【围岩应力场对水力压裂的影响探究16000字（论文）】

围岩应力场对水力压裂的影响研究摘要准确分析和计算水力压裂时井眼围岩的应力分布状况，能够为水力压裂裂缝起裂机理和延伸规律的研究提供可靠依据。以往对水力压裂井眼围岩应力的研究都是在基于对井眼周围岩石介质完全是无损伤弹性体假设的前提下，分析井眼周围的应力分布。实际情况下，井眼周围岩体在钻井和生产过程中，由于承受原始地应力等外载作用而受到不同程度的损伤，同时存在弹性区和损伤区等区域，在压裂时，由于压裂液压力作用又会继续损伤并改变应力分布状态，因此，原有的理论已不能很好的应用于水力压裂井眼围岩应力的研究。本文将压裂前井眼围岩分为损伤区和弹性区，根据屈服曲面方程计算损伤区大小，考虑孔隙基质流体渗流作用，基于损伤理论建立井眼围岩损伤区和弹性区的应力计算模型。对压裂时井眼周围应力的研究，考虑压裂过程压裂液压力对井眼围岩的损伤及井眼围岩应力状态的改变，将井眼围岩分为破坏区、损伤区和弹性区，建立了带有损伤特性岩体的水力压裂井眼围岩应力计算模型。可见，通过运用损伤理论对井眼围岩应力进行研究，能更真实准确的计算水力压裂井眼周围的应力分布，对进一步改善水力压裂设计提供了强有力的理论依据，并具有重要的学术价值和现实意义。关键词：水力压裂，损伤，井眼围岩，应力，模型目录TOC\o"1-3"\h\u260711绪论 1182231.1问题的提出 1153601.2国内外研究现状 127331.2.1水力压裂井眼周围应力场的研究现状 1287221.2.2损伤力学的研究现状 2491.2.3水力压裂岩石损伤力学行为的研究现状 3120271.3论文主要研究内容 4258462损伤力学理论简介 581732.1损伤力学概述 5113932.2损伤变量 645522.2.1标量损伤变量 6139822.2.2矢量损伤变量 7105062.2.3张量损伤变量 8210343基于损伤理论井眼围岩力学分析 8112823.1井眼围岩损伤特征描述 8233493.2井眼围岩力学特性分析 984943.3井眼围岩损伤本构模型 11305374压裂前井眼围岩应力研究 12220994.1压裂前井眼围岩力学模型 12186494.2压裂前井眼围岩应力分布 13264424.2.1压裂前井眼损伤半径求解 13315184.2.2压裂前井眼损伤区应力分布 13160264.3实例应用 14209774.3.1计算数据 14118984.3.2计算结果及分析 1413784.4地应力场对岩盐溶腔稳定的影响分析 17272764.4.1矿区地质特征 17120624.4.2矿床地质特征 19123345结论 2432731参考文献 251绪论自从20世纪40年代末“水力压裂”这个概念诞生以来，人们就对水力压裂问题进行了广泛研究。目前，水力压裂技术已成为油田提高油气采收率的重要技术手段之一，它具有见效快、增产效果显著、有效期长等特点，被广泛应用于油气田的开发过程中，对老油田的稳产以及低渗透特别是特低渗透油气田提高产量起到了关键作用。1.1问题的提出水力压裂研究是一项多学科综合应用的复杂研究课题，其核心是裂缝的起裂机理和延伸规律研究，基本目标是建立相应数学模型更真实的对水力压裂裂缝起裂、裂缝延伸以及裂缝最终的几何形态和导流能力等进行描述与分析，而进行这些研究的前提是准确的分析和计算井眼周围的应力分布情况。以往对水力压裂井眼周围应力分布的研究，都是在基于对井眼周围岩石介质完全是无损伤的弹性体假设的前提下，分析和研究井壁围岩的应力分布的，但实际上，井眼周围岩体在钻井和生产过程中，由于承受原始地应力等作用而受到不同程度的损伤，因此，井眼周围岩体将同时存在弹性区和损伤区等区域，在井眼周围岩石介质完全是弹性体假设的前提下确定井眼围岩的应力分布已不能够准确的描述井眼周围的应力状态，所以，以往的研究已经不能准确描述井眼围岩应力状态，进而也将无法为水力压裂裂缝起裂和延伸机理的研究提供可靠的理论支持。1.2国内外研究现状1.2.1水力压裂井眼周围应力场的研究现状水力压裂井眼周围应力场的研究是伴随着水力压裂概念的提出而产生的。目前，国内外对水力压裂井眼周围应力的研究现状如下国外的Haimson和Fairhurst考虑了岩石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的应力计算；Bradley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；C.H.Yew模型中，仍然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等的影响，从而得到了简化的垂直井筒和水平井筒周围应力的计算模型；WolfgangF.J.Deeg通过坐标变换，建立了裸眼斜井和水平井井壁围岩的应力计算模型，并分析了井斜角和方位角对裂缝起裂压力的影响；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井壁围岩的影响，成为今天广泛引用的计算模型。