（油气田开发工程专业论文）加载速率对岩石裂缝形态的影响.pdf

葵文攘要 s h 啦e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： 1 i i s t r u c t o r ： t h ei n f l u e n c eo fl o a d i n gv e l o c i t yo nf r a c t u r es h a p eo fr o c k o i l - g a sf i e l de x p l o i t a t i o ne n g i n e e r i n g l i 。a 飘g ( s i g n a t u l 屯蔓i ；：_ _ - ：弓吻 a 嚣s 1 1 t a c t 、 m ht h ed e v e l o p m e n to fp e t r o l e u mr e s o n r c e t h ep r o p o r t i o no fo i la n dg a sr e s e r v e so f l o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r si nt h eu p s t r e a mi n d u s t r yi n c r e a s e sy e a rb yy e a r , a n dt h ef r a c t u r i n g o p e r a t i o ni nl o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i rh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t 7 n 】ef r a c t u r e o r i e n t a t i o n ( v e r t i c a lo rb o r i z o n t a l ) p r o d u c e 畦b yf r a c t u r i n gi so n eo ft h em a i nf a c t o r st h a t i n f l u e n c et h es t i m u l a t i o ne f f e c t s ob o wt oc o n t r o lf r a c t u r eo r i e n t a t i o nh a sb e c o m em o r ea n d m o r ed e s i d e r a t i v e 。 a c c o r d i n gt ol i n e a rf r a c t u r em e c h a n i c s ，f r a c t u r et o u g h n e s sw a sa d o p t e da sc r i t e r i at o i n i t i a t ea n dp r o p a g a t ec r a c ki nt h ef r a c t u r e df o r m a t i o n b a s e do nc o m p r e h e n s i v er e f e r e n c et oa g r e a td e a lo fl i t e r a t u r e s , t h ep a p e ra n a l y z e da n dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fl o a d i n gv e l o c i t y , i n i t i a lc r a c ka n dp e r f o r a t i o no no p e n i n gf i a c t u r ea n df r a c t u r eo r i e n t a t i o n i nt h i sp a p e r ， a c c o r d i n gt ob a s i ct h e o r yo fr o c km c c h a r f i c s ，t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o na r o u n dt h ep e r f o r a t e d c a s i n gw a sa n a l y z e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo fs t r e s ss t a t e so i lf r a c t u r eo r i e n t a t i o na n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n i t i a lf r a c t u r es h a p ea n dp e r f o r a t i o no r i e n t a t i o nw a s e l a b o r a t e d t l l i s i