本科毕业设计-水力压裂裂缝控缝高技术应用分析

1、西安石油大学本科毕业设计（论文）水力压裂裂缝控缝高技术应用分析 摘 要:压裂裂缝高度的估计和确定目前已经成为压裂过程中最为关键的技术之一。因为裂缝高度在垂向上的过度延伸不仅仅会降低裂缝的长度和宽度甚至会导致多余水和气的产出。而裂缝的长度和宽度变小使得压裂后油井的产量递减快，增产有效期短，影响最终采收率，导致压裂效果不好。如果裂缝延伸进周围的水层或气层，会导致油井产出多余水和气，导致压裂失败。目前国内外有很多控制裂缝高度的技术在油田实施，取得了很好的效果。而出于经济上的考虑，压裂施工前估计裂缝高度并判断是否需要控制裂缝高度是非常重要的。本文在研究国内外资料的情况下总结，分析了裂缝高度的主要影响因

2、素，并对其中最为重要的三个因素（地应力，杨氏模量，界面滑动）进行了详细的分析和总结。在查阅国内外大量资料的情况下，尝试弄清楚各个因素对于裂高度影响的作用机理。在岩石力学性质理论相结合的基础上，我们得到以下的结论。其中，一般情况下地应力对于裂缝高度的影响最为明显。并且通过对地应力分布进行分析，可以直接预测裂缝高度。杨氏模量和界面滑动对于裂缝高度的影响次之。本文的主要目的是为了在压裂施工前采用一个简单的方法估计裂缝的大概高度，并根据地层情况判断是否需要控制裂缝高度。为施工人员提供一个参考。由于目前压裂施工控制裂缝高度可以通过建立三维裂缝延伸方程和模型，并采用相关软件来计算实现。所以本文对此没有做详

3、细的探讨。关键词：水力压裂；控缝高；岩石性质35Analysis of hydraulic fracture height control technologyAbstrct : Fracture and determine the estimated height of fracturing process has become one of the most critical technologies. Because the height of the vertical cracks over extended not only reduce the length and width o

4、f ,but also lead to excess water and gas output. The length and width of cracks smaller makes the production of oil wells decline fast.after fracturing . If the crack extends into the surrounding water layer or gas layer,will lead to excess water, oil and gas production, leading to fracture failure.

5、 There are many cracks at home and abroad control the implementation of high technology in the field and achieved good results. A high degree of fracturing and crack the pre-construction estimates to determine whether the need to control fracture height is very important. Based on the study summed u

6、p the case of domestic and international data, analysis of the main factors affecting fracture height, the most important of the three factors (stress, Young's modulus, interface sliding) carried out a detailed analysis and summary. Access to large amounts of data in the case of domestic, try an

7、d find out the various factors on the mechanism of high-impact fracture. According to the theory of mechanical properties of rock, we get the following conclusions. Stress fracture height for the most obvious effects and through the distribution of stress analysis, can predict fracture height. Young

8、's modulus and interfacial fracture height of sliding for the second. The main purpose of this paper is to use in the fracturing before the crack of a simple method to estimate the approximate height and ground conditions to determine whether under the control of fracture height. Provide a refer

9、ence for construction personnel. Control of cracking due to the current high degree of fracturing can be three-dimensional fracture propagation through the establishment of equations and models, and uses software to calculate the implementation. Therefore, this article does not do detail.Key words:

10、hydraulic fracturing; control slot height; rock property目 录1 绪论11.1 概述11.2 垂向裂缝和水平裂缝的形成11.3 裂缝在垂向上过度延伸的危害及控制裂缝高度的意义22 缝高影响因素分析42.1 概述42.2 地层的应力差42.2.1 背景资料42.2.2 理论证明及裂缝高度理论计算方法52.2.3 油层在不同应力场下裂缝高度72.3 杨氏弹性模量82.3.1 平均模量地层中裂缝延伸情况82.3.2 不同杨氏模量下裂缝延伸情况92.4 界面滑动（剪切裂缝）112.5 小结123 岩石力学基础和裂缝高度估算153.1 概述153.

