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第五章 水力压裂技术

§5—1水力压裂力学

地层中形成水力裂缝的过程与液体流动特性及岩石的力学性质有关。水力造缝的本质是岩石在液体压力作用下的破裂与变形问题，因此造缝特性与岩石的受力及力学性质有关。

一．地应力场

地应力场概念：地应力是由于岩石变形引起的介质内部单位面积上的作用力。地应力场：是指地应力大小和方向在地层空间位置的分布。

地应力剖面概念

地应力剖面是指研究地应力大小在纵向上的变化。二．地应力的类型

原地应力：开发之前地应力原始大小。

扰动应力：开发引起的地应力改变。

构造应力：由构造运动在岩体中引起的应力。

残余应力：除去外力后尚残存在岩石中的应力。

重力应力：由上覆岩层的质量引起的地应力。

热应力：由于地层温度发生变化在其内部引起的内应力增量。

分层地应力：按地层分层给出不同的地应力。

古地应力和现今地应力：某地质时期或重要地质事件前的地应力称古地应力。目前存在或正在活动的称现今地应力。石油工程关心的是现今地应力。

地应力测试

1）长源距声波与密度测井方法

该方法通过测井取得剖面上变化的岩石的纵波速度

和横波速度

P

，然后求出岩

S

石泊松比 的纵向变化，利用下式求出最小水平主应力σ，而取得地应力剖面。

h

σ ( P) P 4—1

h 1

1 2 2 2

P S

4—2

图4—1水力压裂测试典型压力曲线2

图4—1水力压裂测试典型压力曲线

P S

式中：σ—上覆层压力，通过密度测井得

v

到。

P—地层压力；

—孔隙弹性系数，通过实验测的。2）测试压裂方法（现场常用）

测试压裂：是将不含砂的压裂液注入地层，

造缝后停泵侧压力降落曲线，待曲线上出现拐点后测试结束，出现拐点时相应的压力即裂缝闭合压力，其大小与岩层中垂直于裂缝面的应力值相等，也即就是地层最小主应力。

如图4—1所示。

上图中，产生人工裂缝后停泵，裂缝停止扩展

处于临界闭合状态，闭合压力为P。

s

结论：可以认为，裂缝临界闭合时，裂缝内的流体压力等于裂缝闭合的最小地应力。由此可以计算出最小地应力。

地应力测量数据

根据国家地震局地质研究所收集整理的渤海湾盆地油田水力压裂地应力测量资料，在测量深度的范围内，对地应力测量数据按深度进行线性回归得到：

2.340.0266D

辽河油田（497～3473m）

大港油田（0～4000m）

华北油田（1500～3200m）

胜利油田（1300～3300m）

中原油田（1830～3881）

H

0.7770.0182D

h

0.021D

V

0.70.023D

H

0.50.018D

h

0.021D

V

10.50.03D

H

5.870.021D

h

0.021D

V

22.580.034D

H

11.650.022D

h

(0.0220.026)D

V

27.10.036D

H

16.60.024D

h

0.0220.026D

V

式中：σ

、σ 、σ—分别为最大、最小、垂向地应力，Mpa，

H h v

D—地层深度，m。

二．岩石力学参数1．弹性模量（杨氏模量）E

弹性模量E就是虎克定律中的比例常数。物理意义：弹性体应力与应变的比值。弹性体单位截面积上的弹性力称为应力，单位长度上的变形成为应变。弹性模量对造缝宽度及压裂压力有较大影响。弹性模量表达式：

(32 4 2)

静态：E ZS

动态：E

S P S D 2 2

式中 σ

Z P S

—轴向应力；

z

ε—轴向应变；

z

ρ—岩石密度；

p，s—岩石纵、横波速度。

进行压裂设计时，砂岩弹性模量的取值范围为1 104～4 104MPa。2．泊松比

泊松比：指岩石横向应变量与纵向应变量的比值，或叫横向变型系数。岩石在外力作用下，纵向上产生伸长的同时，横向上缩小。其横向缩小应变量与纵向相对伸长应变量之比。

泊松比表达式

0.52 2

静态：

s

z

动态：

p s

d 2 2

p s

式中 —周向应变。

岩石的泊松比取值范围为0.15～0.35.

弹性模量E、泊松比都是反映岩石材料弹性特性的参数。3．断裂韧性

模拟裂缝延伸时，引用了线弹性力学中应力强度因子的概念，它反映了裂纹尖端附近区域内各点应力的强弱。当应力强度因子增大到某一临界值时，岩石的裂缝将发生急剧的不稳定扩展。岩石应力强度因子的临界值称为岩石的断裂韧性。它决定了裂缝在延伸过程中所需的力。

断裂韧性是水力压裂设计中一个关键参数，试验求得。常温常压下求得的砂岩断裂韧性值一般在0.5～3.0MP·m1/2范围内。

孔隙弹性系数 （毕奥特系数）

它反映了孔隙压力对岩石变形的影响，也是求水平地应力的