水力壓裂巖石力學(xué)一

、水力壓裂的定義二、裂縫幾何形狀三、裂縫延伸模型四、水力壓裂的物理模擬方法五、地層裂縫非平面擴(kuò)展匯報提綱1、水力壓裂的定義水力壓裂是油氣生產(chǎn)中的一種增產(chǎn)增注工藝措施.它是利用高壓、大排量泵組，把高粘性流體以大大超過地層吸收能力的排量注入井筒，在井底附近建立超高壓，使地層破裂，隨

著壓裂液繼續(xù)注入，裂縫向前延伸，在造成具有一定長度、寬度

裂縫后，泵入帶有支撐劑的液體，造成具有一定長度、寬度及導(dǎo)

流能力的支撐裂縫，使停泵后仍具有高流通能力，從而減少井底

附近的滲流阻力，提高油氣井產(chǎn)量或水井注入量。水力壓裂是提高油氣井產(chǎn)能的主要工程方法。它是一種廣泛使用并接收的增產(chǎn)方法。水力壓裂過程中產(chǎn)生人工裂縫或裂

縫網(wǎng)絡(luò)，從而改變儲層中流體的流動。壓裂施工是要從井筒到

目的油氣層造最優(yōu)化的路徑。以為涉及多學(xué)科及需要很廣的科

學(xué)基礎(chǔ)，使水力壓裂變得相當(dāng)復(fù)雜。水力壓裂的要素包括：①流體力學(xué)，控制裂縫中的流體流動及支撐劑的布置；②巖石力學(xué)，控制裂縫幾何形態(tài)；③化學(xué)

,控制施工中使用的化學(xué)材料的性能。1、水力壓裂的定義作為致密砂巖的完井方法，水力壓裂尤其重要。致密砂巖中裂縫的長度是關(guān)鍵。除非采取增產(chǎn)措施，否則致密砂巖的大部分井都沒有經(jīng)濟(jì)價值

。除非采取增產(chǎn)措施，否則致密砂巖的大部分井都沒有經(jīng)濟(jì)價值。能否增產(chǎn)成功，很大程度上取決于誘導(dǎo)縫的幾何形態(tài)。誘導(dǎo)縫的增長受地下復(fù)雜變化影響極大。理解地下情況才能幫助我們優(yōu)化壓裂方案、提高產(chǎn)量。弄清楚水力壓裂產(chǎn)生的單個裂縫形狀還能幫助回答其他施工問題

,如井間距和油藏最大泄油面積等?？梢暬軐⑤斎氲臄?shù)據(jù)形成模型，回

答每天的經(jīng)濟(jì)和盈利問題?？赏ㄟ^壓力歷史匹配的方法來校準(zhǔn)初始模型

，

模型得到結(jié)果也可以通過生產(chǎn)情況來判定。1、水力壓裂的定義水力壓裂知識結(jié)構(gòu)完井方式的選擇溫度的京響、壓裂液、壓裂材料的選擇射孔方式的選擇1、水力壓裂的定義水力壓裂施工監(jiān)測油藏描述、

地質(zhì)學(xué)情況、

儲層流體、巖石物理性質(zhì)及漏失特性研究裂縫的幾何形

狀與導(dǎo)

流能力水力壓裂的診斷地質(zhì)力學(xué)一

、水力壓裂的定義二、裂縫幾何形狀三、裂縫延伸模型四、水力壓裂的物理模擬方法五、地層裂縫非平面擴(kuò)展匯報提綱巖石力學(xué)在控制水力壓裂裂縫幾何形狀方面起著重要的作用。研究表明，影響裂縫延伸的主要因素包括：(1)地層中不同層位的地應(yīng)力；(2)壓裂地層的相對厚度；(3)地層之間的邊界狀況；(4)地層彈性模量、泊松比、斷裂韌性等巖石力學(xué)參數(shù)的分布；(5)裂縫內(nèi)的液壓梯度；(6)地層中孔隙壓力的分布；(7)地層中的孔隙度、滲透率等物理參數(shù)。2、裂縫幾何形狀一般認(rèn)為局部地應(yīng)力場和相鄰層之間地應(yīng)力的差異是控制裂縫形