11、2 引言153.3 地应力的测量和计算153.3.1 应力定义153.3.2 地应力的测量163.3.3 计算应力184 实例分析224.1 地层情况及测井数据224.2 计算地层岩石物性参数224.3 地层应力计算235 裂缝高度的测量255.1 引言255.2 温度测井255.3 放射性测井和噪声测井265.4 直接测量265.5 新技术276 国内外控缝高技术介绍286.1 人工隔层技术286.2 变排量压裂技术296.3 注入非支撑剂段塞控制缝高技术306.4 调整压裂液的密度控制缝高技术306.5 冷却地层控制缝高技术306.6 酸和低排量工艺技术诱发地层破裂技术306.7 用低粘度

12、，低排量和70/140目砂来控制裂缝的高度技术306.8 利用地应力高的泥质隔层控制裂缝高度技术316.9 利用施工排量控制缝高度技术31参考文献32致 谢341 绪论1.1 概述在压裂设计中了解垂直裂缝高度的知识非常重要，裂缝高度对裂缝长度有着显著的影响。从油田实际的数据可以发现，缝长与缝高成反比。在很多情况下，作业全过程中缝高不是保持不变而会延伸。在此情况下，需要发展估计缝高的方法。而实际压裂过程中裂缝在垂直方向上过度延伸会产生很严重的后果。所以需要在压裂前判断是否需要控制裂缝高度。1.2 垂向裂缝和水平裂缝的形成在地层中造缝，形成裂缝的条件与地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的性质及

13、注入方式等密切相关。一般情况下，地下岩石由于埋藏在地下深处，所以承受着很厚的上覆岩层的重力，而且又受到邻近岩石的挤压，地层中的岩石处于压应力状态，作用在地下岩石某单元体上的应力为垂向主应力P1，及水平主应力P2。垂向主应力即该深度以上覆盖地层所形成的压力水平应力一部分是由垂向应力诱导产生，如果水平应力仅由垂向应力诱导产生，那么在各个方向上应该相同。水平应力的另一来源是构造应力，由于受构造运动等方面的影响，两个水平应力一般并不相等，根据其大小分别称为最大水平主应力和最小水平主应力。埋藏在地下深处的岩石，具有弹性与脆性。油层在形成裂缝时，首先发生弹性变形，当超过弹性限度后，油层才开始发生脆性断裂。

14、如果岩石单元是均质的各向同性材料，当已知地层中各应力的大小，油层裂缝的形成即岩石破裂时，首先发生在垂直于岩石最小主应力轴的方向或油层最薄弱的地方。裂缝的形态与方位 油层通过水力压裂后形成的裂缝，有两种形态：即水平裂缝和垂直裂缝。裂缝的形态，取决于地应力中垂向主应力与水平主应力的相对大小。裂缝方位垂直于最小主应力轴。（1）水平裂缝。如果垂向主应力小于水平主应力时，将产生水平裂缝，且裂缝方位垂直于轴。（2）垂直裂缝。当垂向主应力大于水平主应力时，则产生垂直裂缝。而裂缝方位又取决于两个水平主应力的大小。裂缝垂直于最小水平主应力，而平行于最大水平主应力。图1-1 水平裂缝和垂直裂缝产生原理示意图图1-

15、1显示裂缝面上不同大小的水平及垂直应力的影响，经验告知，深于305610m通常形成垂直裂缝。垂直裂缝通常由于上层或下层较高的侧应力而阻滞或停止延伸。1.3 裂缝在垂向上过度延伸的危害及控制裂缝高度的意义裂缝在垂向上过度延伸容易产生很多不利的影响。通过查阅资料，将垂直裂缝过度延伸的危害归纳为下面五个方面： （1）压开油水层 如果目的层上下有水层时，裂缝穿透含水层会导致油气井水淹，降低油气藏的采收率。对于有含有气顶的油藏，压开后还存在“引气入井”的危险，如图1-2所示。图1-2 （2）裂缝长度变短 同样施工规模下，裂缝在垂向上过度延伸会降低裂缝的长度，裂缝长度过短压裂后产量递减快且增产有效期短，影

16、响压裂效果。 图1-3 裂缝长度和高度的模拟计算所绘制出来的关系图由图中可以看出裂缝高度与裂缝长度大约成反比关系。 （3）支撑剂下沉 当裂缝在垂向上过度延伸，特别是裂缝过度的向油气层下部地层延伸时，支撑剂由于重力的作用会向裂缝的下部沉降。如果大部分支撑剂分布在油气层的下部地层，只有极少部分分布在目的层段，将会大大影响压裂效果。 （4）破坏开发层系 对于分层开采的油藏而言，如果裂缝过度延伸将目的层邻近不属于同一开发层系的油层一起压开，将破坏开发层系。 （5）砂堵 裂缝垂向上过度延伸，动态裂缝宽度会急剧变窄。中高砂比甚至低砂比就可能产生严重的砂堵，从而造成施工失败12。由此可见，压裂施工前，如果对

