岩石力学9章.

1、 第一节第一节 概概 述述 一、定义一、定义 当当井眼压力井眼压力( (borehole borehole pressurepressure) )足够高时，足够高时，井壁井壁( (boreholeborehole wall) wall)会劈开一条会劈开一条裂缝裂缝( (crackcrack) )，这一过程称为，这一过程称为水水力压裂力压裂( (hydraulic fracturehydraulic fracture ) )。 第九章第九章 水力压裂水力压裂 二、水力压裂裂缝扩展规律二、水力压裂裂缝扩展规律 裂缝裂缝( (crackcrack) )总是沿着最有利的方向总是沿着最有利的方向扩展扩展

2、(extended extended )和传和传播，一般的情况下裂缝沿垂直于播，一般的情况下裂缝沿垂直于最小主地应力最小主地应力(minorminor principal stress principal stress )的方向扩展。由于最小主地应力一般都是的方向扩展。由于最小主地应力一般都是水平方向，因此裂缝一般是垂直缝，对于直井，裂缝如下图所水平方向，因此裂缝一般是垂直缝，对于直井，裂缝如下图所示。示。图图9-1 直井水力压裂垂直裂缝直井水力压裂垂直裂缝 井眼中，井眼中，水力压裂水力压裂( (hydraulic fracturehydraulic fracture ) )会在垂直于会在垂直

3、于最小最小地应力地应力( (minorminor in site stress in site stress ) )的方向产生两个对称的裂缝翼。的方向产生两个对称的裂缝翼。如果两个如果两个水平地应力水平地应力( (horizontal horizontal in site stress in site stress ) )相等，相等，裂裂缝缝( ( crackcrack) )方向就很难确定。方向就很难确定。 三、水力压裂三、水力压裂( (hydraulic fracturehydraulic fracture ) )的作用的作用 1 1、钻井钻井(drilling)(drilling)过程中的

4、水力压裂过程中的水力压裂 在钻井过程中，意想不到的水力压裂会导致在钻井过程中，意想不到的水力压裂会导致井漏井漏( (lost lost circulationcirculation ) )，这是一个经常出现又很难对付的问题。严重，这是一个经常出现又很难对付的问题。严重时会造成井眼失控而发生井下时会造成井眼失控而发生井下井喷井喷( (blowoutblowout ) )。 2 2、开发开发( (oil production oil production ) )过程中的水力压裂过程中的水力压裂 在生产过程中，为了扩大油藏与井眼的通道，要主动压裂在生产过程中，为了扩大油藏与井眼的通道，要主动压裂地层

5、，这是一项非常有效的增产措施，既地层，这是一项非常有效的增产措施，既水力压裂水力压裂( (hydraulic hydraulic fracturefracture ) )是开发生产过程中的重要增产措施。是开发生产过程中的重要增产措施。 在在流体压力（流体压力（fluid fluid pressurepressure ）作用下作用下裂缝裂缝( ( crackcrack) )张张开，如果井眼压力减小裂缝会重新闭合、而利用裂缝来增加油开，如果井眼压力减小裂缝会重新闭合、而利用裂缝来增加油流通道，就应该使裂缝保持张开。通常用泵泵入砂粒或其他支流通道，就应该使裂缝保持张开。通常用泵泵入砂粒或其他支撑剂使

6、裂缝张开，形成高渗透性的油流通道，如图撑剂使裂缝张开，形成高渗透性的油流通道，如图9-29-2所示。所示。图图9-2 被支撑的裂缝被支撑的裂缝 3 3、利用水力压裂进行地应力现场测量、利用水力压裂进行地应力现场测量 分析分析水力压裂水力压裂( (hydraulic fracturehydraulic fracture ) )过程可获得许多地过程可获得许多地层的力学信息，尤其是层的力学信息，尤其是地应力地应力( (in site stresses in site stresses ) )的大小与的大小与方向。方向。 一、一、 漏失试验漏失试验(leak-off testleak-off test

