水力裂縫起裂方式及起裂壓力的判別方法

水力裂縫起裂方式及起裂壓力的判別方法

水生壓裂是油田高產(chǎn)的一種不可或缺的重要措施之一。影響水力裂縫起裂的主要因素一般有原地應(yīng)力、孔隙壓力、井筒液柱壓力、壓差下流體的滲濾、地層巖石強(qiáng)度及其他物理力學(xué)性質(zhì)和井壁條件等。裂縫起裂時(shí)受到井壁圍巖應(yīng)力集中的影響,會(huì)在垂直于局部最小主應(yīng)力方向破裂,而在井壁應(yīng)力集中區(qū)以外,裂縫受主地應(yīng)力場(chǎng)控制。水力裂縫在深部地層一般易形成垂直縫,而在淺部地層有可能形成水平裂縫。Daneshy對(duì)射孔地層壓裂問題進(jìn)行了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,地層中套管的存在明顯地改變了井眼周圍的應(yīng)力分布,加上射孔孔眼和漏失流體的影響,使得射孔套管井的破裂壓力與裸眼井有明顯的區(qū)別,套管井的破裂壓力明顯高于裸眼井,并且壓力大小與射孔孔數(shù)、孔眼排列方式和孔眼方位均有關(guān)系。筆者視天然裂縫性井壁地層為連續(xù)介質(zhì)體,根據(jù)天然裂縫面的應(yīng)力狀態(tài),分析了直井水力裂縫的起裂壓力和方式。1井壁應(yīng)力系數(shù)1p當(dāng)井內(nèi)液柱壓力增大及井壁巖石所受的周向應(yīng)力σθ超過巖石的抗拉強(qiáng)度St時(shí),巖石本體起裂形成水力裂縫。起裂的條件為σθ=-St(1)σθ=?St(1)根據(jù)文獻(xiàn),直井起裂一般發(fā)生在σθ最小處,其計(jì)算式為σθ=3σh-σΗ-α1p(r?t)-pm+Κ1[pm-p(r?t)](2)Κ1=δ[α1(1-2v)(1-v)-1-?]σθ=3σh?σH?α1p(r?t)?pm+K1[pm?p(r?t)](2)K1=δ[α1(1?2v)(1?v)?1??]式中σH為水平最大應(yīng)力,MPa;σh為水平最小地應(yīng)力,MPa;p(r,t)為地層孔隙壓力,MPa;pm為井內(nèi)液柱壓力,MPa;當(dāng)井壁不可滲透時(shí),δ為0,井壁滲透時(shí),δ為1;v為泊松比;α1為有效應(yīng)力系數(shù);?為孔隙度。將式(2)代入式(1),可得巖石產(chǎn)生拉伸破壞時(shí)地層起裂壓力pbf為pbf=[3σh-σΗ-Κ1p(r?t)+St](1-Κ1)-1(3)pbf=[3σh?σH?K1p(r?t)+St](1?K1)?1(3)2弱面法向1323假設(shè)天然裂縫存在主發(fā)育帶,其走向和傾向基本保持一定。在大地坐標(biāo)系中,天然裂縫面的走向?yàn)楸逼珫|TR度,地層傾角為θDIP,水平最大地應(yīng)力方位為θH?？衫萌趺婺Ｐ蛠硌芯克α芽p沿天然裂縫剪切破裂問題。弱面破壞準(zhǔn)則表達(dá)式為σ1-σ3=2(Sw+μwσ3)(1-μwctgβ)sin2β(4)σ1?σ3=2(Sw+μwσ3)(1?μwctgβ)sin2β(4)式中σ1和σ3分別為最大和最小主應(yīng)力;Sw為弱面粘聚力;μw為弱面的內(nèi)摩擦系數(shù);β為弱面法向與σ1的夾角。弱面產(chǎn)生滑動(dòng)的條件是φw＜β＜π2φw＜β＜π2,且σ1-σ3的大小必須滿足式(4)的關(guān)系,φw為弱面的內(nèi)摩擦角。對(duì)于裂縫性地層,Sw=0,則水力裂縫沿天然裂縫剪切破裂準(zhǔn)則為σ1-σ3=2μwσ3(1-μwctgβ)sin2β(5)σ1?σ3=2μwσ3(1?μwctgβ)sin2β(5)一般情況下對(duì)于直井,水力裂縫沿天然裂縫剪切破裂發(fā)生在井壁地應(yīng)力σz>σr>σθ的狀態(tài),起裂壓力可表達(dá)為pτf=m2-k2m1-(k1+k1k2)p(r?t)k1k2-k1-k2(6)式中m1=(1-2cos2θ)σΗ+(1+2cos2θ)σhm2=σv-v[2(σΗ-σh)cos2θ]k2=1+2μw/[(1-μwctgβ)sin2β]弱面法向與最大主地應(yīng)力σz的夾角β等于弱面地層傾角θDIP。3裂縫+n-1p法設(shè)天然裂縫與井壁相交于θ角處,裂縫面上正應(yīng)力的表達(dá)式為σn=σzl21+σθl22+σrl23(7)其中l(wèi)1=sinθDΙΡl2=-sinθcosθDΙΡcos(ΤR-θΗ)+cosθ?cosθDΙΡsin(ΤR-θΗ)l3=cosθcosθDΙΡcos(ΤR-θΗ)+sinθ?cosθDΙΡsin(ΤR-θΗ)水力裂縫沿天然裂縫張性破裂的準(zhǔn)則為ptf=pm≥σn-α1p(r?t)(8)4水力裂縫沿天然裂縫起裂斷裂法對(duì)于天然裂縫性地層,水力裂縫起裂形式可能是以下3種形式中的一種:水力裂縫沿天然裂縫張性起裂;水力裂縫沿天然裂縫剪切破裂;水力裂縫在巖石本體起裂。對(duì)于特定的天然裂縫地層,水力裂縫的起裂方式和起裂壓力pf的判別方法為pf=min{pbf?pτf?ptf}(9)5地層壓力、有效應(yīng)力及ptf的計(jì)算結(jié)果某油田裂縫性油藏地層的天然裂縫傾角為48°,走向方位為67°。水平最大地應(yīng)力為48.66MPa,水平最小地應(yīng)力為34.23MPa,垂向地應(yīng)力為45.94MPa,地層孔隙壓力為24.15MPa,泊松比為0.3,有效應(yīng)力系數(shù)為0.95,孔隙度為0.11,弱面的內(nèi)摩擦系數(shù)為0.23,水平最大地應(yīng)力方位為78°。pbf的計(jì)算結(jié)果為82.09MPa,pτf的計(jì)算結(jié)果為57.28MPa,ptf的計(jì)算結(jié)果為45.71MPa。計(jì)算結(jié)果表明,水力裂縫的起裂方式為沿天然裂縫張性起裂,其起裂壓力pf為45.71MPa,這就解釋了現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂破裂壓力低于48MPa的原因。6裂、裂方式和起裂壓力的計(jì)算模型建立(1)天然裂縫性地層水力裂縫有3種起裂方式:沿天然裂縫面張性起裂,沿天然裂縫面剪切破裂,從巖石本體起裂。根據(jù)天然裂縫產(chǎn)狀和地