水力裂缝存在形式及压裂机理研究现状

1、水力裂缝存在形式及压裂机理研究现状 水力裂缝存在形式及压裂机理研究现状 摘要 介绍了水力裂缝存在形式及压裂机理研究现状，为石油及页岩气开采中的水力压裂技术提供了一定的帮助作用。 关键词 水力裂缝；存在形式；压裂机理 中图分类号：TV543文献标识码： A 文章编号： 水力压裂自1947年在美国试验成功至今，已经由简单的低排量压裂增产方法开展成为一项成熟的开采工艺技术，水平井压裂技术可以改善水平井生产情况，提高水平井单井产量，并且在开发低渗透油气田方面有很大的潜力。对于水平井压裂裂缝起裂及裂缝延伸问题，国内外许多专家和学者进行了丰富的研究。由于现在水平井压裂技术在理论上不太成熟，现场施工比拟复杂

2、，目前国内还处于一个起始实验阶段。 一、水力裂缝类型 在不同的地应力状态和井筒方位下，水平井压裂形成的裂缝形态也不同，通常水平井压裂的裂缝有几种典型的形态：纵向裂缝，横向裂缝，转向裂缝及扭曲裂缝。 (1)纵向裂缝 纵向裂缝是沿着水平井井筒起裂的，根据裂缝延伸的方向往往垂直于最小主应力方向的规律，形成纵向裂缝时并筒方向应该与最大水平主应力的方向一致，。纵向裂缝有时可以把油层泄油面积向油层的上下边界扩展，在某些情况下纵向裂缝还可以解除深度井筒伤害，改善油层的各向异性，降低井筒周围汇流的影响。 (2)横向裂缝 横向裂缝是沿着垂直于井简的方向起裂的裂缝，它一般产生在水平井井筒水平段平行于最小主应力方向

3、的水平井。每条裂缝从一组孔眼起裂，并沿着井筒径向延伸开去，沿着井筒可以同时或相继压开多条裂缝。横向裂缝可以改善低渗透油层渗流状况，有利于增加油层泄油面积。一般压开多条横向裂缝，这样裂缝最大可能地贯穿油层，所以能大大提高采油速度，并有利于提高采收率。从油藏工程的观点出发，其主要缺点是流体将聚集在裂缝中以向心流流入井底，这将导致裂缝中流动压降的增加。 (3)转向裂缝 在实际作业中，由于多方面因素的影响，钻成的水平井井段并不能完全保持沿哪个水平主应力方向钻进，而一般是与水平主应力成一定的夹角。根据裂缝延伸往往垂直于最小主应力的方向这规律，水平井压裂所形成的裂缝将不一定与水平并段成o度或者90度角，也

4、就是说不一定形成标准的横向裂缝或者纵向裂缝，再加上其他因素如天然裂缝、射孔方位和近井筒应力状态的影响，当裂缝起裂方位与裂缝延伸方位不一致时，往往出现裂缝转向和扭曲，这就是所谓的转向裂缝和扭曲裂缝。 (4)扭曲型裂缝 扭曲型裂缝与转向裂缝类似，但在裂缝延伸过程中，扭曲裂缝的裂缝转动方向与转向裂缝不同，扭曲裂缝的上半缝和下半缝是向着两个不同的平面发生转动，而转向裂缝的上半缝和下半缝是向着两个平行的平面发生转动。在有些情况下由于射孔等导致井筒应力集中，裂缝沿着井筒纵向起裂。水平井井筒方向垂直于最大水平主应力方向，起裂的纵向裂缝从井筒延伸出来在远井筒地应力状态下会转向于横向裂缝的方向。这样就会导致裂缝

5、在离开井筒附近后的扭曲。如同转向裂缝一样，扭曲型裂缝也会造成裂缝在近井筒附近的快速收聚。而且其收聚的程度比转向裂缝更大，所造成的产量和压裂施工上的负面影响也较大。 二、水力裂缝压裂机理 在古典分析中，将岩石看作是弹性介质，而且假设井筒处于平面应变条件下，让井壁的周向应力等于岩石介质的拉伸断裂应力，以此确定井筒裂缝起裂压力。1969年，Haimson和Fmrhurst考虑了孔隙度和孔隙压力的影响，将孔隙弹性力学应用于油井压裂：1979年，Bradle认识到剪切应力的重要性，提出了一套计算井筒周围应力分量的公式。 1981年，黄荣樽教授【1】对地层的破裂模式和破裂压力进行了探讨，给出了裂缝起裂压力