国内对水力压裂井眼周围应力的研究沿用了国外的理论，但对已有理论作出了改进和创新。余雄鹰等根据C.H.Yew改进的坐标系统，利用三维弹性力学建立了斜井井筒应力分布模型；陈勉教授等考虑到岩石介质孔隙压力、压裂液渗流效应及作业条件的影响，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模型；柳贡慧等研究了射孔井段的应力分布状况，初步探讨合理射孔初始方位角的确定方法；张广清等研究了射孔对井壁围岩应力的影响。1.2.2损伤力学的研究现状损伤力学最早起源于由Kachanov提出的面积损伤的概念，后来，Dougill将损伤力学应用于岩石类脆性材料的研究中，此后通过Lemaitre和Chaboche等的研究工作，建立了损伤力学学科，并且拓宽了适用范围，为连续损伤力学发展作出了重要贡献。国内外对损伤力学的研究现状如下细观损伤方面，Gurson提出了比较完整的损伤本构方程，用以描述微孔洞损伤对材料塑性变形行为的影响，并得到了广泛的应用，其与有限元计算方法相结合，取得了许多重要的研究成果。Bu、高路彬、刑修三、鞠杨等研究分析不同形状的微损伤和体内、体表的微损伤对宏观应力应变影响以及宏观裂纹发展的影响，但由于材料微损伤形态复杂，因此测定难度大，计算比较困难。Ottosen，Sidoroff.以及夏旺民等利用能量损伤理论建立的岩土材料本构模型成为研究的热点，模型建立的关键在于损伤门槛与损伤势的建立，而这些量主要依靠先进的试验手段和观测方法从微观的角度进行描述，但由于试验手段的局限性，这些工作还在探讨之中。基于宏观唯象的统计损伤理论主要有Weibull、正态分布、指数分布等。其主要优点为：基于宏观唯象的统计损伤理论不追求微观损伤的机理，而注重微元体破坏对宏观力学性能的影响，其过程与一般的损伤理论相差不大，而且处理更为方便，更能突出材料宏观力学性能的实际变化。由于忽略损伤的微观机理，参数少、应用方便，而又反映了岩石材料最终破坏是由于损伤引起的，相对于弹塑性理论更能反映材料的特性。杨友卿和曹文贵等也用Weibull统计假设建立了岩石统计损伤本构模型。Curran等基于对动态破坏试样的显微观察指出：材料的损伤状态依赖于其内部微缺陷的统计分布规律及演化规律，提出了成核与扩展的统计损伤模型。此外，冯西桥和余寿文提出了脆性材料的微裂纹扩展区损伤模型，该模型认为在诸如岩石、混凝土等脆性材料中弥散的微裂纹及其扩展和汇合将对材料的力学性质发生显著的影响，可以导致材料的逐渐劣化直至最后断裂；李颧等提出含有各向异性损伤的内时损伤理论，该理论以Valanis理论为基础将材料里任意一点的即时应力状态当作该点近旁形变和温变整个历史的泛函，由此克服了Lemaitre等人基于不可逆热力学理论建立的各向异性理论的困难；Nemat-Nasser等假设基质为各向同性弹性体对确定体积中有裂纹情况采用分析方法进行了研究；Tu等对裂纹处于各向异性脆弹性体情况采用分析方法进行了研究建模；张行发展了疲劳损伤本构关系，建立描述各向异性的微结构力学模型，指出将损伤演化与塑性流动完全耦合的不妥之处，提出独立于塑性流动势函数之外的损伤势函数，使疲劳损伤本构关系的理论更为合理与系统。袁建新等研究了损伤力学运用于岩体的问题，从微观及宏观两方面对岩体损伤的意义及性质作了阐述。1.2.3水力压裂岩石损伤力学行为的研究现状目前，针对水力压裂岩石损伤力学行为的研究还比较少，但随着水力压裂理论和损伤力学研究的不断深入以及实验技术的不断提高，人们发现了将损伤力学应用于水力压裂研究的必要性，国内外对水力压裂岩体损伤研究的现状为杨天鸿等从细观力学角度研究了不同围压作用下非均质地层水力压裂的裂缝起裂、扩展过程中渗透率演化规律和渗流与损伤耦合机制。实质上，水力压裂的应力场决定了水力压裂裂缝的扩展和延伸特别是水力压裂的损伤应力场控制裂缝的损伤演化规律。杨延毅、朱珍德和郑少河等建立了裂隙岩体渗流场与损伤场耦合分析模型。其中朱珍德探讨了复杂应力条件下压剪裂纹的起裂准则，建立了裂隙岩体在压剪、拉剪应力状态下损伤演化方程，提出了渗透张量随裂隙损伤发展的耦合模型。郑少河用自洽方法推导了复杂应力状态下含水裂隙岩体的本构关系既损伤演化方程，提出了考虑断裂损伤效应的裂隙岩体渗透张量表达式。研究表明，渗透压力可显著提高裂纹尖端应力强度因子，增加岩体的柔度，降低强度。Yale认为水压致裂模型中没有考虑损伤和渗透率的相互影响，将导致一定程度的计算误差。Charlez通过水压致裂实验指出，随着水压增加和微破裂的发展，渗透性变化引起应力变化十分明显。