yīng)力達(dá)到最大值，令r=￡,由上得井壁上的應(yīng)力為:□日-；O|十一2（5—6；cos26口r_0Tr0—0or二ph井壁上的o是隨e角而變化的，當(dāng)e=0和180°時，a達(dá)到最小，此時e eae=3a2-a1當(dāng)產(chǎn)生垂道裂縫時，此處是井壁應(yīng)力首先降為負(fù)值（變?yōu)槔欤?，即首先開始破裂的部位。井眼內(nèi)壓所引起的井壁應(yīng)力在單獨考慮井眼內(nèi)壓的影響時，可設(shè)想井眼周圍的巖層為一個具有無限壁厚的厚壁圓筒，井設(shè)圓筒的外邊界上的壓力為零。根據(jù)拉梅的厚壁圓筒應(yīng)力的彈性解可以得到內(nèi)壓Pi所產(chǎn)生的井壁上的應(yīng)力分量為：壓裂液滲流入地層在升壁止產(chǎn)生的增大應(yīng)力量由于井眼里的液壓Pi和地層孔隙中液體壓力p0間的差值將引起壓裂液自井眼向外的徑向濾失（設(shè)壓裂液與巖石孔隙液體具有相類似的性質(zhì)），而流體流經(jīng)多孔介質(zhì)將引起材料中應(yīng)力和位移的增大，或即增大井壁周圍巖石中的應(yīng)力。亨姆松和費爾赫斯特的提出可以借助熱彈性力學(xué)理論的已知結(jié)果以求解多孔彈性材料的問題，應(yīng)用厚壁圓筒熱彈性應(yīng)力的解得到了徑向滲流所引起的井壁上切向應(yīng)力的增大值為：1.4井壁上總的應(yīng)力當(dāng)考慮形成水平裂縫時我們威興趣的是垂直應(yīng)力oz=ph的數(shù)值，對于形成垂直裂縫,我們只注視導(dǎo)致井壁巖石破裂的切向應(yīng)力，其余的應(yīng)力分量將不作討論。顯然,井壁上總的切向應(yīng)力應(yīng)是上述地應(yīng)力、井眼內(nèi)壓以及液體徑向濾失單獨作用時所產(chǎn)生的切向應(yīng)力分量的總和。為了計人地層孔隙壓力的影響,引人“有效應(yīng)力”的概念,巖石力學(xué)在研究巖石孔隙壓力對巖石強(qiáng)度性質(zhì)的影響時得到結(jié)論:當(dāng)巖石的孔隙中含有壓力為P0的液體時,它將減小外應(yīng)力（正應(yīng)力）的作用效果。如巖石中的孔隙液體是化學(xué)惰性的,巖石的滲透性又足以保證液體在孔隙中流通形成一致的壓力且孔隙空間的形狀能使孔隙壓力全部傳給巖石的骨架時，各外應(yīng)力（正應(yīng)力）的作用效果均將減小一個P0值（但孔隙壓力對剪應(yīng)力不起影響）。對于我們所討論的情況，因為地層中具有孔隙壓力P0，所以有效的水平地應(yīng)力是:井壁上的有效切向應(yīng)力為:<?6—P。因為有液體濾失時，在井壁上可近似地認(rèn)為p0~p.，故0i所以第2章水平井水力裂縫起裂目前我國對水平井的裂縫起裂的研究主要包括兩種完井：裸眼完井與射孔完井。而射孔井井筒周圍的應(yīng)力分布相對于裸眼井要復(fù)雜得多，因此射孔井起裂的研究具有必要性。射孔井主要受地應(yīng)力分布和射孔參數(shù)的影響，裂縫起裂壓力與水平井井筒周圍、射孔孔眼周圍的應(yīng)力分布、地應(yīng)力分布、井筒方位角、射孔條件參數(shù)等密切相關(guān)。裂縫起裂規(guī)律己有大量的理論與試驗研究成果，一般采用解析法與數(shù)值法，解析法通過二維模型解決地層最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力以及垂向應(yīng)力的相關(guān)問題。根據(jù)彈性力學(xué)知識中無邊界平面鉆有一孔時的計算原理來進(jìn)行井壁應(yīng)力分析，往往忽略了存在于孔隙中流體與巖石骨架稱合作用對井筒壁起裂影響。