17、于垂直裂缝高度没有进行判断和预测，盲目进行压裂不仅可能影响产量和压裂效果甚至可能造成压裂失败和地层的损害。而裂缝高度的预测和判断在一定的条件下是可以实现的。尽管目前由于理论不够完善，技术不够先进，及现实数据不全等原因对裂缝实际高度不能够做到精确预测，但是在压裂前对裂缝高度进行近似的估计是非常必要的。 如果估计的裂缝高度延伸出目的层进入周围的水层或气层及其他生产层系，那么在压裂设计中就要考虑采用控缝高技术3。由于技术限制，理论不够完善及地层的复杂性等各种原因，裂缝高度的预测往往和实际有不小的差距。所以压裂过程中，只要有条件就要对实际的压裂裂缝高度进行监测。将实际的裂缝高度与预测值对比，不断完善裂

18、缝高度计算的理论。2 缝高影响因素分析2.1 概述 水力压裂时，为了防止裂缝在垂直方向上的过分延伸，沟通上下油其层或水层，同时也为了提高压裂液和支持接的利用率，降低压裂成本，提高油气井的生产能力，国内外的许多学者，专家对控制水力压裂裂缝高度这一课题进行了长期不懈的努力，进过文献查阅表明，油气层与上下隔层的地应力差、岩石弹性模量、界面剪切裂缝等因素对裂缝高度影响最为明显。很多学者建立了不同的模型和理论来解释和预测地层裂缝高度。但是实验室数据，理论计算值跟井场实际测量值之间依然存在很多矛盾。对于裂缝高度的影响因素国外研究很多，争议也比较多。国内对这方面的研究虽然结论相对统一，但是具体机理解释太过笼

19、统，各种分析不够详尽。对于裂缝高度影响因素大多关注理论分析，对实际井的分析还不够。对于各影响因素对于裂缝高度的影响分析比较简单，概括，涉及具体某些井发生的情况还不能够清楚的解释。下面将对裂缝高度的影响因素的作用机理进行分析。2.2 地层的应力差过去人们一直认为地应力是影响垂直裂缝高度最重要的因素，理想的裂缝高度等于目的层的厚度，裂缝在垂向上过度延伸会带来很多不利影响。压裂的目的是在地层中形成一条具有一定几何形态和导流能力的裂缝。因为裂缝在地层中的张开与扩展主要受地应力场、流体场和温度场的控制。而地应力场对裂缝的形成和形态的影响尤为显著。对于压裂改造形成垂直裂缝的井而言，人们希望裂缝高度能够控制

20、在油气层内。长期实践中发现，很多时候裂缝都会穿过目的层而进入邻近的隔层内。影响裂缝高度的诸多因素中，地应力的影响尤为显著35。2.2.1 背景资料 Perkings和Kern，Harrison等人早就提出储层与边界层之间的应力差对遇到裂缝扩展有重要的影响。他们的观点得到了理论，实验以及现场数据的支持，这些都表明地应力差是控制裂缝高度的最重要的因素4。在一个裂缝可以挖开进行观察的坑道实验中，清楚地显示了地应力显著比岩石性质起更重要的作用。在靠近不同物质性质的接触面和应力差异的地方打水平孔，用染色的水压开裂缝。如图所示，裂缝向上延伸进硬的，高强度，高模量的地层，但是他们不能向下延伸，通过薄的高应力

21、层。应力差异的重要性很清楚地可在20个单独的压裂试验中看到，这里没有一个试验能看出是物质性质（模量和强度）起主要影响的。实验室实验同样也证明了这种特性。两种物质接触面附近的裂缝行为并没有显示因物质性质不同而产生的明显影响，而应力显著的差异却能阻碍甚至中止裂缝增长。由于边界层常常是软的，富含粘土的物质多具有高应力的页岩组成，因此这对水力裂缝垂向控制是很有利的。这种软的，富含粘土的物质之所以具有高应力是因为它近似于水静力平衡状态，水平应力应该接近于上覆岩石应力。2.2.2 理论证明及裂缝高度理论计算方法地应力差异的重要性能够用一个简单的力平衡的例子来说明。图2-1 如考虑图 2-1 是一对称的情况