Valko.P运用Kachan和PKN模型模拟分析水压致裂作用下岩石的损伤和开裂过程，得出在裂纹尖端存在损伤弱化区。杨天鸿提出了新的耦合模型：针对介质的非均匀性，将细观力学的思想应用到材料破坏问题中，将连续介质在细观尺度上离散为孔隙、裂隙结构由细观单元组合而成的网络系统，建立了描述岩体微细观缺陷结构形态的细观结构模型。模型以岩石破坏过程中渗流规律演化的实验结果为依据，以损伤力学、经典渗流力学、Biot基本理论为基础，引入弹性损伤本构关系，损伤变量和渗透系数、孔隙水压力关系方程，建立了描述岩石渗流—损伤耦合模型。从前面的论述中不难看出：水力压裂井眼围岩应力的研究是一个十分复杂的课题，需要在现有的压裂理论和模型的基础上，结合损伤力学知识，建立基于损伤力学的水力压裂井眼周围应力分布计算模型，为水力压裂的施工设计提供可靠的理论支持。因此，开展基于损伤理论的水力压裂井眼围岩应力研究，并将研究的成果及早的应用到水力压裂的现场施工，能够为水力压裂的优化设计提供坚实的理论依据。1.3论文主要研究内容水力压裂井眼围岩应力研究一直是水力压裂研究的一个关键问题，尽管国内外的许多专家学者已对此进行了研究，但对待工程实际问题时仍然存在不同程度的不适应性，本文将损伤力学理论和弹性力学结合来研究岩体水力压裂的井眼围岩应力分布，对解决实际问题更具实用性并具有一定的创新性。论文的主要研究内容有以下几个方面。1．损伤力学基础理论概述对本文应用的损伤力学表示方法进行了论述和推导，详要的介绍了用于描述损伤的各种损伤变量及用于分析损伤的等效原理，并对有效应力原理做了分析描述。2．基于损伤理论井眼围岩力学分析分析了实际受力状态下井眼周围岩体的力学特性，并对井眼周围岩体的的损伤特征进行描述，对应力—应变关系提出适当的简化和假设，在此基础上建立井眼围岩的损伤本构模型。3．压裂前井眼围岩应力研究建立压裂前井眼围岩的力学模型，基于损伤理论建立井眼周围弹性区和损伤区的应力计算模型，确定井眼周围损伤区半径及井眼围岩应力分布，并根据模型计算实际生产井井眼围岩应力状况。4．水力压裂井眼围岩应力研究考虑压裂时压裂液压力对井眼周围岩石的损伤作用，建立压裂时考虑压裂液压力的井眼围岩破坏区、损伤区和弹性区应力计算模型，计算比较生产时与压裂时考虑损伤作用的井眼周围岩石应力状况。2损伤力学理论简介近些年，损伤力学在岩体力学中的应用取得了较大的进展，因为岩体中的各类缺陷包括节理和裂隙等，可以认为是其损伤的实质表现。对于工程岩体，将其中分布的节理裂隙视为损伤，从损伤力学的观点研究其力学特征将更为确切；对于不含宏观裂纹的岩石材料而言，将其内部空洞、孔隙、颗粒界面和微细裂纹等各种细观尺度的分布缺陷视为损伤，从损伤力学的思想出发，研究岩石材料中细观分布缺陷对总体的力学响应是比较合理的。本章将对论文研究采用的损伤力学基础理论进行简要概述。2.1损伤力学概述人们通过对断裂力学理论的研究发现：断裂力学只能分析宏观裂纹的扩展行为，不能对宏观裂纹的萌生位置预估，而基于断裂力学的破坏分析通常包含着对裂纹萌生位置的人为假定，因而所得结论带有经验性；另外，裂纹被理想化为具有光滑表面的几何间断面，故裂纹尖端的应力应变场具有奇异性，其奇异阶数与材料的本构关系有关；此外，断裂力学还假定裂纹尖端区域的材料性能与远离裂纹区域一样。实际上，宏观裂纹是由微裂纹聚合、长大形成的，其扩展总是伴随着微裂纹的损伤，在裂纹尖端区域微裂纹对材料机械性能的影响是不应该忽略的，因此需要更精确的破坏分析模型，损伤力学正是在这一工程背景中产生和发展的。损伤力学是连续体力学的一个重要分支，它是材料与结构的变形与破坏理论的重要组成部分。自Kachanov于1958年提出连续度的概念，到1977年Janson与Hult等提出损伤力学（damagemechanics）的新名词至今，几十年的时间内获得了重要的进展。损伤力学的发展为工程结构损伤分析与失效预测提供了理论依据与手段，可用于分析结构破坏的整个过程，即微裂纹的演化、宏观裂纹的形成直至构件的完全破坏。损伤力学有两个主要分支1．连续损伤力学：它是利用连续介质热力学与连续介质力学的唯象学方法，研究损伤的力学过程，它着重考察损伤对材料宏观力学性质的影响及损伤演变的过程和规律，而不细察其损伤演变的习惯物理与力学过程，只求用连续损伤力学预测的宏观力学行为符合实验结果与实际情况。2．细观损伤力学：它通过对典型损伤基元（如微裂纹、孔洞、夹杂等）以及各种基元的组合，研究其变形与演变过程，通过统计方法，求得宏观变形与损伤过程与细观损伤参量之间的关联。近年来发展的基于细观的唯象损伤理论，则是介于上述二者之间的一种损伤力学理论，这些理论主要限定在确定性现象的范围。本文主要介绍连续损伤力学的基本概念和基本方法。2.2损伤变量在外载和环境的作用下，由于细观结构的缺陷（如微裂纹、微空洞等）引起的材料或结构的劣化过程称为损伤。