水力压裂力学-1

1、个人简历,2011.8,水力压裂力学,单文文（教授级高级工程师）,水力压裂力学,一、绪论,1 水力压裂是一项永远的增产技术 2 水力压裂过程： 泵注具有一定粘性的压裂液，在井筒附近的储层内形成高压，劈开地层形成裂缝并使之延伸； 继续注入混有支撑剂的携砂液，支撑剂运移到裂缝前端； 施工结束后，压裂液化学破胶，成低粘状态，返排到地面； 地层中留下了一条由支撑剂的高导流能力的裂缝通道。,3,水力压裂过程,亚裂施工现场,一、绪论,3 水力压裂发展：有60多年的发展历史，大致分为三个阶段 20世纪40年代末到60年代中期 水力压裂作为油井增产技术逐步得到发展，研究压裂工艺和改进压裂材料的质量及开发化学剂

2、。 20世纪70年代到80年代末 发展了大型水力压裂技术，开发了压裂酸化设计的各种数学模型，提出了压裂力学的概念，压裂力学分析技术得到了进一步发展，压裂设备的发展。 20世纪90年代至21世纪初 水力压裂方案优化设计，材料研制，实时监测设备，计算机控制得到了进一步完善和发展。,6,一、绪论,4 水力压裂力学是对压裂工程中涉及到的一系列力学行为的描述。 水力压裂力学涉及流体力学（包括渗流力学）、固体力学、断裂力学和热力学。 流体力学描述单相、两相或三相流体在裂缝中的流动（包括在多孔介质中的渗流力学）； 固体力学描述由于流体压力变化引起的岩石变形或开裂； 断裂力学描述水力裂缝端部附近发生的破坏及裂

3、缝延伸； 热力学描述压裂流体与地层间的热交换。,7,一、绪论,5 压裂工程与油藏工程的关系 油藏研究是水力压裂改造能否取得经济效果的重要基础。 主要包括： 储层的构造和建筑格架（储集体的构造条件）； 储层物性的空间分布； 储层内流体分布及其性质。 水力压裂是改造低渗、特低渗油气藏的重要手段 根据储层特点进行有针对性的压裂酸化设计与实施。,8,截至2009年底，中石油累计探明石油地质储量中低渗透储量占40.6%，探明天然气地质储量中低渗透储量占78.3% 近年新增石油储量中73%、新增天然气储量83%为低渗透,年天然气新增探明储量变化情况,年原油新增探明储量变化情况,水力压裂力学,二、岩石力学,

4、1 基本概念 应力：作用在单位面积上的力，当面积无限趋于零时的极限，成为作用在某点的应力，应力单位是N/，简称为Pa（帕）。,11,二、岩石力学, 应变：如果l是两点之间的原长，变形后新的长度为l+l，则应变定义为： 线弹性：对线弹性的材料，应力与应变关系是线性的： E成为弹性模量。,12,二、岩石力学,2 与压裂力学有关的几个力学概念 地应力：地壳或岩石圈中存在的应力，包括由上覆岩体重力引起的应力和构造运动引起的应力两部分。它决定了外力压裂裂缝的基本形态：水平裂缝或垂直裂缝。 地层压力（孔隙压力）：地层岩石孔隙所含流体承受的压力，在油气藏开发过程中孔隙压力是变化的。,13,二、岩石力学, 有

5、效应力：作用在岩石骨架（颗粒）上的力。 地层破裂压力 裂缝闭合压力（闭合应力）：开始张开一条已存在的裂缝所需流体压力。 裂缝延伸压力 瞬时停泵压力 净压力 摩擦力：井筒摩阻，孔眼摩阻，裂缝内摩阻。,14,一般地层岩石含有孔隙，孔隙中含有流体，流体承受的压力称为孔隙压力。（石油工程中称为地层压力） 在油气藏开发过程中，孔隙压力是变化的。,2.地层压力（孔隙压力）,岩石力学性质及其对压裂工程的影响,3.有效应力, ：有效应力，作用在岩石骨架（颗粒）上的力 ：地应力（总应力） Pp :孔隙压力（地层压力）,:孔隙弹性系数，表征孔隙压力对总应力 的反作用程度。,岩石力学性质及其对压裂工程的影响,4.地

