岩石力学9章讲解课件

第一节概述

一、定义当井眼压力(boreholepressure)足够高时，井壁(boreholewall)会劈开一条裂缝(crack)，这一过程称为水力压裂(hydraulicfracture)。

第九章水力压裂第一节概述第九章水力压裂1

二、水力压裂裂缝扩展规律裂缝(crack)总是沿着最有利的方向扩展(extended)和传播，一般的情况下裂缝沿垂直于最小主地应力(minor

principalstress)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，裂缝如下图所示。二、水力压裂裂缝扩展规律2图9-1

直井水力压裂垂直裂缝图9-1直井水力压裂垂直裂缝3

井眼中，水力压裂(hydraulicfracture)会在垂直于最小地应力(minorinsitestress)的方向产生两个对称的裂缝翼。如果两个水平地应力(horizontalinsitestress)相等，裂缝(crack)方向就很难确定。井眼中，水力压裂(hydraulicfra4

三、水力压裂(hydraulicfracture)的作用1、钻井(drilling)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井漏(lostcirculation)，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井喷(blowout)。

三、水力压裂(hydraulicfract5

2、开发(oilproduction)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，要主动压裂地层，这是一项非常有效的增产措施，既水力压裂(hydraulicfracture)是开发生产过程中的重要增产措施。在流体压力（fluidpressure）作用下裂缝(crack)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裂缝张开，形成高渗透性的油流通道，如图9-2所示。2、开发(oilproduction)过6图9-2

被支撑的裂缝图9-2被支撑的裂缝7

3、利用水力压裂进行地应力现场测量分析水力压裂(hydraulicfracture)过程可获得许多地层的力学信息，尤其是地应力(insitestresses)的大小与方向。3、利用水力压裂进行地应力现场测量8

一、

漏失试验(leak-offtest

)在钻井过程中最容易出现破裂的层位是套管鞋附近。因此漏失试验(leak-offtest)是在下套管固井后，钻十几米后做，以确定地层的最小破裂压力梯度(minor

break-downpressuregradient)。

漏失试验(leak-offtest)过程：关井，用水泥车通过钻杆泵入泥浆，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(图9－3)所示。第二节钻井过程中的地层破裂压力一、漏失试验(leak-offtest9图9-3

漏失试验曲线

漏失压力开裂压力图9-3漏失试验曲线漏失压力开裂压力10

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9-4）所示：如果想从漏失实验中获取更多的地层信息，实验过11t（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PsPrt（时间）OPfPpro压力加压(P)封井停泵12

（1）破裂压力(fracturepressure)Pf，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，泥浆向裂缝(crack)中充填，其后压力下降。（2）传播压力Ppro，压力趋于稳定，使裂缝向远处延伸。（1）破裂压力(fracturepressur13

（3）瞬时停泵压力Ps，当裂缝延伸到离开井壁应力集中（stressconcentration）区，即6倍井眼半径以远时（估计以破裂点起约经历1分钟左右），进行瞬时停泵。记录下停泵时瞬时停泵压力Ps（instantaneousshutinpressure）。由于此时裂缝(crack)仍张开，应与最小地应力值相平衡，即Ps=。此时随着停泵时间的延长，泥浆向裂缝两壁渗滤，液压下降。由于地应力的作用，裂缝将闭合。（3）瞬时停泵压力Ps，当裂缝延伸到离开14

（4）裂缝重张压力Pr，瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝(crack)所需的压力Pr与破裂压力(fracturepressure)Pf相比不需要克服岩石抗拉强度(tensilestrength)，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：

当地层存在大量微裂隙时，地层破裂压力(fracturepressure)并不比传播压力有明显升高。（4）裂缝重张压力Pr，瞬时停泵后启动注入泵，从而15

二、地层破裂压力预测通过漏失试验(leak-offtest)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下，地层破裂压力(fracturepressure)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破裂压力，是实际工程的需要。到目前为止，国内外在研究地层破裂压力(fracturepressure)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。二、地层破裂压力预测161、

Eaton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：（1）

岩层处于均匀水平地应力状态(horizontalinsitestressstate)；（2）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，张开裂缝(crack)只需克服垂直裂缝面的地应力。1、Eaton法（1969）17在以上假设的前提条件下，Eaton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。