狀及垂向延伸的重要因素。裂縫通常在垂直于最小主地應(yīng)力方向

延伸，因此區(qū)域地應(yīng)力可以影響水力裂縫方位的走向。不同大小的水平及垂直應(yīng)力對裂縫的影響如圖所示，圖中地應(yīng)力值的大小與箭頭尺寸成正比.在淺部地層的水力壓裂中可能形成水平裂縫，這種一般符合圖C

的

條

件

。水力壓裂的現(xiàn)場作業(yè)表明，深度大于300-600米的水力壓裂通常形

成垂直裂縫，如圖A所示。垂直裂縫常常由于上層或下層較高側(cè)向應(yīng)力而阻滯或停止延伸，如圖B所示。垂直應(yīng)力(覆蓋層的重量)小于橫向應(yīng)力的地方可能產(chǎn)生水平裂縫B垂直裂縫受兩個更高應(yīng)力場限制應(yīng)力場對裂縫的影響垂直裂縫垂直于最小地應(yīng)力應(yīng)力與箭頭長度成正比層間地應(yīng)力差異可以明顯地影響裂縫形狀，通常應(yīng)用的裂縫延伸的

理論公式假定了一種簡單的裂縫形狀(見圖左側(cè)),但實際上裂縫形

狀會十分復(fù)雜(如圖右側(cè)所示)理

論

實

際理論和實際的裂縫形狀在水力壓裂中裂縫高度對裂縫長度有顯著影響，因此正確地掌握垂直裂縫高度十分重要。在現(xiàn)場測試水力裂縫主要采用溫度衰減剖面或放射性示蹤剖面方

法。在許多情況下，水力壓裂作業(yè)全過程中縫高不是保持不變的，

而是向上下分別延伸。在這種情況下，需要研究估算縫高延伸的

方法，主要是進(jìn)行地應(yīng)力和壓裂機理研究。一

、水力壓裂的定義二、裂縫幾何形狀三、裂縫延伸模型四、水力壓裂的物理模擬方法五、地層裂縫非平面擴(kuò)展匯報提綱一、斷裂韌性斷裂韌性的定義來自線性彈性斷裂力學(xué)中建立的應(yīng)力強度因子

的概念斷裂力學(xué)認(rèn)為

，巖石中早先存在的缺陷往往蔓延成連續(xù)的缺陷。

這種內(nèi)在的缺陷會導(dǎo)致在其附近形成高度應(yīng)力集中，并成為裂

縫發(fā)生和擴(kuò)展的原因。在線性彈性介質(zhì)中可用線性裂縫表示缺陷.如圖所示；3、裂縫延伸模型距裂縫端部的距離，

r裂縫端部附近的應(yīng)力集中應(yīng)力強度因子是加載參數(shù)和物理幾何形態(tài)的函數(shù)。當(dāng)K達(dá)到臨界值(即臨界應(yīng)力強度因子KIc,

稱之為斷裂韌性)時，裂縫發(fā)生擴(kuò)展斷裂韌性是衡量巖石抵抗裂縫擴(kuò)展的參數(shù)，但不要把它與巖石的

抗張強度混淆起來。不過，這兩種性質(zhì)是有關(guān)的，例如，從微觀

上看，小的缺陷存在于顆粒邊界處。I型，張開型，在裂縫前方施加止常張力Ⅱ型，滑動型，施加橫向剪力(其系數(shù)為Kπ)III

型，撕裂型，施加縱向剪力(其系數(shù)為Km)二維模型第一個模擬裂縫擴(kuò)展模型是Khristanovic和Zheltov(1955)建立的。它是依據(jù)平面應(yīng)變假設(shè)建立的二維模型，可分為兩類，即：

水平

面的平面應(yīng)變條件和垂直面的平面應(yīng)變條件十水平面應(yīng)變形態(tài)而言，裂縫帶的變形應(yīng)與上、下層無關(guān)，裂縫的

形態(tài)與其垂直位置無關(guān)如圖表示了裂縫形態(tài)，其高度均勻、恒定，橫截面呈矩形(Khristianovic和Zheltov,1955;Geertsma

和deklerk,1969

-KGD

模型)KGD型的裂縫幾何形態(tài)Perkins和Kern(1961)和Nordgren(1972)