7、 ) 在钻井过程中最容易出现破裂的层位是套管鞋附近。因此在钻井过程中最容易出现破裂的层位是套管鞋附近。因此漏失漏失试验试验(leak-off test leak-off test )是在下套管固井后，钻十几米后做，以确定地是在下套管固井后，钻十几米后做，以确定地层的层的最小破裂压力梯度最小破裂压力梯度(minorminor break-down pressure gradient break-down pressure gradient )。 漏失试验漏失试验( (leak-off test leak-off test ) )过程：关井，用水泥车通过钻杆泵过程：关井，用水泥车通过钻杆泵入泥浆，

8、记录压力和时间或泵入量。当压力偏离直线时，停泵。入泥浆，记录压力和时间或泵入量。当压力偏离直线时，停泵。 典型的漏失实验曲线如下图典型的漏失实验曲线如下图( (图图9 93)3)所示。所示。第二节第二节 钻井过程中的地层破裂压力钻井过程中的地层破裂压力图图9-3 漏失试验曲线漏失试验曲线 漏失漏失压力压力开裂压力开裂压力 如果想从漏失实验中获取更多的地层信息，实验过程应如果想从漏失实验中获取更多的地层信息，实验过程应如下图（图如下图（图9-49-4）所示：）所示：t（时间）OPfPpro压力加压(P) 封井 停泵 P封井图9-4 水压破裂时封闭段的压力-时间曲线PsPr （1 1）破裂压力破裂

9、压力( (fracture pressure fracture pressure ) ) Pf Pf ，压力最高，压力最高点，反映液柱压力克服地层的强度使其破裂，形成裂缝，点，反映液柱压力克服地层的强度使其破裂，形成裂缝，泥浆向泥浆向裂缝裂缝( ( crackcrack) )中充填，其后压力下降。中充填，其后压力下降。 （2 2）传播压力）传播压力PproPpro，压力趋于稳定，使裂缝向远处延，压力趋于稳定，使裂缝向远处延伸。伸。 （3 3）瞬时停泵压力）瞬时停泵压力Ps Ps ，当裂缝延伸到离开井壁，当裂缝延伸到离开井壁应力集应力集中（中（ stress concentration stre

10、ss concentration ）区，即区，即6 6倍井眼半径以远时倍井眼半径以远时（估计以破裂点起约经历（估计以破裂点起约经历1 1分钟左右），进行瞬时停泵。记录分钟左右），进行瞬时停泵。记录下停泵时下停泵时瞬时停泵压力瞬时停泵压力PsPs（ instantaneous shut in instantaneous shut in pressurepressure ）。由于此时。由于此时裂缝裂缝( ( crackcrack) )仍张开，应与最小地应仍张开，应与最小地应力值相平衡，即力值相平衡，即Ps = Ps = 。此时随着停泵时间的延长，泥浆。此时随着停泵时间的延长，泥浆向裂缝两壁渗滤，液

11、压下降。由于地应力的作用，裂缝将闭合。向裂缝两壁渗滤，液压下降。由于地应力的作用，裂缝将闭合。 h （4）裂缝重张压力）裂缝重张压力Pr，瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭，瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重新张开。由于张开闭合合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝裂缝( (crackcrack) )所需的压力所需的压力Pr与与破裂压力破裂压力( (fracture pressure fracture pressure ) ) Pf相比不需要克服岩石相比不需要克服岩石抗拉强抗拉强度度( (tensile strength tensile strength ) ) ，因此可以近似认为破裂层抗拉强度

12、，因此可以近似认为破裂层抗拉强度等于这两个压力的差。即：等于这两个压力的差。即： 当地层存在大量微裂隙时，地层当地层存在大量微裂隙时，地层破裂压力破裂压力( (fracture fracture pressure pressure ) )并不比传播压力有明显升高。并不比传播压力有明显升高。rftPP 二、地层破裂压力预测二、地层破裂压力预测 通过通过漏失试验漏失试验(leak-off test leak-off test )只能确定套管鞋下某一段地层的只能确定套管鞋下某一段地层的最小破裂压力值。但对整个井身剖面来说，并不总是遵循井深从上到最小破裂压力值。但对整个井身剖面来说，并不总是遵循井深从