在以上假设的前提条件下，Eaton得到破裂压力预测模式为：182、Stephtn法（1982）

Stephtn法的基本假设和

Eaton法一样，不同的是Stephon认为地层中存在水平均匀构造应力。其表达式如下：

2、Stephtn法（1982）19

Stephon法和Eaton法的区别在于Stephon法把构造应力所产生的影响从地层泊松比中分离出来。这样就有可能在计算时采用岩层的实际泊松比，而不象Eaton那样是靠破裂压力(fracturepressure)反算出来的。无论是Eaton法还是Stephon法都没有考虑井眼围岩的应力集中。

Stephon法和Eaton法的区别在于Ste20

3、黄荣樽法（1984）在上世纪80年代，石油大学黄荣樽教授提出了新的预测地层破裂压力(fracturepressure)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；（2）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。3、黄荣樽法（1984）21在上述假设条件下，考虑井眼的应力集中(borehole

stressconcentration)，得出直井的破裂压力(fracturepressure)表达式：在上述假设条件下，考虑井眼的应力集中(bor22其中：式中，、分别为方向和方向的构造应力关系数。

其中：式中，、分别为方向和23根据上两式，可以把黄荣樽法的表达式改写为：其中根据上两式，可以把黄荣樽法的表达式改写为：其中24

一、水力压裂的作用水力压裂(hydraulicfracture)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如下四种基本用途。第三节采油过程的水力压裂一、水力压裂的作用第三节采油过程的水力251、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井内的能力大为减弱。水力压裂(hydraulicfracture)可以改造污染带，提高其渗透性，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。

1、克服近井地带污阻262、压开深远裂缝，提高井的产能利用深穿透裂缝(crack)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。同时，深穿透裂缝能够恢复并延长油井寿命。

2、压开深远裂缝，提高井的产能273、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，增大注气或注水效率。3、协助二次采油284、排除油田盐水油井大量产出盐水，严重限制了原油的生产。通过水力压裂(hydraulicfracture)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。为了实现上述功能，采油中的水力压裂不仅关心形成裂缝(crack)的初始条件，更关心裂缝的走向和几何形状。4、排除油田盐水29

二、裂缝方位和几何形状前面讲过裂缝(crack)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。井的几何形状会限制裂缝几何形状(fracturegeometry)，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，如图9-6c所示。二、裂缝方位和几何形状30图9-6

裂缝几何形态图9-6裂缝几何形态31图9-7示意了一个砂岩层在上下均有一个页岩盖层。图9-7c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。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。穿越不同层位的裂缝几何形状(fracturegeometry)将更加复杂。图9-7示意了一个砂岩层在上下均有一个页岩盖32

图9-7上下层对裂缝的限制图9-7上下层对裂缝的限制33

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原地应力状态(insitestressstate)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，这将消除沿程水力压耗的影响。二、压裂过程中的压力变化34

考虑致密，非渗透性地层，水力压裂(hydraulicfracture)曲线如图9-8所示。在形成裂缝之前产生峰值压力，称为break—downpressure。裂缝形成后压力将保持恒定或略有增加，此时的压力是裂缝传播压力(fracturepropagationpressure)。如果此时停泵并关井，压力下降到一定水平与地应力平衡，此时的压力称为瞬时停泵压力(instantaneousshutinpressure)ISIP，从原理上讲裂缝闭合时，裂缝内流体压力是可以测量的。一般认为瞬时停泵压力(ISIP)等于裂缝闭和压力(crackclosurepressure)。考虑致密，非渗透性地层，水力压裂(hydra35图9-8

致密地层的压裂曲线图9-8致密地层的压裂曲线36

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9-9所示。曲线的前面两段为裂缝的扩展压力(fracturepropagationpressure)，第一段近似恒定的压力表示裂缝(crack)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9-7）。对于渗透性地层，由于流体渗入地层使得压力曲线37图9-9渗透地层的压裂曲线

图9-9渗透地层的压裂曲线38从这个例子可以看出曲线能够反映裂缝(crack)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。从这个例子可以看出曲线能够反映裂缝(cra39

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破裂压力(fracturepressure)和原地应力状态信息。试验所用流体的体积取决于被压裂的地层的类型，一般小于1。但是也有用到10的情况。典型的流体是2%kcl水溶液。为了减少流体的渗滤可向其中加些粘胶。压力有压力传感器在井下测量。第四节微破裂试验