22、，2=3，b2=b3=h2，且忽略岩石的弹性和岩石的强度。设裂缝处于平衡，这样压力产生的内力和由应力产生的外里相等，于是能用来估算裂缝高度。结果得到：2Pa=1h+22a-h （2-1） 重新排列得到2a=h（-Pnet） （2-2） 式中，=2-1，Pnet=p-1。这样如果净压力等于应力差的一半，裂缝的高度就加倍。这种简单的方法对举例说明或心算是有用的，但在压裂设计时，还必须用更复杂的分析.如果忽略物质性质的变化。并且假定在水力裂缝中垂直方向的压力分布是常数，那么就可在应力层的介质中计算裂缝高度。这种计算虽然简单但很重要，它是由Simonson4等人对于对称几何形状提出的，但很容易推广到更

23、复杂的情形。基本上，这种分析是在应力分层的介质中，对于裂缝内部压力给定的情况下计算水力裂缝的平衡高度。在裂缝的顶部和底部计算应力强度因子，让它等于材料的断裂韧性，从而根据应力场确定裂缝的高度，裂缝的位置或中心。对图中所示的几何形状，裂缝顶端的应力强度因子能由下式确定：K1top=1a-aaP（y）a+ya-ydy （2-3）正如Rice给出的。这里，a是裂缝半高度，P（y）张开裂缝内部净压力分布。净压力分布是 py=p-3对于-ay-b （2-4）py=p-1对于-b3y-b2 （2-5） py=p-2对于b2ya （2-6） 附加的约束是：b3=h-b2 （2-7）等式的积分和在裂缝底部得到

24、的类似的积分式产生两个方程，用这两个方程求解裂缝高度。把两个方程相加、相减后得到的形式是：K1ctop+K1cbottom2a=2-1sin-1（b2a）+3-1×sin-1b2a-2+3-2p2 （2-8）K1cbottom-k1Ctop2=2-1a2-b22-3-1a2-b32 （2-9）在解这两个方程时，一般来说，给出压力p，一个方程就可以用来计算裂缝高度，但这需要两个方程的反复迭代解4。在对油田实际压裂效果的研究基础上。D M Talbot 认为 1.4- 4.8 MPa 的地层应力障碍可有效的减缓或停止裂缝高度的生长1。 2.2.3 油层在不同应力场下裂缝高度在水力压裂过程

25、中，水力裂缝最先在底层最小水平主应力剖面的最小应力段开始产生起裂缝。裂缝高度也在最低应力段扩展，裂缝高度的升高或降低的动态变化也是随着地层剖面上最小水平主应力的变化而变化。当裂缝中的压力值大于某一段的最小水平主应力值时，裂缝将穿透这一层，当裂缝中压力值小于某一层的最小水平主应力值时，裂缝将不能够穿过这一层。由此可见地层最小水平主应力在垂直剖面上的大小变化直接影响裂缝高度。油层和隔层地应力在垂相剖面上的变化情况主要有4种：油层在低应力区，油层在较高应力区，油层在高应力区，油层在高低应力交界。（1）油层在低应力区油层在地应力区，隔层在高应力区裂缝高度将被限制在地应力区如图2-2所示。图2-2（2）

26、油层在较高应力区此时裂缝高度将穿过较高应力区进入低应力区如图2-3所示。图2-3（3）油层在高应力区油层处在高应力区，在这种情况下进行压裂施工，油层部分将很难压开，施工将进行的非常困难，有时可能压穿所有低应力区，裂缝高度将很难控制。如图2-4所示。图2-4（4）油层在高低应力交界处当油层处于高低应力交界处时，若高低应力区应力差别较大，那么裂缝在低应力层中，若应力差别不大，那么裂缝在低应力区易被压开，高应力区不易被压开。如图2-5所示。图2-5在构造稳定的地区，水平应力一般小于垂向应力；在构造活动比较强烈的地区和盆地的周边地区，水平应力一般大于垂向应力。垂向应力主要与埋深有关，随深度呈线性增长。