13、上到下，地层下，地层破裂压力破裂压力( (fracture pressure fracture pressure ) )由小变大的规律。井下深部由小变大的规律。井下深部发生井漏也是不罕见的。因此在钻井之前能够预测出地层发生井漏也是不罕见的。因此在钻井之前能够预测出地层破裂压力破裂压力，是实际工程的需要。是实际工程的需要。 到目前为止，国内外在研究地层到目前为止，国内外在研究地层破裂压力破裂压力( (fracture pressure fracture pressure ) )的预测方法上已经提出过许多模式。由于他们所考虑的因素和假设地的预测方法上已经提出过许多模式。由于他们所考虑的因素和假设地

14、条件不同，模式之间也存在较大的别差。条件不同，模式之间也存在较大的别差。 下面介绍几个有影响的方法。下面介绍几个有影响的方法。1、 Eaton法（法（1969）Eaton法在美国海湾地区应用比较广泛。该方法的前提条件是：法在美国海湾地区应用比较广泛。该方法的前提条件是：（1） 岩层处于均匀岩层处于均匀水平地应力状态水平地应力状态(horizontal in site horizontal in site stress state stress state )；（2）地下岩体充满节理、层理和微裂隙；）地下岩体充满节理、层理和微裂隙；（3）钻井液在压力作用下沿裂隙侵入，张开）钻井液在压力作用下沿裂

15、隙侵入，张开裂缝裂缝( ( crackcrack) )只只需克服垂直裂缝面的地应力。需克服垂直裂缝面的地应力。)(1pzfPP在以上假设的前提条件下，在以上假设的前提条件下，Eaton得到破裂压力预测模式为：得到破裂压力预测模式为： Eaton法适用于地层沉积较新，受构造影响小的连续沉法适用于地层沉积较新，受构造影响小的连续沉积盆地。而对于地层年代较老，构造运动影响大的区域，积盆地。而对于地层年代较老，构造运动影响大的区域，其预测效果欠佳。其预测效果欠佳。 2、Stephtn法（法（1982） Stephtn法的基本假设和法的基本假设和 Eaton法一样，不同的是法一样，不同的是Stephon

16、认为地层中存在水平均匀构造应力。其表达式如下：认为地层中存在水平均匀构造应力。其表达式如下： )(1pzfPP Stephon法和法和Eaton法的区别在于法的区别在于Stephon法把构造应力法把构造应力所产生的影响从地层泊松比中分离出来。这样就有可能在计所产生的影响从地层泊松比中分离出来。这样就有可能在计算时采用岩层的实际泊松比，而不象算时采用岩层的实际泊松比，而不象Eaton那样是靠那样是靠破裂压破裂压力力( (fracture pressure fracture pressure ) )反算出来的。反算出来的。 无论是无论是Eaton法还是法还是Stephon法都没有考虑井眼围岩的应法

17、都没有考虑井眼围岩的应力集中。力集中。 3、黄荣樽法（黄荣樽法（1984） 在上世纪在上世纪80年代，石油大学黄荣樽教授提出了新的预测地年代，石油大学黄荣樽教授提出了新的预测地层层破裂压力破裂压力( (fracture pressure fracture pressure ) )的方法，其基本假设如下：的方法，其基本假设如下： （1）地层处于非均匀构造应力的作用之下；地层处于非均匀构造应力的作用之下； （2）井眼附近存在应力效应；井眼附近存在应力效应； （3）井壁破裂的原因是井壁应力超过岩层抗拉强度。井壁破裂的原因是井壁应力超过岩层抗拉强度。 在上述假设条件下，考虑在上述假设条件下，考虑井眼的

18、应力集中井眼的应力集中(boreholeborehole stress stress concentration concentration )，得出直井的，得出直井的破裂压力破裂压力( (fracture pressure fracture pressure ) )表达式：表达式：tpHhfaPP 3ppvHaPaPw)(11ppvhaPaPw)(12其中：其中：式中，式中， 、 分别为分别为 方向和方向和 方向的构造应力关系数。方向的构造应力关系数。 2wHh1w根据上两式，可以把根据上两式，可以把黄荣樽法的表达式改写为：黄荣樽法的表达式改写为：tpvpfPkPP12213K其中其中 一、