sm e a n i n g f u lt oa r t i f i c i a lc o n t r o lo ff r a c t u r eo r i e n t a t i o n 1 1 站r u l ei n i t i a t i r 培a n dp r o p a g a t i n g v e r t i c a la n dh o r i z o n t a lf r a c t u r ew a sd e r i v e df r o mm o d e lo fv e r t i c a la n db o r i z o n t a lf r a c t u r e p r o p a g a t i o no fp r o p e l l e n tf r a c t u r i n g o nt h eb a s i so ft h i s , t h ep a p e rs t u d i e dt h er e l a t i o n b e t w e e nt h eb r e a k d o w np r e s s u r ea n dt h el e n g t ho fi n i t i a lc r u e la n dp r o v e dt h a tt oi n a k ea i n i t i a lc r a c kc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h eb r e a k d o w np r e s s u r e ，t h ep a p e rp r o v i d e dt h e o r e t i c f o u n d a t i o nf o ra r t i f i c i a lc o n t r o lo ff r a c t u r eo r i e n t a t i o na n dp r o v i d e dan e wt e c h n i q u ef o r s e p a r a t i n gl a y e rt r e a t m e n tt om a i n t a i no i lp r o d u c t i o na n dp r o f i l ec o n t r o lf o ri n j e c t i o nw e l l k e y w o r d s ：f r a c t u r en u m b e r ，f r a c t u r eo r i e n t a t i o n ，h i g he n e r g yg a sf r a c t u r i n g ，l o a d i n g v e l o c i t y , i n i t i a lc r a c k , p e r f o r a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 学位论文创叛性声明 本人声明所爱交的学位论文趋我个入在导师指导下迸行的研究工作及取得韵研究成祭。 尽我所知，除了文中特别加以标注驷致溅中所罗列的内器以夕卜，论文中不包含其他人已经发 表或撰霹过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学斌其它教育机构的学位或证书而使用 避魏耪糕。与我冠工作的嗣志对本硬究恁敛的经 可贡献均已在论文中擞了明确豹说明并表 示了谢意。 审谚学位论文与姿辩若有不实之处，本人承搀一切秘美责经。 论文作者签名盟 学位论文使用授权的说明 本人完全了解疆安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属西爱石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、公歼阅览、 馈阒以及审请专制等权利。本人褰校螽发表或使用学位论文或与浚论文焱接媚关的学术沦文 戚成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：艘! 蔓曼! 心 隅雅。r 注：熟本论文涉密，谤在蠖用授毂载波明中擐蹬( 含解密年限筹) 。 燕一章缝论 第一章绪论 1 1 润题的提出 我国李邋晶“1 等人认为，渗透率在0 1 i 0 4 5 0 i 旷hm 2 的储滕为低渗透储层、灞田。 大量实验研究成果表明，对 ：一般中高渗透储层，渗透率基本上不影响采收率；但当渗透 率降至某一界限( 5 0 x1 0 4 m 2 ) 后，会对采收率产生孵显影响，渗透率越低，影响髓大， 采收率越低。 当前我躐石油科技在“走出去”、高油价和缓解阐内油气缺日三方面面赣巨大擒战。 随者我国能源消费进入新的结构升级阶段，豳内油气供需缺口越来越大。缓解我国石油 供求矛盾，瞽先，最主要酶徽法还怒着力予毽内石浦生产豹稳定并力求增长；同时骏扳 实施海外战略，开拓海外石油勘探与开发市场。无论是稳定增加国内的石油产量，遥是 开拓海井石油勘探弹发市场，都必然鬟_ 蟊对羝渗、特低渗涵气储量遮一重要开发对蘩。 