由于大多采取數(shù)學(xué)編程軟件的方法，這種方法在編程過程中比較繁瑣，得出的結(jié)果也不精確。尤其是射孔井的射孔地層在各種載荷作用下表現(xiàn)出材料非線性，射孔眼相對于巖石面積較小存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且起裂為動態(tài)瞬時效應(yīng)，所以為了得出準(zhǔn)確解析解，本文將采用有限元軟件模擬分析水平井裂縫起裂規(guī)律。2.1基本條件假設(shè)壓裂施工力學(xué)環(huán)境和井筒周圍巖石介質(zhì)對水平井井筒的應(yīng)力分布情況存在影響。在進(jìn)行水力壓裂時，井壁周圍巖石的實際受力情況十分復(fù)雜，液柱壓力作用于井眼內(nèi)部，外部存在原有地應(yīng)力、壓裂液由于壓差向地層滲濾引起的附加應(yīng)力、巖石內(nèi)部的孔隙壓力等。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下井壁巖石可能發(fā)生塑性變形，而且受地層的非均質(zhì)性與各向異性等因素的影響，使得對井筒周圍應(yīng)力場的分析非常復(fù)雜，為了便于今后的模擬與研究，因此假設(shè)：地層巖石為均勻且各向同性的介質(zhì)；巖石線彈性狀態(tài)不受內(nèi)部產(chǎn)生的微裂紋影響；不考慮巖石和壓裂液發(fā)生物理化學(xué)作用；，射孔孔眼與井筒垂直相交且孔眼與井筒間有良好的連通性；‘液體作用在井筒和射孔內(nèi)的壓力相等。2.2水平井力學(xué)模型與有限元模型2.2.1水平井力學(xué)分析模型為了使數(shù)值模擬更具有條理性，可先建立三維流固稱合力學(xué)模型，描述出模型的受力分析。取巖石為長寬高均設(shè)定為的模型，水平井筒直徑為，射孔長度為0.5m,射孔直徑為0.01m，下圖為水平井裸眼完井力學(xué)模型示意圖，圖4.2為水平井射孔完井力學(xué)模型示意圖。圖3水平井裸眼完井力學(xué)模型圖4水平井射孔完井力學(xué)模型作用在模型上的載荷與邊界條件為：(1)地層巖石的上覆壓力P；(2)地層

自重G；(3)井筒內(nèi)部受到的壓裂液壓力Pf；(4)射孔內(nèi)部受到的壓裂液壓力

Pf；(5)巖石受到的最大水平主應(yīng)力oH、最小水平主應(yīng)力oh及垂向應(yīng)力o；(6)

f H h z在下表面施加Z方向的位移約束，不允許存在剛性位移；(7)在外表面施加X方向與Y方向位移約束，模擬地層對模型橫向約束；(8)上下表面及周表面上施加滲透壓力ps。2.2.2水平井有限元分析模型在射孔井中，當(dāng)載荷作用到地層上時材料狀態(tài)為非線性。由于在起裂過程中表現(xiàn)為瞬時動態(tài)效應(yīng)，地層遠(yuǎn)比射孔眼大得多，射孔眼處會發(fā)生應(yīng)力集中問題，因此對地層射孔后的地應(yīng)力分布規(guī)律，難以得到精確的結(jié)果。目前國內(nèi)外研究人員開始釆用有限元方法解決這類問題。將巖石劃分為有限個空間六面體的實體單元，并以此單元為研究對象。依據(jù)虛功原理推出平衡方程，通過對坐標(biāo)變動與合并的過程，得出全部單元所組成整體平衡方程，對方程求解能夠計算出巖石某個節(jié)點處的位移與單元力。對上述力學(xué)模型建立有限元模型，巖石模型釆用實體單