从本质上讲，这些微缺陷是离散的，但作为一种简单的近似，在连续损伤力学中，所有的微缺陷被连续化，他们对材料的影响用一个或几个连续的内部场变量来表示，这种变量称为损伤变量。理想的损伤变量对损伤的描述应具有较高的精度，它应该能够反映损伤的最主要特征，且含有的参数较少，便于确定。损伤变量是用来描述岩体损伤状态的，通常情况下，损伤变量可以用宏观和微观两种度量来表示。宏观度量表示岩体具有宏观损伤特征，可以运用弹性常数、屈服应力、拉伸强度、延伸率、密度、声波速度等来描述其宏观损伤状态；微观度量主要根据岩体的微观结构来描述其损伤状态，如孔隙的数目、长度、面积和体积等等。对于大多数的工程材料，一般认为损伤变量在各向同性损伤模型中是一个标量，但当材料中的缺陷比较复杂或其分布比较复杂时，就要用张量损伤变量来描述，同时，在研究空间问题时，标量形式损伤变量的使用在一定程度上就有了局限性。因此，在大多数复杂的情况下，通常采用矢量或张量形式的损伤变量。2.2.1标量损伤变量1958年，Kachanov提出用连续度的概念来描述材料的逐渐衰变，从而，材料中复杂的、离散的衰变耗散过程可以用一个简单的连续变量来模拟，这就奠定了损伤力学的基础。考虑一受均匀拉力的直杆，如图2.1所示，认为材料劣化的主要机制是因为微缺陷导致的有效承载面积的减小。设其无损伤状态时的横截面面积为A，而损伤后的有效承载面积减小为A，则连续度ψ定义为有效承载面积与无损伤状态的横截面面积之比，即显然，连续度ψ是一个无量纲的标量场变量，ψ=1是表示完全没有缺陷的理想材料状态；随着材料劣化和损伤加剧使连续性降低，ψ<1；ψ=0是表示材料完全破坏，无任何承载能力。由于损伤不可逆，则ψ是单调递减的。图2.1受均匀拉力直杆的损伤劣化与有效应力转化2.2.2矢量损伤变量事实上，微缺陷的取向、分布及演化与受载方向密切相关，因此材料损伤实质上是各向异性的，尤其是对于微裂缝损伤机制，各向异性更为明显。D.Kracjcnovic对于基于扁平微裂缝的损伤，提出用矢量损伤变量ω来表示，即用裂缝平面上占有的缺陷面积密度ω0定义。设e1是微裂缝面的法向单位基矢量，则在图2.2的局部坐标系中，矢量损伤变量定义为图2.2矢量损伤变量的局部坐标矢量损伤变量是标量损伤变量的推广，它表示了损伤的方向性，具有明显的物理意义。但是，矢量损伤理论的发展尚不够完善，矢量损伤变量用于计算时也不如标量方便，其演化方程的建立比较复杂，应用上具有较大的局限性。2.2.3张量损伤变量为了描述损伤的各向异性，通常采用2阶或4阶张量来定义损伤，L.M.Kachanov提出了二阶张量的损伤表示式中：上标（α）表示第α个微裂缝；ni，nj和δ(A)分别为微裂缝的法向单位矢量、位移不连续矢量和表面Kronecker-Delta函数；N为代表性体积单元V中的微裂缝总数。同矢量损伤变量相比，二阶张量损伤变量包含了更多的损伤信息，而且在连续介质力学中更容易进行数学运算并开展实际应用。3基于损伤理论井眼围岩力学分析首先，针对井眼围岩受力特点对岩体的受力及损伤特征进行分析描述，分析井眼围岩在外界环境作用力下的受力特性即应力—应变特性，再应用损伤力学方法对井眼围岩应力进行研究，建立损伤本构模型，为能够准确计算井眼围岩应力分布提供依据。3.1井眼围岩损伤特征描述井眼的钻开会对稳定的原始地应力场产生扰动，使围岩应力重新分布，同时使远场应力在井壁岩石处产生较强的应力集中，造成井眼周围岩石变形损伤甚至破坏。由于岩体具有应变软化特性，且岩体内部存在微裂缝等缺陷，其发生、扩展决定了岩体的宏观力学性能，因此，有必要首先对岩石的受力特性作出定性分析。井眼周围岩体内具有大量的节理和裂隙等软弱面，这些软弱面是潜在的损伤发展源。节理软弱面的强度远远小于岩石的抗拉强度，由于受到高地应力和钻井施工的影响，在岩石本身没有产生破裂时，只能够引起节理、裂隙等弱面破裂，并且这些弱面破裂长度很短，没有连接贯通。在井眼围岩破坏损伤范围内，损伤不是指单个裂纹扩展而导致该区域岩体的劣化，而是指有大量服从统计规律的裂纹扩展形成的一种岩体环境，其具有区域性特征，且只凭某条或某几条裂纹不能产生这种效应。这些裂纹的产生是由于受到地应力作用而使得原有缺陷或弱面开裂和微扩展，当岩体内这类裂纹数量多到一定程度时，岩体性质就会发生明显改变，这样就形成了围岩破坏损伤区。岩体在其损伤过程中，内部微裂纹和孔隙之间会产生相互作用的影响，这样就无法确定各裂纹尖端附近的应力场。所以损伤力学理论就将含有大量分散的微裂纹区域看成是局部均匀场，在其内部考虑全部裂纹的整体效应，找出一个场变量来表达这个均匀场，一般用这个场变量来描述岩石材料的损伤状态。井眼围岩由于受到应力环境和工程形状的影响可能处于受拉、压、剪及其组合状态，而各种状态下裂隙的发育状况完全不同，各种裂纹的扩展导致岩体最终破坏。