27、水平地应力也随埋深增加而增大，一般情况下水平应力的两个主应力分量一大一小具有明显的方向性，最大主应力和最小主应力相差1.43.3倍4；在一个相当大的区域内，最大主应力方向是相对稳定的，并与区域控制的构造变形场一致。当垂向应力小于两个水平应力时，压裂后形成水平缝；当垂向应力大于两个水平应力时，压裂后形成垂直缝。 2.3 杨氏弹性模量2.3.1 平均模量地层中裂缝延伸情况缝高随弹性模量的增加而增加，是由于在相同的排量，滤失速度下，杨氏模量越大，裂缝越窄，裂缝将向缝高方向发展，以满足液体体积平衡的要求。这一结论的前提条件是假设了在一个平均的地层杨氏模量下的裂缝延伸情况。随着压裂技术应用的越来越普遍，

28、平均地层杨氏模量这一假设受到了挑战。越来越多的人开始研究裂缝在不同杨氏模量地层中的延伸情况。2.3.2 不同杨氏模量下裂缝延伸情况最近有研究表明杨氏模量对裂缝影响的作用机理比较复杂，对于不同的地应力和地层情况,模量差对裂缝高度的影响有很大的差异。随着测斜仪和微地震技术的发展，得到了很多实际的压裂过程中裂缝高度的实际尺寸。将这些实际尺寸预测的尺寸相比较我们发现实际裂缝的高度要比建立的模型所预测的裂缝高度小的多10。一般来说对裂缝与界面层的相对位置而言，考虑以下两种情况的影响:一种是裂缝接近界面层，一种是裂缝穿过界面层，当裂缝从低模量层接近高模量层时，应力强度因子减小，理论上当裂缝的尖端接近界面时

29、，应力强度因子接近于零值，在这种情况下，裂缝很可能在没传递到高模量地层时，高模量地层已经产生裂缝。实践和井场数据表明裂缝可以越过界面向高模量地层传播。当裂缝从高模量地层向低模量地层传播时，应力强度因子扩大到无限大，因此裂缝容易向低模量地层延伸，但是一旦裂缝尖端延伸到低模量地层，那么裂缝向低模量地层延伸能力就降低了。表2-1 中间层模量高，外部层模量应力差/MPa杨氏模量（6.895GPa）（顶层/中间层/顶层）缝高/m缝长/m缝宽/cm净压力/MPa10.34255/5/532.309265.1760.4067.31610.34251/5/118.898270.6620.6153.82710.

30、34250.5/5/0.517.37427604540.5792.1936.8955/5/558.522247.1930.3005.9306.8951/5/121.336264.2620.6383.9236.8950.5/5/0.518.288272.1860.6102.2683.44755/5/5254.508186.2330.1933.4483.44751/5/144.806235.0010.4852.9303.44750.5/5/0.522.250258.7750.6482.324表2-1中表明,外部低模量地层中的裂缝比平均模量地层中的裂缝受到更多的限制 (即缝高较小,而缝长较长)。当外

31、部地层的模量比中间层小510倍时,裂缝的高度明显地减小。以前许多研究考虑的是相反的情形,即中间层的模量低而外部层的模量高。这些研究表明外部高模量阻碍了缝高的增长,因此容易逻辑性地得出外部低模量会增强裂缝的延伸的结论。事实上,外部低模量不是增强而是阻碍了裂缝高度的发育,这种影响与直觉是相反的。外部地层低模量限制缝高发育的主要原因是裂缝宽度变形和流体压力的耦合效应。注入速率一定,流体压力由裂缝宽度和缝内的流体流量决定，在层状地层中,裂缝宽度不仅依赖于局部模量,也受到临近地层模量的影响。当外部地层模量低于中间地层模量时,中间层的裂缝宽度较宽。较宽的裂缝对流体流动的阻力较小,因此流压较低。在相同应力差

32、的条件下,低的净压力产生的裂缝高度更低一些,因为水力压裂施工通常都是采用恒定的注入率。这项研究中得到的结果比基于稳定内压得到的结果更有意义。裂缝的尖端越过交界面由高模量地层进入低模量地层时,由于低模量应力强度因子将会减小。尽管在低模量地层裂缝的宽度会更大一些,但是宽度上的增加不足以弥补模量上的减小，因为从高模量地层到低模量地层缝宽是连续的,并且中间层的高模量会限制缝宽的发育。事实上,由于裂缝会稍微穿透到外部地层,交界面上的缝宽与模量比的平方根成线性关系。因为应力强度因子正比于外层模量,外部层低模量总的影响表现为外部层较小的应力强度因子。以上的讨论是基于二维平面应变假设,三维裂缝的分析显示了相似