19、水力压裂的作用一、水力压裂的作用 水力压裂水力压裂( (hydraulic fracturehydraulic fracture ) )作为一项增产措施自作为一项增产措施自50年代出现以来，得到了广泛的应用。概括起来水力压裂有年代出现以来，得到了广泛的应用。概括起来水力压裂有如下四种基本用途。如下四种基本用途。第三节第三节 采油过程的水力压裂采油过程的水力压裂 1、克服近井地带污阻、克服近井地带污阻 目前的钻井技术不可避免的造成近井地带的污染，它包括目前的钻井技术不可避免的造成近井地带的污染，它包括钻井液的液相污染和固相污染，这些污染常使油气从地层流入钻井液的液相污染和固相污染，这些污染常使油

20、气从地层流入井内的能力大为减弱。井内的能力大为减弱。 水力压裂水力压裂( (hydraulic fracturehydraulic fracture ) )可以改造污染带，提高其可以改造污染带，提高其渗透性，建立良好的油流通道。渗透性，建立良好的油流通道。 水力压裂后的油气产量可增加几倍到几十倍。水力压裂后的油气产量可增加几倍到几十倍。 2、压开深远裂缝，提高井的产能、压开深远裂缝，提高井的产能 利用深穿透利用深穿透裂缝裂缝( (crackcrack) )可以从一般油层中采出更多的石油，可以从一般油层中采出更多的石油，使油井的控制面积增大。对于渗透性极低、能慢慢渗油的地层提使油井的控制面积增大

21、。对于渗透性极低、能慢慢渗油的地层提供大的泄油面积，从而最大限度油井的控制面积增大。使原来被供大的泄油面积，从而最大限度油井的控制面积增大。使原来被认为无开采价值的地区，现在也能进行有经济意义的开采。认为无开采价值的地区，现在也能进行有经济意义的开采。 同时，深穿透裂缝能够恢复并延长油井寿命。同时，深穿透裂缝能够恢复并延长油井寿命。 3、协助二次采油、协助二次采油 压裂对于二次采油的油田有两个重要作用：一是在一定压力压裂对于二次采油的油田有两个重要作用：一是在一定压力下提高注水井的吸水量；二是为生产井提供高流通能力的流通通下提高注水井的吸水量；二是为生产井提供高流通能力的流通通道，增大注气或注

22、水效率。道，增大注气或注水效率。 4、排除油田盐水、排除油田盐水 油井大量产出盐水，严重限制了原油的生产。通过油井大量产出盐水，严重限制了原油的生产。通过水力压水力压裂裂( (hydraulic fracturehydraulic fracture ) )便可以在任何一个地方打出低压高便可以在任何一个地方打出低压高注入量得井，供回注盐水使用。注入量得井，供回注盐水使用。 为了实现上述功能，采油中的水力压裂不仅关心形成为了实现上述功能，采油中的水力压裂不仅关心形成裂缝裂缝( (crackcrack) )的初始条件，更关心裂缝的走向和几何形状。的初始条件，更关心裂缝的走向和几何形状。 二、裂缝方位

23、和几何形状二、裂缝方位和几何形状 前面讲过前面讲过裂缝裂缝( ( crackcrack) )总是沿垂直于最小主应力方向起裂总是沿垂直于最小主应力方向起裂并扩展，这一结论无论对任何一种原有地应力条件都是成立的。并扩展，这一结论无论对任何一种原有地应力条件都是成立的。 井的几何形状会限制井的几何形状会限制裂缝几何形状裂缝几何形状(fracture geometry fracture geometry )，如下图所示。如下图所示。 在射孔井中由于重力降低效应，裂缝有向上倾斜的趋势，在射孔井中由于重力降低效应，裂缝有向上倾斜的趋势，如图如图9-6c所示。所示。 图图9-6 裂缝几何形态裂缝几何形态 图