岩体中存在极大数量的不连续面，岩体破坏的主要方式就是这些不连续面之间贯通并形成宏观破坏面，当不连续面尺寸不同时，较大尺寸的不连续面更容易发生扩展。传统的弹塑性理论是将进入塑性的岩体范围作为围岩的破坏区，这是井壁围岩稳定性研究常用的方法。一般通过引入损伤变量描述受损岩体内部的力学行为，模拟岩体中大量裂纹的作用，岩体在损伤受拉时可以将岩体中的节理裂隙看成是岩体内部的初始损伤。3.2井眼围岩力学特性分析由于岩石中孔洞、裂纹、节理等细观结构的存在，岩石在各种外界荷载和外界环境的作用力下，会相应产生各种缺陷，导致岩石物理力学性质的劣化，其变化可分为以下几个阶段:1．第一阶段（图3.1中OA段）曲线稍向上凹，反映了在受到压应力作用时，岩石中的微孔洞、裂纹等会首先产生变形而闭合；2．第二阶段（图3.1中AC段）曲线斜率为常数或接近于常数，说明随着压应力增加，岩石中的微孔洞、裂纹基本不发生变化，保持稳定，使岩石表现出近似线弹性特性；3．第三阶段（图3.1中CD段）接下来，随着载荷的进一步增加，变形和载荷呈现非线性关系，曲线斜率随着应力的增加逐渐减小到零，曲线向下凹。这一阶段岩石进入裂纹不稳定扩展阶段，此时岩石中裂纹的扩展趋势大于闭合趋势，岩石的强度逐渐降低，是破坏的先行阶段。发生弹性到塑性行为过渡的点C，称为屈服点，而相应的应力称为屈服应力。4．第四阶段（图3.1中DE段）曲线下降，表明当应力达到峰值强度后，岩石内部裂纹大量产生与扩展，新的裂纹分叉发展，岩石迅速产生破坏。最高点D的应力称为强度极限σD，当应力超过峰值以后岩石仍然具有一定的承载能力，岩体的失稳破坏是一个渐进的过程。图3.1岩石的应力一应变曲线前面描述的是岩石在外力作用下的损伤劣化特性，在处理实际问题时，为使问题简化，常常只取上述某一个或几个阶段对应的岩石应力—应变关系作为研究对象来分析，本文在研究相关问题时也作出一些相应假设。3.3井眼围岩损伤本构模型以往针对岩石应力—应变关系曲线的研究，专家们分别提出了不同特性的岩石本构模型，包括线弹性模型、理想弹塑性模型、双线性模型、多线性模型、双曲线模型、幂强化模型、应变软化模型等。这些模型都具有一定的工程应用范围，但对应于实际问题时均存在一定的偏差，应用时应根据实际情况选择合适的模型，减小由于假设不合理而产生的误差。本文在研究井眼周围岩体的受力时，假设井眼周围岩石为均质的和各项同性材料，相应的采用Bui弹塑性损伤本构模型，则单轴压缩下其应力—应变关系简化为双线性（如图3.2），其中AB段为弹性阶段，弹性模量为E；BC段为塑性损伤软化阶段，降模量为λ。图3.2弹塑性损伤模型忽略峰值强度σC(相应的应变为:C)前的初始损伤，超过峰值强度后为线性各向同性损伤演化。因此，一维损伤演化方程为:通过对井眼周围岩石的损伤力学分析，更加明确了建立井眼围岩损伤力学模型的目的，而此处建立的井眼围岩损伤演化方程，可为损伤条件下的井眼围岩应力分布求解提供相应理论公式。4压裂前井眼围岩应力研究4.1压裂前井眼围岩力学模型由于储层岩石具有孔隙性和渗透性，并且孔隙相对岩石尺度来说很小，因此，宏观上可以认为是均质各向同性的。本章假定压裂前井眼围岩区域分为弹性区E和损伤区D，建立井眼围岩物理模型如图4.1，取直井井眼轴线为z轴建立极坐标系，设井眼半径为wr，损伤区半径为ρ，井筒内的流体压力为wp，σH和σh分别为原始最大水平主应力和原始最小水平主应力。在塑性损伤区域内，岩体处于塑性变形状态，内部裂隙产生新的、并具有一定方向性的裂隙弱面。塑性损伤区域范围的大小与岩体的物理力学性质及原岩应力场的分布状态有密切关系。在弹性区内，岩体处于弹性变形状态，其内部所具有的裂隙仍以原生裂隙弱面为主，只不过裂隙弱面的空间尺度发生一定的变化，该区域内岩体基本上不受钻孔的影响。实际上相邻区域之间没有明显的界限，在相邻区域之间还存在过渡区。E-弹性区，D-损伤区图4.1压裂前井眼围岩力学模型建立起力学模型后，为便于求解，还要对模型提出适当假设条件。针对上述力学模型提出如下几点假设:1．岩体受到的体积力只有重力，即X=0，Y=0,Z=ρg；2．岩体在水平方向无限延伸，在r→∞处，水平方向的位移和应变为零；3．在弹性区内，岩体近似地服从广义Hook定律；4．在塑性损伤区域，岩体不能硬化，即服从正则屈服的加、卸载准则。4.2压裂前井眼围岩应力分布4.2.1压裂前井眼损伤半径求解为了确定压裂前井眼围岩的应力分布，首先要准确计算钻开井眼后井眼围岩损伤区的半径，本章应用塑性损伤区域的屈服曲面方程来确定损伤半径。因此，在假设井眼围岩为完全弹性体的条件下可以建立图4.2的力学模型，对此模型进行求解如下：图4.2井眼钻开后井眼围岩的应力分布由于井筒竖直布置，故可简化为平面应变问题。此时，井眼只受水平面内两个原地应力作用，如图4.2所示。于是，可以求出井眼围岩的应力。4.2.2压裂前井眼损伤区应力分布假设井眼周围岩体满足图4.1，存在损伤区和弹性区，在不同的区域内存在不同的应力分布。