33、的结果。用三维的分析对穿过双边介质的扁平形裂缝周围的应力强度因子进行了计算,尽管低模量地层中裂缝宽度大于高模量地层中的,但是其应力强度因子小于高模量地层的。应力强度因子与断裂韧性的匹配决定了裂缝高度的增长,由于断裂韧性明显不依赖于岩石的类型,在研究变量时我们假定所有层的断裂韧性都是相同的。在这个工况中,外层较低的应力强度因子意味着裂缝的尖端越过交界面以后裂缝高度的增长很小,如果低模量地层的断裂韧性较大,而高模量地层的较小,这种影响将会更加明显;反之,这种影响将会减弱。表2-2 中间层模量低，外部层模量高应力差/MPa杨氏模量（6.895GPa）缝高/m缝长/m缝宽/cm净压力/MPa10.34

34、250.5/0.5/0.516.764185.6230.9861.53810.34251/0.5/117.374185.6230.9701.98610.34255/0.5/518.288186.2330.9372.7176.8950.5/0.5/0.517.374184.0991.0011.6826.8951/0.5/0.518.288184.4040.9801.9826.8955/0.5/519.507184.7090.9422.7243.44750.5/0.5/0.519.057180.4221.0041.5583.44751/0.5/121.336181.0510.9731.9583.4

35、4755/0.5/530.785181.3560.6452.503我们接下来考虑表2-2中的工况,在这些工况中外部地层的模量高于中间层的。当外层的模量高缝时,裂缝的高度较大。尽管只有在应力差为3.447 5 MPa、模量差为10倍的工况中裂高度的差别才非常明显,但是得出的所有结论都与直觉不同,并且与其他研究结论相反。对于特定的裂缝长度,模量差较大时裂缝的高度则比较小。表2-2中,相同应力差下裂缝的长度几乎是相同的,并且外层模量较高时裂缝的高度比较大。即使对于中间层部分,若外层模量较高则裂缝的宽度也会受限,即裂缝的宽度相对窄一些,如表所示。给定注入速率,在相同应力差的条件下,流体压力较高,裂缝的

36、高度也较大。差异的另外一个原因就是缝端越过交界面进入高模量地层以后应力强度因子更大。尽管在外部地层高模量的工况中,裂缝的高度较大,但是由于应力差和高模量的影响,高模量层内部裂缝宽度通常都非常小。表2-2显示的是平均模量和外部层高模量两个工况中宽度剖面的对比。在外层高模量的工况中增加高度的部分裂缝宽度非常窄。中间层中高模量对裂缝宽度的影响是很明显的,尽管在中间层(位于正负7.62 m之间)有模量差的工况中压力高出60%左右,但是最大裂缝宽度几乎是一样的。并且在界面(位于正7.62 m和负7.62 m的位置)附近有模量差的工况中的裂缝宽度甚至小于平均模量中的裂缝宽度。2.4 界面滑动（剪切裂缝）地

37、应力差可以限制裂缝增长，它是通过在高应力区夹紧裂缝的顶端和减少裂缝宽度来实现的。模量差异通过减少裂缝宽度从而限制流体流动来减缓裂缝在油层以外的延伸。这两种情况在它产生明显影响前，裂缝已穿过进入了遮挡层。当存在剪切裂缝，发生界面滑移时，能立即终止裂缝延伸。因此很显然，当界面发生滑动时，它是最有利的遮挡层5。Anderson、Tenfel和Clark以及Tenfel研究了界面的容量问题1113，发现它被作用于界面上的摩擦剪应力所控制。当摩擦力小的时候，裂缝前部的张应力不容易传递穿过界面，因此滑动就可能发生。这很有效地阻止了裂缝的增长。当摩擦力大的时候，裂缝就能穿过界面，因为应力很容易传递通过它。由