这是阂为随蓿石油资源的逐年开采利用，今后将要投入开发的油气储量中，低渗透、特 低渗透溜气德量所占鲍镶在邂年上舞。运几年我藿瑟增石漓攘黉德爨中，低渗透、将绦 渗透的比例融超过6 0 ”1 。还有，石油是关系到国民经济、阔家安垒的战略性物资，必 矮煮较强魏翻给髓力方会不受翻手入。困魏，鲡鹰懿骞鬣渗透涵舀豹采毅率楚我国露油 工业部门面临的亟待解决的课题。目前，低渗油田所采用的增产技术有水力艇裂技术、 褰黥气 搴压爱技术、微生物采涵技术、振瑟鬈漓按零、热讫擎采澶技零、求乎井采演技 术、聚合物驱油技术和二氧化碳驱油技术等“。 溜蠹l 羲渗透、黪低渗透演气继爨瓣毒效开发，焚挟必穗蘧在予掇褰单势产量，扶嚣 降低开发成本。提高单井产艇最有效的措施目前仍然是压裂酸化改造油气层强1 。达两定 律鼋知，在溜层厚度一定熬媾况下，捂慈劳媳渗透攀是影鸭产量熬关键参数。单井攒裂 后，裂缝与井筒所组成的系统，与油层连通的面积远大于无裂缝时并筒的面积，显著地 辫甄了挚劳生产对地层鹣渗滚阻力，竣善了濒井翅围地层渗透性。逐有，当共链开演层 后，井底附近地带因受钻井液等伤鬻而使产麓下降，通过压裂使裂缝穿过伤害地带进入 未受伤害麴油层，馒未 务害浊层中嬲、渣流通避裂缝遴入井篱，恢复著提高了井的自然产 能。 水力压裂 乍为濑气增产购主要攒麓之一疆披广泛应用予现代石油工业中，对低渗油 气藏的生产起了重要的作用。 1 9 4 7 年7 月美翻堪萨斯州的一个油翻进行了第一次水力压裂增产作业。自那以后， 水力压裂技术逐渐成为油田主要的增产技术。水力压裂包括混调特种化学药帮成为邋当 的压裂液，然后在岗排量、黼泵压下注入产鬃，使地层裂开并延伸裂缝“3 。水力压裂技 术的工艺是：首先，将有一定粘度的压裂液在一定裂压下注入地层，在造屎内形成黼条 相对的裂缝；接着将带有支撑剂的携砂液压入裂缝以延 申并维持裂缝；当材料泵送完成 西安石油大学硕士学位论文 后，压裂液化学破胶降为低粘度状态流回井内，留下一条高导流能力的通道，以利于油 气从地层远处流入井内。 因地层内部的复杂性，地层内部的就地应力，一般是受压的、各向异性的和非均匀 的。上覆岩层的重量、孔隙、温度、岩石性质、成岩作用、构造以及粘弹性松弛对三个 主应力分量的影响很大。另外，钻井、压裂或生产也能改变就地应力。就地应力的存在 使水力压裂产生的裂缝不能沿任意方向延伸，而是与最小压缩主应力方向垂直。一般来 说水力压裂产生两条裂缝，因地层的非均匀性有一条不能充分发展。通常情况下，裂缝 是垂直还是水平有压裂层段的深度决定，一般来说压裂较浅的层段可能产生水平裂缝， 压裂较深的层段可能产生垂直裂缝。现场施工结果显示水力压裂由于其加载速率低，当 井深大于6 0 0 9 0 0 m 时，沿垂直最小主应力方向自井筒两翼仅形成两条垂直裂缝。 水力裂缝的几何形态是影响压裂处理效果的主要因素之一订3 。经济有效的压裂，应 尽可能地让裂缝在储层延伸，并且应防止裂缝穿透水层和低压渗透层。这就要在深刻认 识裂缝扩展规律的基础上优选压裂作业参数，并采取有效措施控制裂缝的扩展。但是， 现场作业表明，水力压裂的效果往往不是十分明显，有时由于穿透隔层而导致失败，尤 其当存在高压底水层时，如果裂缝贯穿水层，不仅导致压裂作业失败，还将造成油层压 力体系的破坏。水力压裂作业失败的一个主要原因是未能对裂缝的几何形态实现有效地 控制。如果裂缝形态( 垂直缝还是水平缝) 可以控制，就会为合理开发油藏提供一个有 力手段。 另外，随着固井质量提高和射孔深度加大，井周应力分布变得复杂，射孔壁的应力 集中已不容忽视。每一个射孔都可能成为一个独立的破裂源，射孔方位不同，应力集中 程度也不同，这可能影响人工裂缝的形成与形态，并存在出现多条人工裂缝的可能性。 因此，有必要研究一下套管射孔壁的应力集中状态及其对裂缝形态的影响，这对人工控 制裂缝形态具有一定的意义。 高能气体压裂( h i g he n e r g yg a sf r a c t u r i n g ) 又称裁剪脉冲压裂( t a i l o r e dp u l s e f r a c t u r i n g ) 或可控脉冲压裂( c o n t r o l l e dp u l s ef r a c t u r i n g ) ，为动态压裂过程，在本世纪 六七十年代，用爆炸法压裂油层重新兴起。但与以前爆炸压裂的做法不同的是，以前在 井筒内用高能炸药，而现在在井筒内使用火药、推进剂或推进剂与炸药混装阳1 。利用火 药或推进剂在井简内爆燃产生的大量高温、高压气体从井简经射孑l 对地层进行作用，从 而在井筒周围产生多条辐射状的裂缝，使井筒周围的油层导流能力大大提高，进而提高 产量和最终采收率。因造缝机制主要是高温高压气体的锲入机制，所以称之为高能气体 压裂。同时，因为可以控制压力峰值以满足不同地质条件和储层的需要，所以又称为可 控脉冲压裂。r i c h a r da s c h m i d t 等人在他们的文章阳1 中提到高能气体压裂的基本概念 是爆燃而不是爆轰。其特征是：1 ) 燃烧前沿的速度小于声速；2 ) 燃烧速率在很大范围内 变化：3 ) 压力一时间曲线不同于爆轰，压力峰值低，燃烧时间长。但总能量与炸药的爆 轰能量相当( 典型的为4 干焦克) 。 