在井眼周围岩体任取一微元，考虑岩石具有孔隙性和渗透性，将受到岩石骨架应力、孔隙流体压力等共同作用。对于垂直井筒，属平面应变问题，建立井眼围岩渗流作用下平衡微分方程为由渗流力学中稳定渗流孔隙基质平面压力分布公式求一阶导数得4.3实例应用4.3.1计算数据取某研究区块1口油井，该井定压生产700d，初始参数见表4-1。表4-1某油井初始参数参数名称单位数值最大水平主应力（σH）MPa30.00最小水平主应力（σh）MPa27.22井底流压（wp）MPa3.00地层压力（p0）MPa14.00杨氏模量（E）MPa2000临界损伤强度（σc）MPa10.00井眼半径（wr）m0.12外边界半径（R0）m50.00泊松比（ν）0.22基质孔隙度（φp）0.20内摩擦角（φ）°16.00内聚力（C）MPa0.50降模量（λ）MPa8004.3.2计算结果及分析1.损伤半径计算结果与最大主应力夹角/o图4.3压裂前损伤半径计算结果根据计算结果绘制出损伤半径随角度θ变化的曲线如上图所示，由该图很容易看出，损伤半径随着角度θ的增加呈现有规律的周期性变化，若将计算结果绘制到极坐标系，可明显看出损伤半径在井眼周围是类似椭圆形曲线，且延最小主应力方向损伤半径最大为0.235m，延最大主应力方向损伤半径最小为0.213m。2.井眼围岩损伤区应力计算结果图4.4压裂前延最小主应力方向损伤区应力图3.5压裂前延最大主应力方向损伤区应力由图3.3和图3.4中曲线可以看出，在损伤区内，径向应力小于周向应力，随着距井眼轴线距离的增加，径向应力和周向应力均增大，且周向应力的增加速度要大于径向应力的增大速度。3.井眼围岩弹性区应力计算结果由计算结果绘制应力变化曲线如图3.6和图3.7。由图中曲线可以看出：在弹性区内，径向应力与周向应力的大小比较接近，且但随着距井眼轴线距离的增加，二者变化基本相同，并与该方向原始水平主应力大小接近。图4.6压裂前延最小主应力方向弹性区应力图4.7压裂前延最大主应力方向弹性区应力4.4地应力场对岩盐溶腔稳定的影响分析岩盐水溶法开采时，盐井井位的布置及水力压裂的成功与否，在很大程度上有赖于对矿区（或采区）地应力分布规律的了解。矿区（或采区）地应力场研究的根本目的，就是要提供矿区（或采区）内、特别是岩盐层层面内三个主应力大小和方向变化的基本规律，为其它相关内容的研究提供科学依据。4.4.1矿区地质特征1地层据1：10000地形地质图：矿区地表出露地层自东向西（由新到老），为侏罗系中～下统自流井第三段～五段（J1-2ZL3-5），自流井第二段（J1-2ZL2）于长山附近的沟谷零星出露，中统沙溪庙组下亚组（J2n1）第四系（Q）沿河谷分布；钻井揭露地层：开孔层位于自三段～五段，终孔层位为二叠系雷口坡组第三段（TzL3）中下部。自上至下为侏罗系中～下统自流井群（J1-22zL）、三叠系上统须家河组（T3XJ）、中统雷口坡组（TzL）。2构造（１）褶皱构造：矿区内无褶皱构造发育。为一地层走向近南北，向西缓倾，倾角3°～7°左右的单斜层。地腹地层与地表基本一致，仍为近南北走向、向西缓倾的单斜构造。（２）断裂构造：矿区内部断裂发育，但其东部及南部边界毗邻区域东，南构造发育，区域的主要断裂均集中在该构造带上，矿区则位于构造带的转折部位。区域断裂多远离矿区，与之密切相关的有真武山断层、沙魁寨断层和回龙场断层。真武山断层：出露于五通坝南侧真武山，走向北50°东，倾向北西，倾角25°～30°的压扭性逆断层。地表西起高山坝，东至乱石包，出露长4Km，在真武山为须四段与自流井群一端接触，端距300余米，深部须家河组底界断距120m，自地表向深部尖灭现象明显。该断层与长山桥背斜成“人”字型斜列，与紧邻的矿区东南边界最小直距2.6km，但在矿区的钻井中未曾钻到，证明断层未切穿岩层及顶板以上地层，依据断层最小倾角25°和直距2.6km计算，在矿区盐层底板200m以下方能钻遇，故断层对矿区无直接影响。沙魁寨断层：出露于沙魁寨附近。为近南北走向，向西倾斜，倾角25°的压扭性逆断层。地表露头长3km，沙魁寨附近为须四段底部砂岩与上部砂岩接触，断距约80m，因矿区东部边界直距大于3km，故无直接影响。矿区内虽断裂构造不发育，但区域断裂控制了威西盐体东部和东南部边界。因区域断裂多为北东～近南北走向，向北西或西倾，矿区则处于逆断层上盘，受区域构造应力和断层牵引力的影响较大，在盐层顶、底板的刚性岩层中次生羽状裂隙发育，破坏了岩层的整体结构，导致矿区生产中溶腔顶板不够稳定，垮塌较严重的后果。3节理、裂隙（1）地表构造裂隙：地表刚性岩层（砂岩和灰岩）节理、裂隙均较发育，尤以大安寨灰岩和东岳庙灰岩为最，发育一组“X”型垂直节理，将灰岩层切割成大小相近的长条形块状，大安寨灰岩具一定垂向深度。