元，為了達(dá)到計算準(zhǔn)確度，在井筒、射孔處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分來提局精度。圖5整體巖石三維有限元模型示意圖圖6局部井筒示意圖圖7局部射孔示意圖圖8整體巖石模型邊界條件示意圖根據(jù)前述的理論及方法，建立鉆井后地應(yīng)力分析有限元模型，按照前面力學(xué)分析所描述施加載荷與邊界條件。在分析過程中考慮巖石的彈塑性變形，以及流固鍋合效應(yīng)，采用動態(tài)分析方法，模擬整個地層鉆井中從井筒形成到井筒壁面加載的全過程，使模擬更真實的反映實際狀態(tài)。由于地應(yīng)力狀態(tài)與初始狀態(tài)有關(guān)，而且與改造過程有關(guān)，因此在分析射孔后地層的應(yīng)力狀態(tài)時，需要考慮實際的施工過程。采用有限元軟件模擬時，將進(jìn)行四個分析步：（1）施加重力及邊界條件，形成初始地應(yīng)力場；（2）去除井筒處的巖體，模擬鉆井過程，得到鉆井后的地應(yīng)力場，也就是裸眼井的地應(yīng)力場；（3）去除射孔處的巖體，模擬射孔過程，得到射孔完井后的地應(yīng)力場；（4）在射孔眼表面以及井筒表面施加水力壓裂的施工壓力，得到壓裂瞬時孔眼周圍的地應(yīng)力分布場，此應(yīng)力場決定了裂縫的起裂位置。2.3裂縫破裂準(zhǔn)則進(jìn)行水力壓裂時，裂縫起裂的過程實質(zhì)上是一個拉伸破壞的行為。壓裂時不斷有液體作用在井筒，當(dāng)所作用的力達(dá)到某個定值時就會對井壁產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)其最大值達(dá)到巖石的抗拉強(qiáng)度時，此時裂縫就會發(fā)生起裂。即當(dāng)作用在巖石上拉伸應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時，巖石將發(fā)生破裂，出現(xiàn)初始裂縫。在地層受到地應(yīng)力分析中，一般設(shè)壓力為負(fù)，拉力為正，因此，計算結(jié)果得出的最大主應(yīng)力可作為巖石受力時是否發(fā)生破裂判斷標(biāo)準(zhǔn)。式中，a為巖石受到最大主應(yīng)力，MPa；P為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa。max s若滿足上式，巖石即會發(fā)生破裂，否則，不會破裂。本文采用試算法計算水平井壓裂的地層破裂壓力，就是保持一個邊界條件和射孔參數(shù)不變，在井筒和孔壁處施加壓力，計算該壓力下的井眼周圍的最大主應(yīng)力，將該最大主應(yīng)力與井壁巖石的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行比較，如果該最大主應(yīng)力剛好等于邦擘巖石的抗拉強(qiáng)度，則所施加壓力就是地層的破裂壓力；否則，改變施加的壓力，重新計算井眼周圍的最大主應(yīng)力，直到使最大主應(yīng)力等于井壁巖石的抗拉強(qiáng)度為止，從而得到地層的破裂壓力。第3章水力壓裂裂縫的擴(kuò)展水力壓裂過程中，裂縫延伸的范圍主要由注入進(jìn)巖石內(nèi)部壓裂液的體積與性質(zhì)決定。在水平井壓裂過程中，由于受到地應(yīng)力不同，根據(jù)裂縫與井筒的方位關(guān)系不同，一般可能會產(chǎn)生兩種裂縫：即垂直于井筒軸線的橫向裂縫和平行于井筒軸向的縱向裂縫，如下圖所示。圖9水平井垂直裂縫示意圖當(dāng)?shù)貙犹幱谝欢ㄉ疃葧r，最小主應(yīng)力是一個水平應(yīng)力，壓裂處理后形成的裂縫將在一個垂直的平面內(nèi)。