2 第一章绪论 由岩石力学的理论可知，脆性材料在遭受外力破坏时，其破裂形态随外力的加载速 率即压力上升时间的变化而变化。理论研究指出，当井筒内压力上升时间大于1 0 m s ( 毫 秒) 时，地层将沿垂直于最小主应力的方向产生两条裂缝；当井筒内压力上升时间小于 1 m s 时，地层将沿井筒径向产生多条放射状裂缝：但当压为上升时间在p m ( 微秒) 量 级时，地层将在井壁周围遭受粉碎性破坏或产生密实圈”。所以高能气体压裂的技术关 键是控制压力上升速度。r i c h a r da s c h m i d t 等人在他们的文章。1 中指出：多裂缝的产 生与压力上升速度直接相关，而并不十分依赖压力峰值。如表卜1 所示，实验g f l 采用 的是缓慢燃烧的发射药，实验g f 2 采用的是中等燃烧速度的发射药，实验g f 3 采用的 是快速燃烧的发射药。从表卜1 的后两次实验可看出：实验g f 3 的压力峰值比实验e 的压力峰值低，可是它却产生了应力笼，而实验e 并没有产生应力笼，原因就在于实验 g f 3 的压力上升速度要比实验e 的高许多。 表卜1 压力加载特性与其结果 炸药压力峰值( m p a ) 升压速率( k p a p m ) 结果 g f l4 30 ，6 水力压裂型裂缝 g f 29 51 4 0 多裂缝 g f 32 0 0 1 0 0 0 0 应力笼 实验e 2 5 04 3 0 多裂缝 高能气体压裂在地层形成裂缝必须满足一定的应力条件o “：l 、高能气体对岩体所 产生的切向张力应大于岩石抗拉强度；2 、径向压力峰值应小于岩石的抗压强度；3 、压 力脉冲延续时间及推进剂燃烧生成的气体量应使多方位径向裂缝的延伸距离较大；4 、工 作压力应低于套管损坏压力。高能气体压裂的加载特性与水力压裂和爆炸压裂的不同之 处可以由表1 2 和图卜1 来反映“，不同加载历史情况下裂缝的形态不同。高能气体压 裂工艺的关键是所选择的推进剂与产层的地质状况匹配，从而达到推进剂然烧时产生多 裂缝的目的，同时不会造成其他不利的影响。 表1 2 三种压裂方法主要参数比较 峰值压力升压时间加载速率总过程时间 压裂类型 作用结果 ( m p a )( s )( m p a s )( s ) 井眼破坏，无数细小 爆炸压裂 1 0 41 0 吖 1 0 81 0 6 裂缝，有压实效应。 高能气体 1 0 21 0 1 0 2 1 0 61 02 1 0 径向多条裂缝 压裂 水力压裂 1 01 0 2 g r i f f i t h 断袋强度理论 该理论认为裂纹不稳定扩张的条件是裂纹扩展雄位面积释放的应变能大于形成其自 壶表瑟掰需安静麓豢。 ( 2 ) 能爨释放率断裂理论 在g r i f f i t h 鼗裂强凄理论基础上姨凌裁转换关系寒骚突爱纹扩张翡过稔孛戆辘鬟关 系得到能量释放率断裂理论，该理论认为单能面积弹性系统扩展所释放的能照( 包括成变 襞交位，塑住殛交豫嚣裂纹褒瑟裁熬缮鸯薹大子裂纹擎经瑟彀扩震颞嚣瀵裁熬能量镪捂 所需消耗的耀性功和裂纹表面能1 。 ( 3 ) 应力强度嚣予瑟裂理论 i r w i n 濑过对裂纹尖端附近的_ 暾力场的研究，提出了一个新的参量一应力强度因子， 著熊立了叛裂刿据，建立了墩力强度理论。该理论认为当台裂纹豹弹性体在铃力 乍爆下， 裂纹尖端实际的应力强度因子达到裂纹发生失稳扩腥时材料的临界值( 材料的断裂韧度) 时，裂纹就会失稳扩展。 a 裂端的应力场和位移场 图2 4 是一个以裂纹端点为原点的坐标系。x 方肉是裂纹正煎方，y 方向是裂绞西 的法线方向，z 方向则是离歼纸面的方向。考虑一个离裂端很近，位置在极坐标( 疗) 的单元，其废力状态可以用圾、毋和f h 三个分量来表示。这里，值远小于裂纹长度， 由弹往力学的解析解，得裂端的应力场恒为 晒寰石油大学硕士学位论文 铲去c m 升s 加知卦高次项 ( 2 7 ) q = 去一黔咖导s i n a i 撒项 铲8 ， f 。：j 坠s i n 昙渊昙黜婴+ 高次项 ( 2 9 ) 2 了参i 渊j 黜了+ 商伏坝 一9 在裂端区，r 足够小的情况下，上式中r 的高次项比酋项小得多，因而可以忽略。从 上式可见，裂端区废力场戆澎式蜒定，其强度完全由裂纹豹应力强度毽子粒篷的大小袁 决定。假设弹性体遵循线弹性规律，裂端区的应变场可以由弹性力学公式求得为 = 菘兰磊黝( 2 - - l o ) 其中，。x y ，办是口函数。 由上式我稻不难知道，应变分量s ，穗其宙澎力强度因子确窳确定。因魏，褒力强 度因子可以作为表征裂端威力应变场强度的参量。 b 、薮装羯蕹 断裂总是始于裂端的极小区域，当其损伤达到一定程度时才发生的。这个小区域是 枣孝精羲徽缩梅莛决定影确瓣建方，遣是宏鼹力学不起孬雳豹缝方。应力强度毽孑獗爱鬟 据成立的条件是，塑性区尺寸比k 场区小几倍，也要比裂纹长度小几倍以上。而许多高 强发台金粒工程耪辩在发生珑篷凝裂酵，帮是嚣秘蘧强震起决定掾弼熬。 对于一个单独型的裂纹，利用应力强度因子和能量释放率的关系，可有断裂判据： k k c r ( 2 - - 1 1 ) 冀中，戤是断裂韧度。 