38、于摩擦剪应力依赖作用于界面上的有效法向应力，因此仅在法向应力很小或摩擦系数很小处，剪切滑动才有可能发生。在正常情况下，这种滑移有可能发生在很浅的，上覆岩层应力小的地方。因为界面一般是水平的，法向应力通常就等于上覆岩层应力。但是，不正常的情况也可能发生，在很深的地方剪切应力却很小。有两种明显的情况，一种是超压油藏，在那儿由于孔隙压力高，因此有效应力低；另一种界面是粘土或断层因而界面摩擦系数可以忽略不计。压力深度（a） 界面没有剪切力 （b）界面存在剪切力图2-6 假设的地应力状况图（a）和实际的地应力状况图（b）2.5 小结 近年来国内外的许多学者对控制水力压裂裂缝高度研究表明:除了油气层与上下

39、隔层的地应力差、岩石弹性模量、界面滑动对裂缝高度有影响，泊松比、施工排量、压裂液的流变性、综合滤失系数以及施工规模(裂缝长度和注液时间)等因素也会影响裂缝的垂向延伸。下面是根据M气田的地层情况，主要研究S气层的地应力差、杨氏摸量、排量、液体粘度、液体造壁滤失系数等因素对裂缝高度增长的影响。取基准裂缝半长L=250m，由计算机软件计算的到的直观分析图： 图2-7图2-8图2-9图2-10图2-11 隔层应力差对裂缝高度的影响比较明显，裂缝高度随隔层应力差的增加而呈现明显的降低趋势，应力差从2MP犷曾加至SMPa，井底缝高从70m减至24m(见图2-7)，相差较大。应力差是影响S气层缝高的主要因素

40、。分别取弹性模量1.5x104,2.8x104,4.5x104MPa，从图2-8中可以看出缝高随弹性模量的增加而增加。这是由于在相同的排量、时间及滤失速度下，杨氏模量越大，裂缝则越窄，裂缝将向缝高方向发展，以满足液体体积平衡的要求，从变化的幅度来看，地层的杨氏模量也是影响S气层缝高的重要因素之一。而施工排量从1.6、2.4m3/min增加到3.2m3/min ,缝高从20m增加至40m，从图2-9中可以看出裂缝高度随着施工排量的增加而增加。而滤失系数从4 x 10-4增加到9 x 10-4m/min0.5，裂缝高度变化不大(见图2-10)。压裂液粘度为250mPa *s时，裂缝高度为20m，超

41、过该值后，裂缝高度增长较快(见图2-11)。3 岩石力学基础和裂缝高度估算3.1 概述 本章讨论岩石力学部分，它是研究裂缝高度所需要的。首先讨论地应力，杨氏模量，泊松比和岩石断裂韧性等参数物理意义和测量方法，然后给出它们与裂缝高度的一个简单的定量关系，并讨论了裂缝高度的计算方法。为后面的是否需要进行控缝高判断打下理论基础。3.2 引言 岩石力学是描述岩石的力学行为的理论和应用科学，这门学科的分支涉及到岩石对其周围物理环境的力场地响应。在水力压裂中，岩石力学性质在决定油藏的力学性质及地应力状态，计算由于施工所引起的岩石物质的变形及在决定裂缝的最终几何形状方面是很重要的。 在压裂施工的设计和分析中

42、，通常涉及的力学性质是：（1）弹性性质，如杨氏模量和泊松比：（2）强度性质，如断裂韧性、抗张强度和抗压强度：（3）可延性；（4）摩擦；（5）孔隙弹性参数等。 由上一章我们知道，从总的压裂设计来说最重要的因素是就地应力场。应力不仅控制或影响裂缝行为的许多方面，而且还影响油藏性质和岩石的力学性质。例如，围限应力的增加一般导致强度的增加，渗透率和孔隙度的减少以及综合影响杨氏模量和泊松比的结果。 如前面提到，其他因素如杨氏模量，界面滑动（摩擦）在某些条件下对裂缝高度的影响也会变得重要。但是由于目前研究资料相对较少，且其他影响因素机理相对复杂，下面仅将地应力做为重点进行讨论。3.3 地应力的测量和计算在

43、讨论地应力以及计算地应力前，先定义某些常用的应力项是有益的。3.3.1 应力定义（1） 闭合压力和闭合应力 Nolte定义闭合压力为开始张开一条已经存在的裂缝所需要的流体压力。这个压力和岩层中垂直于裂缝面的应力大小相等，方向相反。这个应力就是最小主应力。（2） 裂缝延伸压力裂缝延伸压力是延伸一条存在着地裂缝所需要的压力。一般它比闭合压力大，而且依赖与裂缝大小和压裂施工特点。（3） 瞬时停泵压力瞬时停泵压力（ISIP）是在水力压裂停泵时刻的压力。这个压力可以高于闭合压力几个psi到几百个psi不等，与压裂施工和岩石有关。大的压力降落可能是流体穿过孔眼或其他的流动入口的阻力引起的，也可能是流体穿过