因此，井筒軸線方向與地層最小主應(yīng)力方向的關(guān)系決定裂縫產(chǎn)生的類型。如果水平井筒方向與最小主應(yīng)力方向一致，在沿著最小主應(yīng)力的軸線上會出現(xiàn)相間的垂直裂縫。如圖9(a)所示。裂縫的起裂壓力和起裂方向主要由井眼周圍的應(yīng)力集中所決定的。當(dāng)裂縫擴(kuò)展遠(yuǎn)離井壁之后是否仍將保持起裂時的原有方向繼續(xù)延伸，水平井裂縫在擴(kuò)展過程中受簇間距、巖石脆性指數(shù)和水平地應(yīng)力場影響較大。3.1簇間距對裂縫擴(kuò)展的影響目前國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過大量文獻(xiàn)調(diào)研以及現(xiàn)場施工得出結(jié)論：擬體積砂體切割壓裂的簇間距會受工程因素的影響，選取簇間距一般要大于預(yù)置人工裂縫高度倍以上，反之裂縫之間會產(chǎn)生很大的影響。3.2脆性指數(shù)對裂縫延伸的影響巖石的脆性指數(shù)一般被認(rèn)定為彈性模量與泊松比綜合指標(biāo)參數(shù)，當(dāng)彈性模量越大，泊松比越小時，巖石脆性越好，越容易形成裂縫。因此，在水力壓裂過程中，脆性指數(shù)的大小對裂縫延伸會產(chǎn)生影響。脆性指數(shù)計算公式為14根據(jù)調(diào)研結(jié)果顯示，當(dāng)其他條件保持不變的情況下，隨著脆性指數(shù)的增大，裂縫張開程度也隨之增大。當(dāng)其他條件保持不變時，脆性指數(shù)增大，孔隙壓力也隨之增大，并且孔隙力與波及范圍也逐漸增大。當(dāng)脆性指數(shù)增大時，巖石脆性較大，當(dāng)注入一定壓裂液時更易發(fā)生破裂損傷，使壓裂液較多流入裂縫從而使裂縫張開程度也隨之增大，并導(dǎo)致孔隙力與波及范圍也隨之增大。脆性指數(shù)對裂縫延伸的影響在地下一定深度時，巖石會受到垂向地應(yīng)力，最大水平地應(yīng)力，最小水平地應(yīng)力作用。當(dāng)設(shè)定垂向地應(yīng)力不變，只考慮水平方向地應(yīng)力對裂縫延伸的影響。（1） 裂縫方向垂直于最小水平地應(yīng)力，平行于最大水平地應(yīng)力。（2） 對水平地應(yīng)力進(jìn)行變換，使裂縫平行于最小水平主應(yīng)力，垂直其最大水平地應(yīng)力。通過調(diào)研可知，當(dāng)裂縫方向與最大水平地應(yīng)力平行時，裂縫容易擴(kuò)展，損傷程度較大。當(dāng)裂縫與最大水平主應(yīng)力垂直時，裂縫不易擴(kuò)展，但由于裂縫橫向方向主應(yīng)力增大，使裂縫與裂縫之間相互作用明顯，導(dǎo)致孔隙壓力與波及范圍增大。結(jié)論1、 井壁上總的切向應(yīng)力應(yīng)是上述地應(yīng)力、井眼內(nèi)壓以及液體徑向濾失單獨作用時所產(chǎn)生的切向應(yīng)力分量的總和。2、 在不同的地質(zhì)構(gòu)造條件下，合理的選擇水平段井筒的方位，合適的射孔參數(shù)等可以降低水力裂縫的起裂壓力。3、 在相同條件下，隨著簇間距的增大，裂縫與裂縫之間相互作用隨之減小，當(dāng)達(dá)到一定距離時，裂縫之間基本不存在相互影響，各自同時進(jìn)行延伸。4、在相同條件下，隨著脆性指數(shù)增大，巖石損傷程度、孔隙壓力裂縫張開程度也隨之增大。5、在相同條件下，當(dāng)裂縫與最大水平主應(yīng)力平行時，裂縫易發(fā)生延伸，損傷程度較大。當(dāng)裂縫與最大水平主應(yīng)力垂直時，限制裂縫延伸且