裸眼井水力压裂机理.docx
二、裸眼井水力压裂造缝机理1.井壁最终应力分布地层岩石裂开前，井壁最终应力分布为钻井孔眼应力集中、向井筒注液产生的应力、注入压裂液径向滤失产生的应力的迭加。(1)井筒处应力分布设钻井井眼半径为心，钻井完井后井底应力分布可视为无限大均质各向同性岩石平板中有一圆形孔眼时的应力状态，如图6-3所示。记压应力为正，张应力为负，依据弹性力学理论可以求出图中任意点处的应力分布。66计图6-3钻井引起的井壁诱导应力场算点剪切应力，MPa。由(6-7)式可知：离井壁越远，周向压应力快速降低，径向压应力渐渐增加；而且大约几个井径之后，周向压应力降为原地应力，径向应力增加到原地应力。实际上，由于岩石的抗压强度比抗张强度大得多，而且钻井孔眼引起的应力集中使得井壁处应力大于原地应力，因此，水力压裂造缝时我们感爱好的主要是井壁处的周向应力.由于构造应力影响,水平应力场通常是不匀称的，假定5>,则当0=0。或180。，井壁处周向应力最小，为i11=3y-x当。二90。或270。，井壁处周向应力最大，为f,=3-y对于套管完成井，考虑到水泥环与岩石的力学性质比钢材与岩石的力学性质差别小得多，可按双层厚壁圆筒的弹性力学理论计算井筒四周的应力状态。（2）向井筒注液产生的应力分布为了在井壁的薄弱处人为诱发裂缝，需要向井筒注入高压液体使井底压力快速提高。将井筒四周岩石系统视作具有无限壁厚、且承受内外压力的厚壁圆筒，按弹性力学理论计算其应力分布式中P.,Pi分别为厚壁筒外边界压力（无穷远处PC为零）和井底注入压力，MPao公式（6-8）表明：注入压裂液在井壁四周各个方向上所产生的应力，均为张应力，因此，向井筒注液有利于撕开地层。同时，注液产生的应力沿井轴半径渐渐衰减，在井壁处产生的张应力近似为注液压力，离井轴越远，应力越小。（3）注入液径向渗入地层引起的应力注入液径向渗入井筒四周地层中，形成了此外一个应力区，增大了井壁四周岩石应力。增加的切向应力值近似为%=（Pi-PS）。（6-9）1-V（4）井壁最终应力分布地层岩石裂开之前井壁四周应力为上述几种应力迭加，总存在两个方向（假如>y,在。二0。，180。方向）受到的周向应力最小可见，离开井壁较远处，周向应力仍为压应力，但在井壁四周为张应力，因而，水力压裂能够形成人工裂缝。井壁处的周向应力简化为（3叫一幻”+9一丹松(6-10)2.水力压裂造缝条件岩石破坏准则是衡量有效主应力（PrinCiPaIStreSS）间的极限关系。超过该极限值，就消失不稳定或破坏。水力压裂中用得最广泛的准则是最大张应力准则，认为一旦最小主应力达到物体的抗张强度5就会破坏。即令孔隙弹性常数为1,针对水力压裂中的垂直裂缝和水平裂缝形态分别讨论其相应的造缝条件。裂开极限条件下的注入压力即为地层裂开压力(fracturepressure)。(1)形成垂直裂缝假如注入压裂液滤失到地层，井壁上有效周向应力为周向应力与注液压力Pi之差，即Pi(6-12)由最大张应力准则，当井壁岩石的周向应力为达到井壁岩石水平方向的最小抗张强度出'时，岩(6-13)石将在垂直于张应力方向脆性断裂而形成垂直裂缝。此时的地层裂开压力为-F十八假如压裂液不滤失，孔隙流体压力依旧为Ps,总的有效周向应力为=Ps(6T4)同理，结合最大张应力准则，地层裂开压力为Pf=33y-3c+b:+Ps(6-15)(2)形成水平裂缝当注入压裂液向地层滤失，将增大垂向应力。其增量与水平方向应力增量相同，则总的有效垂向应力为(6-16)_12vOZ=z+a(pf-ps)-PiI-V依据最大张应力准则，形成水平缝的条件是万Z=P；于是(6-17)(6-18)(6-20)但上式计算出的裂开压力偏大，修正为.+<+Ps1.94a1-V假如压裂液不向地层滤失，就不存在由于滤失引起的应力增量。依据最大张应力准则同理推得相应的裂开压力公式PF=KW+Ps修正到与试验室数据吻合Pfr+<Ps0.94(6-21)综合前述推导分析可得：无论是形成垂直裂缝或水平裂缝，压裂液向地层滤失时，由于流体传递了该压力而使裂开压力有所降低。但压裂液向地层滤失增加了地层污染可能性。例6-1已知某砂岩油藏地层岩石密度Q2300kgm3,泊松比v=0.20,地层流体密度PL=1050kgm3o并假设水平方向地应力匀称分布，抗张强度为。=3.5MPa,忽视沉积岩的垂向抗张强度。试计算无滤失条件下形成垂直裂缝和水平裂缝的深度界限比。解上覆岩石压力为。片106Hc地层压力近似为Ps=10(PtgK:有效垂向应力z=o2-ps匀称水平应力场的地层水平应力x=y=a：1-v在无滤失状况下，让形成垂直裂缝和水平裂缝的裂开压力相等，即2x+th+px=G+PS代入各种应力的计算表达式，解出临界深度H<,并整理可得该结果说明在浅地层简单形成水平裂缝，而深地层简单形成垂直裂缝。由于上述临界深度忽视了各地普遍存在的构造应力影响，因而只能是大致的分析结果。3.裂开压力梯度裂开压力梯度(fracturepressuregradient)定义为某点裂开压力与该点深度的比值，即=地层破裂压力.O'一地层深度(1)理论计算忽视构造应力和岩石抗张强度影响。对于匀称水平应力场，假设孔隙弹性常数为1,裂开压力梯度为该式忽视了构造应力和岩石抗张强度影响，因而与实际状况有些差异。(2)统计方法油田使用的裂开压力梯度通常是依据大量的压裂实践统计出来的。一般范围在0.0150.025MPa/m之间，新疆焉耆盆地个别井达到0.036MPamo依据裂开压力梯度可以大致估算压裂裂缝形态。当F<0.015-0.018MPam,形成垂直裂缝;当->0.022-0.025MPam,形成水平裂缝。