岩层顶板裂隙发育：根据裂隙发育特点，按裂隙面与岩芯中轴的夹角关系分为三组：即0°～20°为水平裂隙；20°～70°为斜交裂隙；70°～90°为垂直裂隙。①水平裂隙：主要发育于泥质岩层中，灰岩层次之，硬石膏岩层中极不发育。本组裂隙尤以泥灰岩的层间裂隙发育为最。裂隙长一般大于10Cm，宽0.2～1mm；裂隙面多数平直，弯曲者少，以充填裂隙为主，未充填和半充填者少。本组裂隙生成多为原生裂隙。②垂直裂隙：主要发育于破碎灰岩层中，裂隙面平直，规模较大，一般20～35cm，最长者61cm（142#），最短者4cm；裂隙宽一般为0.2～1mm，最宽7mm；以未充填和半充填为主，二者占总数的80～85%。本组为典型的次生构造裂隙。③斜交裂隙：主要发育于破碎灰岩层中，次为中厚层状灰岩、斑晶灰岩，泥质灰岩少见。裂隙最长18cm，一般12～15cm；宽0.2～1mm，最宽5mm；裂隙面多数较平直，少数弯曲，以充填为主，半充填和未充填次之，二者占总数的25～30%。本组裂隙生成于垂直裂隙之前，水平裂隙之后，为次生构造裂隙。上述各组裂隙在支朵硬石膏岩和顶板条文状硬石膏岩中极不发育。4.4.2矿床地质特征1威西岩盐体概述威西岩盐体为大型海相沉积的单一薄层状盐矿床，地跨荣县、井研、犍为、仁寿四县，盐体形似一乒乓球拍，南北长约40km，东西宽近30km，总面积约800km2，储量近189.66亿T。除盐体东部和南部边缘地带有断层或断层在盐体边界外，其内部构造简单，为一走向北东~近南北倾向北西或西,倾角3°～7°的倾斜层，埋深800～1700m。长山矿区则位于该盐体东南部边缘。2矿区盐层特征盐层赋存于中三叠统雷口坡组第三段中下部，为一层厚度相对较稳定的单一薄盐层，无论沿走向和倾向，厚度和品位一般变化不大。3盐层剖面结构（1）盐层顶、底板地质特征盐层直接顶一般厚约0.80～1.50m，最厚2.79m、最薄0.43m，为灰褐色，细～中晶结构，中厚层状构造，含有泥质、有机质条纹和灰岩（或泥质灰岩）条带硬石膏岩。与盐层的接触界面清晰，接触面凹凸不平，中有厚2～3m岩质硬石膏岩。其上一层为：中有1～3m厚的褐灰色～深灰色，中厚层状构造，含厚石的膏斑晶的灰岩（习称斑晶灰岩）；2～5m厚的褐灰色～深灰色，隐～微晶结构，中厚层状构造的灰岩，裂隙发育，岩石破碎，俗称破碎灰岩；7～11m厚的灰色～黑灰色，隐～微晶结构，薄～中厚层状构造的泥质灰岩夹多层中厚状灰岩；距盐层顶界以上15～21m的泥质灰岩中，夹一层3～7m厚的褐灰色、细～中晶结构，厚层～块状结构，含不规则灰岩或泥质灰岩团块的朵状硬石膏岩，俗称标准层硬石膏岩，为威西地区的盐上标志层。间接顶板为朵状块硬石膏岩以上的雷三段中、上部地层，包括40～65m厚的泥质灰岩和85～120m厚的厚层块状灰岩，雷四段加五段的白云岩及灰岩。盐层的直接顶为一般厚0.30～0.80m，最厚1.59m，最薄0.12m，灰褐色，细～中晶结构，中层状构造，含有机质、泥质条纹的硬石膏岩。与盐层的接触界面清晰，接触面凹凸不平，中有1～2m的盐质硬石膏岩。其下为夹3～9层薄硬石膏岩（或硬石膏条带）的泥质、含泥质灰岩，距盐层底界面7～8m的泥质灰岩中，夹一层0.3～0.5m厚，含Rhaetina生物化石灰岩，为威西地区的盐下标志层。（2）盐层剖面结构盐层剖面结构比较简单，主要为一层质纯石岩盐，含少量的硬石膏星点、麻点、斑块和团块，以及硬石膏条带，此外，含微量的泥质有机质等。根据石岩盐的颜色、结构构造、杂质含量可划分为四个自然层：质纯（块状）石岩盐；烟灰色（雾状）石岩盐；含硬石膏星点、斑点～团块石岩盐；含硬石膏条带石岩盐。矿区岩盐质纯，无夹石可剔除，仅含硬石膏星点和斑点、团块及不规则条带，泥质、有机质甚少，多沿层下方向分布，对岩层的品味和开采影响不大。4矿石质量评述矿区的矿石矿物为石岩盐一种。根据化学分析结果，石岩盐的主要离子组分仅有Na+、CL-两项，次要离子组分为Ca2+、mg2+、SO−4和CO−3等四项，其它组分含量甚微。盐矿中的不溶物亦较低，水不溶物，除103、214井工程平均分别为2.99%和2.90%外，其余各井均小于2.5%，酸不溶物以126井最高，工程平均为0.37%，其余各井均小于0.15%。酸不溶物中主要由泥质、有机质组成，并孱有石英等不溶物，但后者含量有限；水不溶物除泥质、有机质外，尚有碳酸盐矿物和部分硫酸盐矿物。化学分析结果还表明：矿区岩盐不含碘，不符合食用盐标准。但在开采中，因盐层顶板岩层中含碘黑卤水的掺入，而起到一定调节作用，仍不能达到食用盐标准，制盐时应按规定要求适量加入。矿区水文地质特征1地表水文地质分区地表水体包括河流、水库（或水塘）、井泉和浅层地下水等。矿区内农田广布，水库山弯水塘、井泉较多，降雨多汇集其间，地表径流不发育，较大的河流有越溪河及其支流。越溪河由北而南，再折向东南流经矿区东、南边缘。年均流量为39.6m3/S。此外，矿区内尚有较大的支流6条。