44、孔眼或其他的流动入口引起的。瞬时停泵压力一般比闭合应力大，但是在低渗透岩层进行很小规模的施工中，它将接近闭合压力。（4） 有效应力有效应力的概念是基于土力学的研究。它表明均匀的孔隙压力p，对土壤的力学性质和行为都有影响。有效应力用来控制模量、渗透率以及其他一些对应力很敏感的性质。（5） 原始应力原始应力是指在钻井、完井、产油前油藏所存在的就地应力。三个主应力之一，上覆岩石应力一般是垂直的而且较好的近似等于覆盖岩层的重量。一般岩石力学文献中正应力指的是压缩应力。上覆岩石应力可以通过容积密度测井曲线从地表面到所需深度的积分来估算。在沉积盆地，上覆岩石应力梯度的典型范围是1.0到1.1psi/ft2

45、3到25kpa/m。 另外两个水平主应力值是可变的，并且一直是研究和讨论的题目。Hubbent和willis进行了简单的实验室和理论分析，表明水平有效应力值的范围可能大约是三分之一到三倍的有效的上覆岩层应力。利用简单的沙箱试验，他们认为在发生正断层处为小于三分之一的值，在发生逆断层处为大于三倍的值。3.3.2 地应力的测量目前，测量一定深度就地应力状态的唯一可靠的方法是水力压裂技术。两种技术是常用的：标准的水力压裂测量和阶梯式速率/回流方法。（1） 水力压裂应力测试方法 作为应力测良的工具的水力压裂技术是基于Hubbert和Willis的分析。在裸眼井的测试中该技术已经广泛使用并讨论过；当测试

46、充分进行时，能得到精确的而且能重复的地应力最小主应力的预测以及可靠程度稍差一些的最大水平应力的估算。这种方法是用隔离器分隔所需测试的层段，泵人少量低粘液进入地层使之破裂，然后停泵测量ISIP。原则上最大水平应力是能确定的，虽然它更复杂，而且通常需要分析岩石的孔隙弹性响应。但是对于大多数油气井来说，要在裸眼的环境中进行这些实验时不可能或不实际的。由于套管、水泥环、爆炸射孔损坏以及任意的射孔方向的影响，在套管和射孔井中进行这种应力测量会产生附加的复杂性。然而一些实验和最近的结果表明通过孔眼精确的测量min是能做到的。而这些条件下Hmax的确定是不可能的。（2） 阶梯式速率/回流测试方法第二种应力测

47、量技术。Nolte和Sminth使用的阶梯式速率/回流试验能求得最小应力的上限。液体以不同的速率注入已经形成的裂缝中，对于每个速率记录对应的“稳定的”压力。这压力与流动速率绘制成图3-1所示的曲线。在阶梯式速率测试曲线上的拐点即为延伸压力。阶梯式速率测试在每个速率点的压力不稳定情况下完成。每个注入速率能维持一个固定的时间间隔（5到10分钟）。图3-2显示了一个实际的阶梯式速率测试数据，这里延伸压力高于闭合应力大约200psi【1.4MPa】。在阶梯式速率测试测得延伸压力也即对于闭合应力的一个上界时，这测试的回流部分却是确定闭合压力的一个好方法，如图3-1所解释。对这种方法，足够量的液体以一定速率注入产生的裂缝（例如阶梯式速率测试），紧接着以一恒定速率回流，这速率被可调节阀来控制，并被一个精确的低速率的流量剂来记录数据。如果回流速率在正确的范围内，那么得到的压力降落曲线在闭合压力点处将产生曲率的反向（必须是从正到负）。压力曲率反向处加速的压力降落是由于裂缝闭合造成流动受阻引起的。回流速率的正确范围应该是对具体油田进行试算来完成的，而量级得范围可确定为平均注入速率的1/10到1/4。图 3-1 确定裂缝闭合和延伸压力的压裂前后测试图3-2 阶梯式速率和泵人、回流测试的应用用直接看图来确定图上曲率反向的点常常是困难的，一种比较好的分析技术是用最小二乘法