(mini-fractests)微破裂试验是一种注入少量流体的压裂试验。第四40裂缝闭和压力(crackclosurepressure)是最重要的测量参数。对于低渗透性低层可用ISIP值代替裂缝闭合压力，但是准确的ISIP值也不宜确定，应通过多次重复试验搞准此值。对于渗透性地层最好的办法是做一系列的泵入/倒流试验。在泵入/倒流试验(pump-in/flow-backtest)中，先以压裂时的流速泵入一定量的流体，然后停泵让流体以一恒定速率倒流，直到测出闭合点为止。如果倒流速率在一合理的范围内，那么压力时间曲线上的反弯点即为闭合压力点，如下图所示。

裂缝闭和压力(crackclosurepress41(a)泵入/倒流试验

（b）关井后的压力变化(a)泵入/倒流试验（b）关井后的压42

另一种确定闭合压力的实验方法是泵入/关井试验。做关井后的压力和关井时间的平方根曲线，裂缝(crack)张开时将保持线性关系；裂缝闭合，曲线将偏离直线，如上图b所示。

本章结束！另一种确定闭合压力的实验方法是泵入/关井试验43

第一节概述

一、定义当井眼压力(boreholepressure)足够高时，井壁(boreholewall)会劈开一条裂缝(crack)，这一过程称为水力压裂(hydraulicfracture)。

第九章水力压裂第一节概述第九章水力压裂44

二、水力压裂裂缝扩展规律裂缝(crack)总是沿着最有利的方向扩展(extended)和传播，一般的情况下裂缝沿垂直于最小主地应力(minor

principalstress)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，裂缝如下图所示。二、水力压裂裂缝扩展规律45图9-1

直井水力压裂垂直裂缝图9-1直井水力压裂垂直裂缝46

井眼中，水力压裂(hydraulicfracture)会在垂直于最小地应力(minorinsitestress)的方向产生两个对称的裂缝翼。如果两个水平地应力(horizontalinsitestress)相等，裂缝(crack)方向就很难确定。井眼中，水力压裂(hydraulicfra47

三、水力压裂(hydraulicfracture)的作用1、钻井(drilling)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井漏(lostcirculation)，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井喷(blowout)。

三、水力压裂(hydraulicfract48

2、开发(oilproduction)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，要主动压裂地层，这是一项非常有效的增产措施，既水力压裂(hydraulicfracture)是开发生产过程中的重要增产措施。在流体压力（fluidpressure）作用下裂缝(crack)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裂缝张开，形成高渗透性的油流通道，如图9-2所示。2、开发(oilproduction)过49图9-2

被支撑的裂缝图9-2被支撑的裂缝50

3、利用水力压裂进行地应力现场测量分析水力压裂(hydraulicfracture)过程可获得许多地层的力学信息，尤其是地应力(insitestresses)的大小与方向。3、利用水力压裂进行地应力现场测量51

一、

漏失试验(leak-offtest

)在钻井过程中最容易出现破裂的层位是套管鞋附近。因此漏失试验(leak-offtest)是在下套管固井后，钻十几米后做，以确定地层的最小破裂压力梯度(minor

break-downpressuregradient)。

漏失试验(leak-offtest)过程：关井，用水泥车通过钻杆泵入泥浆，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(图9－3)所示。第二节钻井过程中的地层破裂压力一、漏失试验(leak-offtest52图9-3

漏失试验曲线

漏失压力开裂压力图9-3漏失试验曲线漏失压力开裂压力53

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9-4）所示：如果想从漏失实验中获取更多的地层信息，实验过54t（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PsPrt（时间）OPfPpro压力加压(P)封井停泵55

（1）破裂压力(fracturepressure)Pf，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，泥浆向裂缝(crack)中充填，其后压力下降。（2）传播压力Ppro，压力趋于稳定，使裂缝向远处延伸。（1）破裂压力(fracturepressur56

（3）瞬时停泵压力Ps，当裂缝延伸到离开井壁应力集中（stressconcentration）区，即6倍井眼半径以远时（估计以破裂点起约经历1分钟左右），进行瞬时停泵。记录下停泵时瞬时停泵压力Ps（instantaneousshutinpressure）。由于此时裂缝(crack)仍张开，应与最小地应力值相平衡，即Ps=。此时随着停泵时间的延长，泥浆向裂缝两壁渗滤，液压下降。由于地应力的作用，裂缝将闭合。（3）瞬时停泵压力Ps，当裂缝延伸到离开57