24、图9-7示意了一个砂岩层在上下均有一个页岩盖层。示意了一个砂岩层在上下均有一个页岩盖层。 图图9-7c给出了各层地水平地应力大小。砂岩层与液岩层水给出了各层地水平地应力大小。砂岩层与液岩层水平应力差足以阻碍裂缝向页岩层扩展，结果形成椭圆形裂缝。平应力差足以阻碍裂缝向页岩层扩展，结果形成椭圆形裂缝。这种裂缝进一步扩展，由于缝壁受到向外的力会使缝宽变大。这种裂缝进一步扩展，由于缝壁受到向外的力会使缝宽变大。这种约束并不是绝对的，它取决于岩石的强度和应力差的大小。这种约束并不是绝对的，它取决于岩石的强度和应力差的大小。穿越不同层位的穿越不同层位的裂缝几何形状裂缝几何形状(fracture geome

25、try fracture geometry )将更加复将更加复杂。杂。 图图9-7 上下层对裂缝的限制上下层对裂缝的限制 二、压裂过程中的压力变化二、压裂过程中的压力变化 为了从压裂过程中获取地层的力学性质和为了从压裂过程中获取地层的力学性质和原地应力状原地应力状态态( (in site stress state in site stress state ) )等信息，应该正确的观察记录等信息，应该正确的观察记录压裂过程中压力的变化。最好在井下压裂附近测量压力，压裂过程中压力的变化。最好在井下压裂附近测量压力，这将消除沿程水力压耗的影响。这将消除沿程水力压耗的影响。 考虑致密，非渗透性地层，考

26、虑致密，非渗透性地层，水力压裂水力压裂( ( h y d r a u l i c h y d r a u l i c fracturefracture ) )曲线如图曲线如图9-8所示。在形成裂缝之前产生峰值压力，所示。在形成裂缝之前产生峰值压力，称为称为breakdown pressure。裂缝形成后压力将保持恒定或略。裂缝形成后压力将保持恒定或略有增加，此时的压力是有增加，此时的压力是裂缝传播压力裂缝传播压力( (fracture propagation fracture propagation pressure pressure ) )。如果此时停泵并关井，压力下降到一定水平与地。如果此

27、时停泵并关井，压力下降到一定水平与地应力平衡，此时的压力称为应力平衡，此时的压力称为瞬时停泵压力瞬时停泵压力( (instantaneous shut instantaneous shut in pressurein pressure) )ISIPISIP，从原理上讲裂缝闭合时，裂缝内流体压力，从原理上讲裂缝闭合时，裂缝内流体压力是可以测量的。是可以测量的。 一般认为瞬时停泵压力一般认为瞬时停泵压力(ISIP)(ISIP)等于等于裂缝闭和压力裂缝闭和压力( (crack crack closure pressureclosure pressure) )。 图图9-8 致密地层的压裂曲线致密地层

28、的压裂曲线 对于渗透性地层，由于流体渗入地层使得压力曲线的形状发对于渗透性地层，由于流体渗入地层使得压力曲线的形状发生了变化。如果我们忽略峰值压力，则曲线形状如图生了变化。如果我们忽略峰值压力，则曲线形状如图9-99-9所示。所示。 曲线的前面两段为曲线的前面两段为裂缝的扩展压力裂缝的扩展压力( (fracture propagation fracture propagation pressure pressure ) )，第一段近似恒定的压力表示，第一段近似恒定的压力表示裂缝裂缝( ( crackcrack) )的扩展没的扩展没有受到约束，而第二段表示受到了上下层的限制（如图有受到约束，而第

29、二段表示受到了上下层的限制（如图9-79-7）。）。 图图9-9 渗透地层的压裂曲线渗透地层的压裂曲线 从这个例子可以看出曲线能够反映从这个例子可以看出曲线能够反映裂缝裂缝( ( crackcrack) )生长的形生长的形式。如果停泵并关井，压力将逐渐下降，直到接近油藏的孔隙式。如果停泵并关井，压力将逐渐下降，直到接近油藏的孔隙压力。但是当裂缝闭合时，由于改变了流体的流型使压力下降压力。但是当裂缝闭合时，由于改变了流体的流型使压力下降速率发生了变化。速率发生了变化。 微破裂试验是一种注入少量流体的压裂试验。微破裂试验是一种注入少量流体的压裂试验。 这类试验的主要的目的是获取地层的这类试验的主要的目的是获取地层的破裂压