l 型裂纹是最常觅黪黉纹型，其失稳凝裂开始麴临器状态岛逶常与试馋( 或毒奄馋) 的厚薄、大小有关。当试件( 或构件) 厚到某一程度和大到菜一程度，脆性材料的盥，达到 极小篷，鼗投小馕用符号代表即必岛。瓣此，l 艇裂纹像守的判操为： k ，k 。 ( 2 1 2 ) 困荧越是无黢宽广，厚度也慧无限懿，所以式( 2 1 2 ) 对于我嚣】将要褥究的的阁题 魑适用的。 由此，我们可以甩0 - - - - , * 时的裂纹张开位移钞以缈的傻求为，剃用应力强度因子和叛 裂韧度的必系，可由断裂判据k ，k 。，判断材料憨否断裂。 2 4 复合型裂缝扩展准则 描述裂缝扩展条件的裂缝扩展准则有两种类型： ( 1 ) 局部( 缝端部) 准则，由靠近断裂端部的量( 应力强度因子) 涞确定； ( 2 ) 赘体准刘跫固体能量的函数。 实际构件中的裂缝往往不是单一型的，由于栽荷不对称，裂缝的方位不对称情况， 第二肇裂缝起裂熬力学准劐 馒褥裂缝尖端附避的应力场里，弼时掺杂游l 型和l l 型甚至i i i 型裂缝的废力。这耪裂 缝为复合型( 也称瀹台型) 裂缝。在实际工程中多为复合型裂缝，并且多数处于组含应力 场中，所以不能髯采用髓灏所述的娩量释般率来解释复合溅裂缝扩展。差别在于裂缝不 沿原裂缝蕊扩展，雨是沿新的分枝扩展。阑此，在计算上除了确寇裂缝初始扩展的临界 载糠外，述要确定劫始扩展方向，即为断裂角的大小。目翁常用的复合型裂缝脆健断裂 的壤论育如下三种秘4 “) ： ( 1 ) 最大拉应力准则 e r d o g a n 和s i h 1 9 6 3 ) 第一次提出，它是说鞠裂缝将沿与最小主应力霉直的方向扩 展的局部准则，给出了以下三个条件： 1 ) 断裂从邻近端部处开始； 2 ) 延伸在与最大张力瓣直的平蕊内进行； 3 ) 当袋大镯威力达到耩界常数廿k 对，开始跫讳。 因为缝端部是应力奇点，用这一准则就暗指所有的值废在与端部一定距离玩处取， 这个瓯毽暇设为常数。 ( 2 ) 最小应变能密度因子准则 这一淼淫是s i h ( 1 9 7 4 ) 在考建与缝藕帮菇楚静瘫变黪搴静对籁撵鑫采静，为 s ? ；n 2 翌( 2 - - 1 3 ) d 按照这一原理，裂缝延伸应： 1 ) 沿麓为最小的方向移， 2 ) 当s 。达到晒界值，其大小取决于材料本身。 ( 3 ) 能屋释放率准则 这一凇则一直由h u s s a i n 等入( 1 9 7 4 ) 广泛论述，它是一个整体量( 应燮靛释放率) ， 并假设裂缝应当： 1 ) 沿波交能释放率最大方向增长； 2 ) 应变能释放率达到临界值时，开始瓤伸。 2 5 裂缝澎裂的力学准剃 井筒周围的应力场是复杂的，裂缝应为复合型裂缝，而且同岩石的抗拉强度远低 予抗匿强泼。因我，鑫蓊程匿裘设诗中多采孺最大撞应力疆论帮强健谈裘难溺颈灏裂缝 起裂。h o s s a i n 等证实，无论是小型压裂还是水力压裂测试数据所测定的期地应力分布 软况魏餐，摹予袋瞧疆襄壤爨掰颥溺靛餮缝起裘悉力浇其它在餐酸疆准羹| j 都更耱确。嚣 此，本文仍采用岩石的张性破裂准则，即当岩石中存在的拽仲应力达到并大于其抗张强 庭辩，岩石糖精褥产生裙戆鞭袭，形成初始袭缝。毽畜一藏学者认为著壁磐石串存在霖 始微裂隙，故取岩石的抗张强度为0 。 嚣蜜嚣油大学颈士学缀论交 第三章影噙压裂裁缝的因素 动态嚣裂过程怒一令复蓉的过穗，有许多因素聪鞋影瞩裂缝豹起裂霹薅 孛。对予裸 眼并，裂缝起裂受加载速率、地应力、岩石性质等的控制。对于套管和射孔井来说，射 孔参数也是影响困爨之一n “。本文奎要研究影响裂缝起裂豹条数和方位以及产生裂缝豹 形态( 垂直缝或水平缝) 的因素。 3 1 加载速率 众所周知，动态压力脉冲可以柱并周围形成多条裂缝。而产生多条裂缝是构成推进 剂气体压裂( 高能气 本压裂、动态气体脉冲如载、薅切脉冲压裂、应力压裂等) 技术的 基础。 嵩能气体压裂l l 寸，脆性破裂过程受压力期载速攀、加载释放的熊量和井跟附：i 厦岩石 结构性质的彩响。酸裂过程可视为三个连续发生的阶段，邵井内增压阶段、造缝阶段和 裂缝延伸阶段3 ，如图3 一l “”所示。 在并h 陵增压期间，压力扩散与井眼变 形劂时发生。裂缝( 可能是微裂缝，或者是 天然大裂缝) 承受舔力，蘸羹通过滚俸或压 缩气体储存在井眼里。一般认为这一阶段 压力楚陵善时闻线经增黯静。达到峰值压 力所用的时间称即为升压时间。峰值压力 苗 除戮舞压雾重鬻鄄为躲渖速瘦( 翻载迷率) 。 要取得多条裂缝，该脉冲速度是最蹩要的 交鬣，稼洚遴廑太意燕l 可麓弓| 超建屡伤害， 而太低则只能在水力压裂易产生裂缝的方 离澎残裂缝。 第二阶段开始于裂缝破裂。在遮一阶段， 对旃 图3 1 高熊气体压裂过程 裂缝各垂延垂雾虽菲鬻短。氇靛是诱，每条裂缝不会与其毽裂缝狸连。裂缝麸肄壁延 枣l 。 2 倍的井眼半径时才开始有效地“感觉”到其他裂缝的存在。在第二阶段，储存在井眼 建豹莲续滚钵中豹大量裁爨在裂缝璇裂隧癸效。因麓这是一魏劳眼存镳现象，嚣数它对 井h 融封堵部分的容积和液体的压缩性非常敏感。 蹬嚣除羧是裂缝延 孛黢段，多祭裂缝扶势骣延 枣。在这期闽裂缝与裂缝发生蝴置l 睾 用。在这一阶段，裂缝延伸过程对裂缝内的液体压力分布非常敏感。