（4）裂缝重张压力Pr，瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝(crack)所需的压力Pr与破裂压力(fracturepressure)Pf相比不需要克服岩石抗拉强度(tensilestrength)，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：

当地层存在大量微裂隙时，地层破裂压力(fracturepressure)并不比传播压力有明显升高。（4）裂缝重张压力Pr，瞬时停泵后启动注入泵，从而58

二、地层破裂压力预测通过漏失试验(leak-offtest)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下，地层破裂压力(fracturepressure)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破裂压力，是实际工程的需要。到目前为止，国内外在研究地层破裂压力(fracturepressure)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。二、地层破裂压力预测591、

Eaton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：（1）

岩层处于均匀水平地应力状态(horizontalinsitestressstate)；（2）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，张开裂缝(crack)只需克服垂直裂缝面的地应力。1、Eaton法（1969）60在以上假设的前提条件下，Eaton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。

在以上假设的前提条件下，Eaton得到破裂压力预测模式为：612、Stephtn法（1982）

Stephtn法的基本假设和

Eaton法一样，不同的是Stephon认为地层中存在水平均匀构造应力。其表达式如下：

2、Stephtn法（1982）62

Stephon法和Eaton法的区别在于Stephon法把构造应力所产生的影响从地层泊松比中分离出来。这样就有可能在计算时采用岩层的实际泊松比，而不象Eaton那样是靠破裂压力(fracturepressure)反算出来的。无论是Eaton法还是Stephon法都没有考虑井眼围岩的应力集中。

Stephon法和Eaton法的区别在于Ste63

3、黄荣樽法（1984）在上世纪80年代，石油大学黄荣樽教授提出了新的预测地层破裂压力(fracturepressure)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；（2）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。3、黄荣樽法（1984）64在上述假设条件下，考虑井眼的应力集中(borehole

stressconcentration)，得出直井的破裂压力(fracturepressure)表达式：在上述假设条件下，考虑井眼的应力集中(bor65其中：式中，、分别为方向和方向的构造应力关系数。

其中：式中，、分别为方向和66根据上两式，可以把黄荣樽法的表达式改写为：其中根据上两式，可以把黄荣樽法的表达式改写为：其中67

一、水力压裂的作用水力压裂(hydraulicfracture)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如下四种基本用途。第三节采油过程的水力压裂一、水力压裂的作用第三节采油过程的水力681、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井内的能力大为减弱。水力压裂(hydraulicfracture)可以改造污染带，提高其渗透性，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。

1、克服近井地带污阻692、压开深远裂缝，提高井的产能利用深穿透裂缝(crack)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。同时，深穿透裂缝能够恢复并延长油井寿命。

2、压开深远裂缝，提高井的产能703、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，增大注气或注水效率。3、协助二次采油714、排除油田盐水油井大量产出盐水，严重限制了原油的生产。通过水力压裂(hydraulicfracture)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。为了实现上述功能，采油中的水力压裂不仅关心形成裂缝(crack)的初始条件，更关心裂缝的走向和几何形状。4、排除油田盐水72

二、裂缝方位和几何形状前面讲过裂缝(crack)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。井的几何形状会限制裂缝几何形状(fracturegeometry)，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，如图9-6c所示。二、裂缝方位和几何形状73图9-6

裂缝几何形态图9-6裂缝几何形态74图9-7示意了一个砂岩层在上下均有一个页岩盖层。图9-7c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。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。穿越不同层位的裂缝几何形状(fracturegeometry)将更加复杂。图9-7示意了一个砂岩层在上下均有一个页岩盖75

图9-7上下层对裂缝的限制图9-7上下层对裂缝的限制76

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原地应力状态(insitestressstate)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，这将消除沿程水力压耗的影响。二、压裂过程中的压力变化77

考虑致密，非渗透性地层，水力压裂(hydraulicfracture)曲线如图9-8所示。在形成裂缝之前产生峰值压力，称为break—downpressure。裂缝形成后压力将保持恒定或略有增加，此时的压力是裂缝传播压力(frac