的模型是基于垂直面中平面應(yīng)變假設(shè)，因此PKN

模型每個垂直截面的變形與其它垂直

截面無關(guān)。垂直面中縫寬可通過液體流動方程和連續(xù)性方程聯(lián)

系起來。由于每個垂直截面中沒有垂向延伸或液體流動，故壓

力是均勻的，因而裂縫形態(tài)呈橢圓形，見下圖所示。這種情況表示裂縫水平穿透距離比垂向穿透距離大的多。裂縫形態(tài)裂縫高度均勻、恒定，橫截面呈矩形。模型基礎(chǔ)Khristanovic和Zheltov(1955)

依據(jù)水平面應(yīng)變假設(shè)

建立的二維模型，裂縫帶的變形與上、下層無關(guān)，形

態(tài)與其垂直位置無關(guān)。二維模型-KGD模型模型基礎(chǔ)Perkins

和Kern(1961)

和

Nordgren(1972)基于垂直面中平面應(yīng)變假

設(shè)建立的模型，每個垂直截面的變

形與其它垂直截面無關(guān)。裂縫形態(tài)裂縫形態(tài)呈橢圓形，這種情況表示

裂縫水平穿透距離比垂向穿透距離

大得多。壓力與流動特點每個垂直截面中沒有垂向延伸或液

體流動，壓力是均勻的。二維模型-PKN模型一

、水力壓裂的定義二、裂縫幾何形狀三、裂縫延伸模型四、水力壓裂的物理模擬方法五、地層裂縫非平面擴(kuò)展匯報提綱驗證理論模型可以將物理模擬的結(jié)果與理論模型進(jìn)行對比，

驗證理論模型的準(zhǔn)確性和可靠性，對理論模型

進(jìn)行修正和完善，推動水力壓裂理論的發(fā)展。研究裂縫擴(kuò)展規(guī)律通過物理模擬可以直觀地觀察水力壓裂過程中

裂縫的起裂、擴(kuò)展和延伸情況，深入研究裂縫

擴(kuò)展的規(guī)律，例如裂縫擴(kuò)展的速度、方向以及

分支情況等，為理論研究提供實際依據(jù)。指導(dǎo)實際生產(chǎn)物理模擬能夠模擬不同地質(zhì)條件和施工參數(shù)下

的水力壓裂過程，幫助工程師優(yōu)化壓裂方案，

確定最佳的施工參數(shù)，如壓裂液的注入速度、

壓力等，從而提高油氣井的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。物理模擬的意義定區(qū)域可控交錯定向射孔水平井水力壓裂物理模擬方法該方法通過精確控制射孔的位置和方向，模擬在特定區(qū)

域內(nèi)的水力壓裂過程，能夠更準(zhǔn)確地研究裂縫的擴(kuò)展和

連通情況，提高壓裂效果。真三軸水力壓裂物理模擬方法在真三軸應(yīng)力條件下進(jìn)行模擬，能夠更真實地反映地層

的實際應(yīng)力狀態(tài)，研究不同應(yīng)力條件下裂縫的起裂和擴(kuò)

展規(guī)律，為復(fù)雜地質(zhì)條件下的水力壓裂提供參考。相似材料模擬方法使用與實際巖石物理性質(zhì)相似的材料制作模型，模擬水

力壓裂過程，成本相對較低，且可以方便地改變模型的

參數(shù)，研究不同因素對裂縫擴(kuò)展的影響。常見的物理模擬方法加載地應(yīng)力通過加載設(shè)備對人造巖心試件施加與實際地層相似的地應(yīng)力，模擬地層的應(yīng)力環(huán)境，確保模擬過程的真實性。制作模擬井筒根據(jù)實際井筒的尺寸和結(jié)構(gòu)，制作與之相似的模擬井筒，確保其能夠準(zhǔn)確模擬井筒在水力壓裂過程中的作用。注入壓裂液使用泵組將壓裂液以一定的速度和壓力注入模擬井筒，模擬實際的水力壓裂施工過程，觀察裂縫的起裂和擴(kuò)展情況。澆注人造巖心試件選擇合適的材料，按照一定的配比和工藝澆注人造巖心試件，使其物理性質(zhì)與實際地層巖石相似，為模擬提供真實的地質(zhì)條件。采集數(shù)據(jù)在模擬過程中，使用各種傳感器采集壓力、流量、位移等數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析和研究提供依據(jù)。物理模擬的流程0203040501實際生產(chǎn)中的應(yīng)用物理模擬方法在油氣田開發(fā)中得到了