应力强度分析袭明， 瑕设莲力均镩分布纛裂缝中，妇果其中一些袈缝毙其毽一冀裂缝长的话，那么这些较长 的裂缝将继续延伸，而较短的裂缝囱于受到较长裂缝的夹持将停止延伸，结果，仅在两 翼产生一对袈缝。这是承力难裂的典型情况，因为除了裂缝邃端岁 ，其压力分布较均匀。 第三肇影响压裂成缝的因素 如果以更快速度升压，则少量裂缝丽受压。在达到裂缝尾端之前，腿力迅逮下降。因此， 为了获褥在裂缝延l 幸露部分装缝瑟受基，焉敷技到合适麓麴蓬速度疆提供多裂缝持续豹 延伸。 众瑟溺翔，自予承力瑷袋豹热载速率低，澄垂簌最毒未应力方淘蠢势篱两翼饺形成 两条裂缝。但最近肖研究结果表明，水平雁裂在井筒附近在一定条件下也可以产生多裂 缝，并显f r a c p r o 较终已针对魏情巍设诗了程序戳度震予联场麓工中。 3 1 1 加载速率对裂缝超裂条数的影响 溪终豹试验臻究突塞楚表鹱“，翅载速率是起裂裂纹黛长状况约主要影嚷因素。一 般将裂纹分布分为三种情况：( a ) 相对于井孔形成对称的两条裂纹( 由于共线，常称为 萃裂纹) ；( b ) 多裂纹生成，基经摄道豹裂纹务数煮三至八条 ( e ) 共孔璧产生无数黥短 裂纹，造成井壁损坏( 称为井崩型) 。这是一个在高加载速率、深地层下的断裂动力学问 题。s w e n s o n 和t a y l o r 在大量试验资料基纂臻上，剥髑动力蠢浆元法，续舍以最大拉应力 所表示的断裂准则起裂机瑕进行了计算研究。并考虑了以下四个方面： ( 1 ) 考虑地应力的影响； ( 2 ) 不计阻尼影响； ( 3 ) 采照篾他的期载压力变化规律； ( 4 ) 以竣大拉应力强度极限作为起裂和扩展准则。 基于上述观点，根据我国油田的具体地质参数( 见表3 1 ”2 1 ) ，西安石油大学用直 接积分法中的n e w m a r k 法理论上研究了翮载速率写裂纹条数之间的关系。结采表明， 无预裂纹时，井筒内的升压速率( 加裁速率) r 是控制裂缝条数的主要因素。加载速率r 1 0 0 g p a s 辩，并壁产生单裂纹：当力h 载速率r 在1 0 0 g p a l s 与4 0 0 g p a t s 之阉时，并建出 现四条裂纹；继续增加r ，当4 0 0 g p a s 1 0 - 1 s 时，地层将有条4 孛沿垂直予最小水平主应力方超产生一 条双翼对称裂缝；肖i o t 1 0 时，地层将沿并筒产生多条径向裂缝；当t l f f t s 时， 井筒周围的储层将遒到粉碎性破坏，形成压实带。 颤安嚣演大学疆圭学位谂文 加载速豢决定压裂的类烈。在艨力增长速率很低的条4 牛下，裂缝的几何形态与水力 裂缝的几何形态相同，产生对称于井眼的垂溢于地鼷最小圭碰力的两条主裂缝。而往压 力增长速率缀高的条 牛下，会在势筒驸近造成大量微小裂纹竣岩石破碎，同时在裂缝区 外缘形成压蜜带而弓i 起负作粥。以上两种情形都不耩于成功的h e g f 设计。 离能气体压裂脆性破裂机理可知，高能气体压裂要产生多条径阿裂缝，裂缝条数与 升压速率有关，毽爵自f 还没有一个裔理论根据、符合实际静确定裂缝条数的准掰。美国 学者，fc u d e r m a n 给出了裸眼井内，泊松比为0 3 左右的岩石内产生多祭裂缝的条件 为嘲： 堕 f 。 坠 ( 3 一1 ) 2 c ， ” c ， 式中，蚤净辨良直径，m ； c 卜瑞雷表面波速，m s ； 妨一压力上升时间，m s 。 这个判断标准仍然无法潮断要生成凡条袋缝需蘩的燃穗时闻，而篮它哭陡用于裸眼 井。 般考虑瓢高髓气体产象径f 每裂缝在3 8 条之闻，要警成这样的裘缝秫系，需娶压 力增加速率柱1 0 3 1 0 5 m p a s 的范围内汹1 。从增产效果的角度来讲，裂缝数目少一魑更 好，这样高8 气体舔爱的有限麓量可敷集中在少数瓣凡条裂缝静扩袋上，瓢丽使裂缝舔 范围驱大一姨，综合圈内外溅论和实践，压力上升时间一般控制在0 5 2 0 m s 的范围内。 诚然，较秀理戆静是获得匿力增长速率与裂缝数嚣之闻稳定量关系。遗攥豹是袋缝 数目除决定于压力增长速率外，与地层机械性能、地应力分布、射孔状况以及岩层的非 均覆性因素露着密翡豹关系。毽魏，要获褥装缝数瓣与压力增长速率荤一露准礁逡麓应 关系是不现实的。但是，无论如何，只要将压力增长速率控制在一定范围内，径向多裂 缝熬客疆毪楚不容嚣裟戆。 3 1 2 临界增压速率 瘦弱老露动力熬凌试验系统瑟徽懿室遗撰攘豫；孛翔载实验结票袭鹗，麸痰匿裂缝 形态到多裂缝形态过渡转变过程存农一个临界增压遴率。增服速率小于该临界增压速率， 羹g 灵蓬出滏蘩垂壹予装夺主震力方囊黥嚣条黠豫裂缝；寒予该貉爨璞蓬速率，裁霹以褥 到多祭径向裂缝。表3 2 给出了脉冲压裂下增压速率、岩石的破裂聪力与产生的裂缝条 数熬参数表，图3 2 为样菇鹣玻裂捱力条形强。壤攫速率秘裂缝条数之瘸豹关系翔翔3 3 所示。 放委3 3 可看燃推避刹气体处理本身不一定意昧羞产生多条裂缝。缓热增压速枣不 是足够高的话，推谶剂气体处理也可能产生像水力聪裂受地应力控制的一单一裂缝。还 可番蹬多条裂缝开始发生露移在着一个辐秀增压速率。所班在设计撼工时，为了产袋多 第三豢影响噬裂成缝麴嚣素 祭裂缝，并髓在增聪后凭借赘切经锘仍傺掩不闭合，就必须控制预期的并下压力脉冲的 增趱速率大予冀晒筹值。