6、层破裂压力 使地层产生张性裂缝的压力 如果不考虑液体滤失,如果考虑液体滤失,2：水平最小主应力 1：水平最大主应力 Pp ：地层压力 ：泊松比 T：岩石抗张强度,岩石力学性质及其对压裂工程的影响,5.裂缝闭合压力（闭合应力）： 开始张开一条已存在的裂缝所需流体压力 这压力和岩层中垂直于裂缝面的应力大小相等，方向相反。 这应力就是地应力的最小主应力，常常称之为闭合应力 6.裂缝延伸压力 是指延伸一条存在着裂缝所需要的压力,岩石力学性质及其对压裂工程的影响,7.瞬时停泵压力（ISIP）： 是指水力压裂停泵时刻的压力 8.净压力 是指水力裂缝内流体压力高于闭合压力的部分 即 Pn = Pf- Pc

7、Pn ：净压力，Pf：裂缝内净压力， Pc ：闭合压力 9. 摩擦力 井筒摩阻 ，孔眼摩阻，裂缝内摩阻,岩石力学性质及其对压裂工程的影响,二、岩石力学,3 地应力场：地应力是深度、岩性、孔隙压力、结构以及构造形式的函数，包含了地应力大小与地应力方向。 垂向应力 水平应力 ：岩石密度；：泊松比；p：孔隙压力；：孔隙弹性系数,20,二、岩石力学, 地应力测试技术 a. 长源距声波测井方法 利用长源距声波测井球的纵波速度vp和横波速度vs，然后求得岩石的泊松比： 再求取水平方向地应力 式中：v，垂向地应力，由密度测井确定 po，孔隙压力 ，孔隙弹性系数 b. 测试压裂（小型压裂） c. 实验室岩石差

8、应变分析（与古地磁法结合）,21,式中,二、岩石力学,4 破裂压力及井筒周围应力 直井井筒附近应力,22,如果仅考虑两个主应力方向，即=0， =/2，则,任意方向井的应力集中,二、岩石力学, 破裂压力 当井筒压力升高到有效切向应力等于岩石的抗张强度时，岩石破裂形成裂缝。 破裂方向垂直于最小主应力方向，可由下式计算得到：,23,式中：h，最小主应力； H，最大主应力； p，孔隙压力； To，岩石的抗张强度。,二、岩石力学,5 岩石的力学性质参数 岩石的典型应力应变曲线类型 岩石的力学性质参数： 弹性模量、泊松比、压缩系数、断裂韧性、孔隙弹性系数。 岩石力学性质的测试 实验室、现场测井方法。,24

9、,二、岩石力学性质参数及测试方法,2.应力应变曲线,岩石力学性质及其对压裂工程的影响,岩石力学性质及其对压裂工程的影响,二、岩石力学性质参数及测试方法,3.岩石力学性质参数,二、岩石力学性质参数及测试方法,1.岩石力学性质参数及测试方法 （1）实验室 （2）现场测 井方法,岩石力学性质及其对压裂工程的影响,断裂韧性的测量与预测,岩石断裂韧性是描述裂尖附近的应力场的参数，是应力奇异性的度量。断裂韧性是载荷参数(如缝中压力，原地应力)和岩体参数(如裂缝尺寸)的函数它可以提供裂缝扩展的判据。但是，长期以来，由于测试手段和理论研究的局限，在水力压裂设计中往往只能给出断裂韧性的经验估计。 过建立内压式岩

10、石断裂韧性试验，测量不同围压、不同岩性岩石的断裂韧性，建立了基于声波测井资料的岩石断裂韧性解释模型。,二、岩石力学性质参数及测试方法,岩石力学性质及其对压裂工程的影响,为了保证岩样加工的精度，专门开发了岩石断裂韧性测试岩样加工装置。,二、岩石力学性质参数及测试方法,岩石力学性质及其对压裂工程的影响,建立了利用测井资料预测岩石断裂韧性的理论模型，从而使断裂韧性的预测走向实用化。,岩石力学性质及其对压裂工程的影响,模拟地层条件下，地层岩石断裂韧性与应力变化规律研究，建立了地层断裂韧性与有效应力的线性方程,并考察了其对裂缝形状的影响,二、岩石力学性质参数及测试方法,地层断裂韧性与应力关系研究,岩石力学性质及其对压裂工程的影响,三、岩石力学动、静态参数关系, 实验室准静态测试得到静态的岩石杨氏模量 （Es)与泊松比（s） 实验室超声波测试得到动态的岩石杨氏模量 （E1d)与泊松比（1d） 现场测井通过压缩波（P波）和剪切波（s波） 得到连续状态下的动态杨氏模量（E2d)与泊松 比（2d） 一般情况下 Es E2d E1d,岩石力学性质及其对压裂工程的影响,三、岩石力学动、静态参数关系,静、动态岩石力学参数实验结果,岩石力学性质及其对压裂工