廣泛應(yīng)用，幫助工程師優(yōu)化壓裂方案，

提高油氣井的產(chǎn)量。例如，在某油田的壓裂施工中，通過物理模擬確定了最佳的射孔方案，使單井產(chǎn)量提高了30%。模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性物理模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性受到多種因素的影響，如模擬材料的性質(zhì)、實驗設(shè)備的精度等。如何提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，使其更接近實際情況，是當(dāng)前面臨的一個挑戰(zhàn)。實驗成本物理模擬實驗需要使用大量的設(shè)備和

材料，實驗成本較高。降低實驗成本，提高實驗效率，是推廣物理模擬方法的關(guān)鍵。物理模擬的應(yīng)用與挑戰(zhàn)一

、水力壓裂的定義二、裂縫幾何形狀三、裂縫延伸模型四、水力壓裂的物理模擬方法五、地層裂縫非平面擴(kuò)展匯報提綱非平面擴(kuò)展的現(xiàn)象FRICTIONICEOR

GLASS

SURFACEUNPOLISHED

woOD

◎SANDYSURFACE0

1裂縫轉(zhuǎn)向在水力壓裂過程中，裂縫

可能會改變原本的延伸方向。例如，當(dāng)遇到不同地

應(yīng)力區(qū)域或巖石性質(zhì)變化

帶時，裂縫會偏離初始方向，發(fā)生轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，這使

得裂縫的走向變得復(fù)雜。03裂縫扭曲地層中復(fù)雜的地質(zhì)條件可能導(dǎo)致裂

縫呈現(xiàn)出扭曲的形態(tài)。裂縫不再是

規(guī)則的直線或平面，而是彎曲、起

伏，影響了裂縫的導(dǎo)流能力和擴(kuò)展

效果。02裂縫分支裂縫在擴(kuò)展過程中可能會出現(xiàn)分支

情況。原本單一的裂縫會分裂成多

個小裂縫，形成分支網(wǎng)絡(luò)。這種現(xiàn)

象會增加裂縫的復(fù)雜性和波及范圍。地層非均質(zhì)性地層中巖石的成分、孔

隙度、滲透率等存在差

異，這種非均質(zhì)性會導(dǎo)

致裂縫擴(kuò)展的不均勻性。

在不同性質(zhì)的地層區(qū)域，

裂縫擴(kuò)展速度和形態(tài)不

同，容易出現(xiàn)分支、轉(zhuǎn)

向等非平面擴(kuò)展現(xiàn)象。地應(yīng)力變化地應(yīng)力的大小和方向在

地下并非均勻分布。當(dāng)

裂縫擴(kuò)展遇到地應(yīng)力變

化區(qū)域時，不同方向和

大小的應(yīng)力會迫使裂縫

改變擴(kuò)展方向，導(dǎo)致非

平面擴(kuò)展。例如，水平

應(yīng)力差異較大時，裂縫

更容易發(fā)生轉(zhuǎn)向。巖石力學(xué)性質(zhì)巖石的彈性模量、泊松比、

斷裂韌性等力學(xué)性質(zhì)對裂

縫擴(kuò)展有重要影響。不同

巖石的力學(xué)性質(zhì)不同，在

壓裂過程中，裂縫擴(kuò)展的

難易程度和形態(tài)也會不同。

如脆性巖石更容易形成分

支裂縫，而韌性巖石的裂

縫擴(kuò)展相對較規(guī)則。射孔方位射孔方位決定了裂縫初始

擴(kuò)展的方向。如果射孔方

位與地應(yīng)力方向不匹配，

裂縫在擴(kuò)展初期就可能受

到阻礙，從而引發(fā)非平面

擴(kuò)展。例如，射孔方向與

最小主應(yīng)力方向夾角過大

時，裂縫容易發(fā)生轉(zhuǎn)向。影響非平面擴(kuò)展的因素現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析在實際的水力壓裂現(xiàn)場，利用各種監(jiān)測技術(shù)獲

取裂縫擴(kuò)展的相關(guān)數(shù)據(jù)，如壓力變化、裂縫方

位等。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)非平面擴(kuò)展