6、计算公式；1987年，CHYew利用前人的井筒应力场计算模型，忽略了孔隙度、孔隙压力和岩石抗张强度对裂缝起裂的影响，从而得到了简化的垂直井筒和水平井筒起裂结果；在同一年BSAadnoy，Rogalandu等对垂直井和斜井的地应力进行了研究，在地应力的计算中考虑了孔隙压力和倾斜角的影响；1988年，CEAustin等提出了裂缝起裂点的数目可以人为的选取或通过计算模型来确定。在没有计算模型或较好的指标的情况下，建议裂缝起裂点的间距通常为250-300英尺较为合理；1989年，CHYew等详细提出了斜井水力压裂设计的技术概念和方法，改良了以前的坐标系统，提出一种新的坐标变换，分析了裸眼井复合裂缝相互

7、连接所要求的孔眼间距以及套管井中套管对孔位和孔密的影响，建立了裂缝相互连接的判据。 1990年， S01iman指出在斜井的起裂过程中一般裂缝起裂平面垂直或平行井筒较为合理；1994年，余雄鹰等根据CHYew改良的坐标系统，利用三维弹性力学建立了斜井井筒应力分布模型，根据最大拉应力破裂准那么建立裂缝起裂压力和裂缝方位的控制方程，认为地层起裂压力存在一个临界井斜角和临界方位角；1995年，陈勉教授【2】等考虑到岩石介质孔隙压力、压裂液渗流效应及作业条件对裂缝起裂的影响，利用多孔弹性理论，采用叠加原理建立了斜井井筒周围的应力分布，根据裂缝起裂角的多值性，提出了斜井起裂压力和起裂角的计算模型及其判据

8、，阐述了水平裂缝和垂直裂缝的起裂机理；同时，ZChen等通过具体实例计算研究了水平井轴与最大水平主应力之间夹角对裂缝起裂压力的影响，得出当井眼轴向与最大水平主应力平行时，裂缝起裂压力最小，井眼轴向与最大水平主应力垂直时，裂缝起裂压力最大的结论；1996年，JLBrumley等通过实验对裂缝起裂进行了解释；1998年，李海涛等通过射孔参数(包括孔密、孔径、相位和射孔方式)对垂直井压裂施工压力的影响和对裂缝起裂的影响的分析，提出了待压裂施工井的射孔优化设计方法；MAEmanuele等提出了通过调整射孔和加大注入量等方法防止多条裂缝同时起裂，Wolfgang FJDeeg通过坐标变换，建立了裸眼斜井

9、和水平井的裂缝起裂压力计算模型，并分析了井斜角和方位角对裂缝起裂压力的影响。 2000年，Hossain等讨论了在任意方位和井斜条件下井眼轨迹、射孔和应力范围对水力压裂裂缝起裂和裂缝延伸的影响，提出了一套预测水力压裂裂缝沿任意方位井筒起裂的通用模型，建立了射孔完井和裸眼完井条件下的垂直井筒和水平井筒的纵向裂缝、横向裂缝和复杂多裂缝的封闭式解析解，然后组合成一个数值模型来分析起裂裂缝的延伸动态，研究并讨论了在非最正确位置裂缝起裂的原因以及由于起裂裂缝弯曲对裂缝延伸压力和裂缝容积的影响，以解释在水力压裂过程中施工压力异常的原因；李传亮对油井压裂过程中岩石破裂压力计算公式进行了理论研究，并建立新的破裂压力计算公式，讨论了新旧两个公式的适用范围；2001年，柳贡慧等根据射孔井段的应力分布状况，初步探讨合理射孔初始方位角确实定方法；2002年，DGccrosby等对多条裂缝同时起裂的理论进行研究并给出了几种裂缝起裂的判断准那么，详细的阐述了较近两条裂缝之间的相互干扰，对水平井压裂具有重要的指导意义；2003年，张广清等研究了射孔对裂缝起裂压力的影响，指出射孔密度和射孔方位角是影响地层破裂的主要因素，而射孔孔眼长度和射孔孔眼直