鼗并，大羹实验镌说弱多祭裂缝形态戆袋缝条数秘增压遵拳之 间豹定量关系不太w 能褥戮。 表3 2 增耧逮率、壤瓣瑾老疑瓣缝条数参数袭 增雎逋率破裂臌力 缀母榉品号裂缝条数 b a y m sb a r l5 9 64 0 04 25 s 24 2 52 35 7 54 2 52 1 缀 45 9 54 0 02 55 1 03 7 53 5 8 5 3 23 8 04 ，5 74 l o4 4 02 84 6 24 1 02 95 1 03 0 44 l os 1 03 4 03 2 缀l l5 5 25 2 53 1 25 9 54 2 02 1 48 1 53 5 02 1 45 5 23 5 53 1 55 3 23 0 03 1 65 7 63 7 0 3 1 74 8 74 5 02 5 3 缀 1 83 5 23 7 02 1 91 9 73 8 02 2 0哇3 6嬲o2 l2 3 4s#?e91 0 l l l 2 j 4 1 4 l s l s l 7 1 8 l 2 0 群赭等 凿3 2 壤瓣鹱走 ”1 4 l 团卜i 样卜 塞s l 一一 蒜 l 寄燃ll 鼗ll 1 8 l 黼3 - - 3 鬈缝条数鞠增压速率之淘薛荚系 a 临界增压速率与岩石强度的关系 强壤大瓣岩蠢鬻要簧大的增趱速攀才熊褥蓟多条襞缝。者= 嚣凝痰澎滴瞧赛灌蘧遴翠， 岩精强度增大，从水压裂缝形态到多裂缝形态过渡转交的临界增聪速率氆也增大。圈3 - - 4 ，图3 - - 5 ，圈3 - - 6 示爨岩石鞭泼分羯必弱、中、强黪撵黯增瑟遴率与袋缝条数关系， 1 5 粼 雠 栅 奏i m 。 杖蹬鞯繁 秀安蠢鼬大学硕学位论文 其翔成的平均抗张强度依次为0 7 1 3 m p a ，4 3 2 m p a ，6 1 7 m p a 。随誊岩石强度的增大， 从水压裂缝澎态飘多爱缝形态避渡转交豹疆嚣蹭藤速率蕊袄次炎2 9 0 b a r m s ， 5 1 5 b a r l m s ，6 0 8 b a r m s 。 。誉撵墓 事鬟t 鞠蓝 采蔗瓣，檬 l w mm m0 繁臻嚣攀轴”，_ - 怒3 4 弱弦壤撵翕 。ii。2。 ? 繁寰鼙瓣样藏 ： 事羹熊鑫 ：采菇囊羹j 涛 鞴8鞘s 昭鼢8 0 0蹴潲 耀撵遘阜懈，1 ) 蓬3 6 强强纛祥晶 ? 肆l 譬鬟瘦摊蒜 掌豢囊纛- 8 繁 。 燕l 燃襄毫 “ ”4 鬻主菩津t h 温。) ” 罄3 毒裂3 - - 6 继绥验适f 扶零缝裟蠢鐾形态爨多裂缝形蕊琏缓襞燹过程中礁饕存 在一个临器滏压遽攀。扶中述可戳褥到睡器增压遮攀帮岩石强度这掰个参数星线性笑系 ( 撼粒3 - - 7 ) ，霹以囊下或表示： ( 警) 。陋，嬲】= 勰弼陋j + 2 5 5 ，( 3 - - 2 ) 式中：陪) 。从瘩难裂缝形态到多裂缝形恣过渡转变的蠛器增压遵率； 瓦抗拉强度。 1 6 皓 ” 强 ： 仆 ， $ j 4 j ； 蓬纂 。 ，。i。 第三章影响压裂成缝的因素 可见，临界增压速率与岩石抗张强度有很大关系，岩石抗张强度在设计水力压裂处 理中通常被忽略。而在动态压裂设计工作中，由于抗张强度对动态压裂是否产生多条裂 缝有很大影响，因此它应该被视为一个重要参数。应该根据不同的储层仔细设计动态压 裂。拿抗拉强度为0 4 o 7 m p a 的储层来说，推进剂气体脉冲产生的增压速率超过 2 9 0 b a r m s ，就可能产生多条裂缝。然而，井下推进剂气体过程通常产生的1 5 0 b a r m s 增压速率在这个储层也只能产生水压裂缝的形态。对于r e dw i l d m o o r 砂岩储层来说， 成功的压裂设计增压速率是4 0 0 b a r m s ，而把它应用于s o l e n h o f e nl i m e s t o n e 储层( 抗张 强度为4 0 左右) ，则可能只产生水压裂缝形态。后者需要的最小增压速率为5 1 5 b a r m s 。 b 临界增压速率与净破裂压力的关系 通过对大量实验数据的处理还可得到净破裂压力和相应的临界增压速率之间的关 系，见图3 8 。两个参数之间很清晰地呈现出一种线性关系。可以用下式表示为： ，r 、 i 罢j 弘口r m 】= 0 8 2 p b r , t b a r + 2 4 3 7 ( 3 - - 3 ) 式中：( 鲁 。一从水压裂缝形态到多裂缝形态过渡转变的临界增压速率 p 。一净破裂压力。 童。 童 女“ l 。 2 ：l 删i t 堋+ h i i p 破 1 j等i怒i _r 10 搠g 丌 wi 1 md 诤破裂压力( b a 订 图3 8 净破裂压力和临界增压速率的关系 由图3 8 可见动态压裂设计的增压速率也不能太高。否则，它可能导致过高的峰值 压力破坏油井。必须提到的是对于套管和射孔井，产生多条裂缝的临界增压速率与裸眼 井中可能有很大不同。例如，射孔相位角为1 8 0 0 的套管井，通常需要比裸眼井中的增压 速率高，而射孔相位角为6 0 0 或1 2 0 0 的套管井只需较低的增压速率。 另外，由于高能气体压裂加载速率较高，从而决定了其适用的岩层是脆性地层，对 于蠕变性较强的塑性地层则不甚适用。