区内自北向南有储水量为10～120万m3的金银桥、三河口、劲松、烂沟坡、金竹沟和同心等六个水库：井、泉颇多，民井遍布各居民点；泉水点则分布在灰岩、砂岩露头区，以下降泉为主，上升泉为辅；地表潜水主要位于河谷地带。综合矿区地形、地貌、基岩特征及富水性能和地表水体分布特点，矿区划分为三个水文地质分区：岩溶裂隙富含水区、孔隙裂隙中含水区和泥岩裂隙弱含水区。2地下水文地质特征矿区岩盐上覆地层除地表露头外，地腹尚有自流井一段泥质岩类地层、须家河组的破碎盐煤系地层和雷口坡组的碳酸岩盐地层，组成一套含、隔水层相间排列的含水岩系，自上而下可划分为四个含水岩组：J1-2zl4+5含水岩组；J1-2zl1-3含水岩组；T3xj含水岩组；T2l含水岩组。钻井施工表明：T3xj和T2l两个含水岩组，在场山地区基本无涌、漏现象；在踏紫及以西地区，尤其是来牟～观音一带，涌漏明显，局部井段出现大涌或大漏以及井段漏失等。如T2l含水组139、140井用水量达15m3/h；137、138井漏失在10m3/h以上。其涌漏主要为T3xj的三个含水层和T2l4下部、T2l3岩盐层以上100m左右井段。说明西部水文地质条件较东部复杂，西部岩层孔隙裂隙和溶裂隙较东不发育，富水性较东部好。上述各含水岩组中的含水层，除泥岩中的砂岩透镜体外，均呈层状，厚度稳定，沿走向和倾向变化不大。各含水层由泥岩、页岩不含水层相隔，彼此间不发生水力联系，独成系统。3水化学特征及动态分析（1）水化学特征本地区地下水主要指三叠系上统须家河组的黄卤水和中统雷口坡组的黑卤水，二者均具一定的矿化度，且随着埋藏条件的改善，其矿化度有逐渐增高的趋势。黄、黑卤水的水化学特征有明显得差异：黄卤水含Ba2+而−4SO和mg2+较低；黑卤水刚好相反，SO−4和Mg2+较高，不含Ba2+，而含H2S和Sr2+，反映了二者具有不同的成因类型和演化历史，在构造及简单的矿区内，二者未发生窜层现象，各自保持自己的独立性。（2）地下水动态分析矿区含卤水层具有明显的垂直分布现象，在同一井中随着埋藏深度的增大，卤水浓度明显升高，如铁34井Taxj4（埋深230～365m）的黄卤水，总矿化度仅为6.17g/l，到Taxj2（埋深485～542m）总矿化度增至76.02g/l，再下的T2l4（埋深742～913m）的黑卤水，总矿化度则增至175.21g/l。这不仅反映了各含水层埋藏条件的差异，同时也反映了地下水的活动状况。如前所述：含水系由含、隔水层相间平行组合而成，各含水层之间有较厚的不含水层相隔，使地下水的垂直运动难以进行。又因矿区为一单斜构造，尽管在各含水层中发育有垂直裂隙、节理，但在上、下隔水层的延伸有限，加之各主要含水层的岩性和厚度比较稳定，故决定了地下水运动主要沿水平方向顺层进行。（3）矿区生产对地下水的动态影响对地腹深层（薄层）岩盐开采，采用钻井水溶连通采卤工艺是较可行的，亦是目前国内外开采层状岩盐使用的较为经济合理的采卤方法。从发展趋势看，亦是今后相当长期内仍需使用的采卤工艺。长山矿区亦采用此工艺开采岩盐矿。矿区内共钻井72眼，其中9眼地探井竣工后未按封井要求封隔岩盐以上的含水层。63眼基建井和更新井，竣工后按程序下入生产技术套管封隔各含水层。在建井～生产初期，采用压裂建井工艺的部分施压井，管鞋附近的水泥环压破，部分压裂液渗透到顶板地层中，生产时亦有少量淡水窜顶等，但影响范围仅限于井筒附近，因此，生产初期地下水的活动状态，基本仍沿水平方向顺层进行，各含水层间未发生窜层现象，相对保持静态平衡。随着生产发展，采卤量逐年增加，矿区20年来已累计采卤水折盐逾1000万T，随之卤井服务年限也增长，各井组间采卤形成的溶腔逐步扩大，甚至形成井组间的大连通，如长山采区14眼井、来牟采区8眼井分别连通，并在连通区形成大溶腔，导致盐层顶板垮塌严重，使地下水的活动复杂化，表现在以下三个方面：①建井工艺：矿区先后有8对井组，进行过15次岩盐水力压裂建井工艺，由于施压井管鞋附近水泥环的固结程度，承受不了高压水的作用，多数被压破，压裂液沿破裂形成通道，渗透到顶板地层中，并沿岩溶，构造裂隙发育地段扩散。如135井组压裂时，远离该井组700余米的137井有明显显示，说明压裂液沿顶板窜槽，渗透于顶板岩层中。②生产影响：生产期间，采区内各生产井组形成的溶腔，压力基本达到平衡。由于注水井的注水压力（一般控制在3.2～3.8MPa）的作用，此时溶腔内的岩盐卤水，部分沿顶板垮塌地层渗透，并上窜至因顶板垮塌而形成的变形薄弱带地层中。据矿区生产证实：该影响带的垂直高度以达100～200m，甚至波及雷口坡组顶部，如在来牟的大溶腔钻一补救井（114井），当钻至雷四段下部时，井内严重涌水，固井后继续钻井涌水量则更加强烈，说明波及高度已达此井段。③地探井是水力联系通道：地探井竣工后的封堵情况不一，一般仅于岩层及顶板注一水泥塞，其上垫重泥浆，少数井在井口再注水