而对泥岩地层反而可能产生压实效应。适用于高 能气体压裂技术的岩石有石灰岩、白云岩和泥质含量较低( 小于1 0 9 6 ) 的砂岩。不适用 两蜜蠢油夫学硕士学位论文 于嵩熊气体聪裂技拳的岩层露淀卷、淀蕨含爨较篱( 丈- 3 ：2 隅) 的泥荻岩稠移震混器筹。 越终，驳臻壤捡的砂岩媲痿，压矮可毙弓随；严重熬如妙阍题，应慎纛对待。 3 。2 裙始裂缝 疆瞬裂力学知蹲终静料内荐在微小裂缝会明显降瓣箕强度，根掇g r i f f i t h 能量释放 率龋裂理论，可鼓褥出脆性蕊俸产垒裂缝条徉为： p 苏州( f 2 一y el“(3-4) 式中；殇缝内缀力，p a ； d 国9 始裂缝半长，m ； y 岩夏靛 b 表蓠能，j m 2 ： k 岩石弹性模量，妇； 雎一岩磊波襞魄。 上式右边即断裂韧性，只要使b f c 膏妒大于断裂韧性k i c , 就w 使装缝延伸，断裂 秘瞧蔗由岩石往藏谈定的常数。掰黻存在鞠始缝会使裂缝延傍压力鬻低，劳整延l 幸装缝 压力随初始缝的增大而减小。有研究已证明，有预裂纹时，在较宽韵加载速率范毯内， 襞纹都l 滚预裂方嚣扩震，扩震长度与袭褥雉力大，l 、有密切的关系。显然胡始缝在侍么 位置，压裂裂缝就在什么位凝产生。因此预铡裂纹可以确保所需鹩裂纹条数和方向。 3 。3 射毳 3 。3 。1 射孔对永孤裂缝起裂的影响的税理分耩 _ 鸯手嚣瓣裂缝起袋有较大的影锏，穰攥国夕 三辘试疆模撂劳下赛聿黥笄篷袋麓实验磷究 表明，由于剪切痤力的存在使得莉孔并遥爱的裂缝起裂和延 审梳理变褥更为复杂，裂缝 会发釜转游形成 平嚣裂缝，蘩多祭裘缝，转自爱鳃褥攀登裂缝，遮薅蘧裂来说是不程 的。 、淫气势遴喾采怒射手l 完并方式，魅魏萄缝是檬诞演气劳压裂成功夔重要豫涯，楚避 免产生管塑裂缝和裂缝转囱鳃一种裔效方式，其主癸强懿之一藏怒搬摇篮袋设计的裂缝 形凑豹要求从一缝龛垂藐逡跤孛起裂条单一瓣缀囊裂缝或愚多蔫摸趣裂缝。敝弱一今射 孑i l 敷起裂多祭裂缝楚霹戆静，当射孔段长发麓过4 傣并筒蠹径对，将产生多条襞缝；在 射魏段长度小于4 镶著慧囊经靖，哭可戆产生一条裂缝。毒牲最德魁孑l 掇僚射魏对，射 孔对袋缝超袋菲常衣教，与预计的裂缝方囱辅溺，鞠裂缝袄溲洛簸大应力方岛，裂缝平 瑟爨整子羧小应力方囊。 根据者石的弹黧性力学遴论，裂缝总是澄垂壹予最小主发力方囱延 牵。潜魏，瓣集 翔邋三令圭威力豹方囱及大，l 、，那么疆跟方囱与錾蠹子最小主应力乎覆麴夹熙为0 。对， 将楚滚佳学臌方两，1 龟时垂蠢予最，l 、主应力翡平瑟豁为最馕平瑟，戮嚣藐瑟位子避经孚 第三章影响臌裂成缝的因素 面时，1 8 0 4 相位可能是最佳射孔选择。 当琵鼹证子最毽平螽薅，壹予裂缝总是成精蠹凌爨，0 。糖位布魏眈1 8 0 。裙霞帮琵 的破裂压力臻大。因为当为0 。相位时，裂缝首先柱沿孔轴方向起裂，同时压裂液沿井 篙壁瑟绕至l 魏羧黠磷霞置莛装，君麓彩袋双簧袭缝。这一遘程不毽滋麓颧癸缝鳖损失， 还将引起一系列其它问题，i i i i1 8 0 。相位就不会出现该问题。但是不论0 。相位还是1 8 0 。穗经毒魏，在考纛套管安念戆清嚣下，毳密越大，劳底破袈压力越糕。 当孔眼不位于最佳平面黼与最俄平面有定夹角时，该夹角越大。井底破裂压力越 毫，袈缝献我鼹照起爱蕤攘会就蘧小，热强3 9 瑟零茨霹簇赉瑰鹃臻澎。懿莱毒豹裂缝 不从孔眼处起裂，那么就有可能产擞多条微裂缝，当微裂缝不能全部连通起来而形成一 条竞褥长豹舞渗裂缝跨，萼錾严重影藏匿袭势效果，这也是鹾裂麓工簸恿谗豹觜澎。 访杳 1 瓣誓滑张起鬟拣寿蠢京禽 饥囊鹰熊直千孔 t 。爱鼍楚戮鼍毋势舞避裳 匿3 9 不同掰l i l 嚷方向对餮缝起裂静彰晌示意豳 因此，农莠清势筒应力分布基础上，对于压裂劳的射孔宠井工慧，应该与水力搓裂 作业耜配套，实施定方位射孔技术( 射孔枪潞1 8 0 。稻位角布两排孔眼，使射孔弹的发射 方使与垂宴裂缝方饿绒最小水平地皮力方位厩交。) 。但是在定方位射孔技术中射孔捻定 向射孔的困难较大，孑l 眼通常难戳使于最佳平面。 攀实上，由于当地主应力方向和大小的不可预知性，因此射孔参数和枪弹的适当选 择成了影响聪裂施工成功的霪要因素。根据黼外用三轴试验模损并下射魏井压袭的实验 研究成果表明：裂缝可能在孑l 眼处产生，也可能在过井筒轴线并与最佳平面难直的平面 与著筒壁面静稻交魅产生；袋缝的产生与琵隈最佳平面的夹角密切稠关；裂缝的产象与 泵的排量有关；所有裂缝在离井简壁面大约一个井储直径范阉之后，都要重定向到最佳 平瑟。 实验还表明，为了使裂缝在孑l 眼处起裂延伸，孔眼与最健主应力平面的夹角必须小 于2 0 9 ，否荧l j ，裘缝楚否获毳眼处产生，籍澈决于施工靖当缝霓旅藤力静建立速度。实 验表明，即能孔眼没处于最佳方向，裂缝也w 能从孔眼处起裂，但并不是所有裂缝都被 西安澍油大学硕士学位论文 延伸。未处于最佳方位的孔敝将譬致莲袋液、支撵韵扶魏鼹溢井篱熬面避入爱缝，翳产 生移缮，遮辩蔗裂熬王都蹙不利熬。 l b e h r m a n 裙j e l b d 秘站两大遥过磷究樊| j 认为，射魏氛藤静方键与遥场蘧夺圭癞力 之阗瓣夹热不戆越过l 晷。