水平井压裂裂缝起裂及延伸规律研究

1、1 水平井压裂裂缝起裂水平井压裂裂缝起裂 及延伸规律研究及延伸规律研究 单位：中国石油大学（华东）单位：中国石油大学（华东） 曲占庆曲占庆 温庆志温庆志 齐齐 宁宁 单位：胜利油田采油工艺研究院单位：胜利油田采油工艺研究院 张张 波波 2008.92008.9 2 3 汇报提纲汇报提纲 前前 言言 水平井压裂裂缝起裂规律水平井压裂裂缝起裂规律 水平井压裂裂缝延伸规律水平井压裂裂缝延伸规律 结论与认识结论与认识 4 1.前前 言言 水平井作为一门先进的技术，在国内外得到了越来越广水平井作为一门先进的技术，在国内外得到了越来越广 泛的应用，由于水平井轨迹不同，钻遇地层复杂，水平井泛的应用，由于水平

2、井轨迹不同，钻遇地层复杂，水平井 应力分布、裂缝起裂、裂缝延伸规律、裂缝内的温度场、应力分布、裂缝起裂、裂缝延伸规律、裂缝内的温度场、 产能预测方法、压裂设计与直井有很大不同。产能预测方法、压裂设计与直井有很大不同。 对水平井水力压裂的理论研究还不够深入，没有一套成对水平井水力压裂的理论研究还不够深入，没有一套成 熟的理论来指导水平井的压裂优化设计和现场施工，使得熟的理论来指导水平井的压裂优化设计和现场施工，使得 水平井水力压裂成功率不高而且风险也比较大。水平井水力压裂成功率不高而且风险也比较大。 5 在不同的地应力状态和井筒方位下，水平井压裂形在不同的地应力状态和井筒方位下，水平井压裂形 成

3、的裂缝形态也不同。成的裂缝形态也不同。 水水 平平 井井 压压 裂裂 的的 裂裂 缝缝 纵向裂缝纵向裂缝 横向裂缝横向裂缝 转向裂缝转向裂缝 扭曲裂缝扭曲裂缝 1.前前 言言 6 (1) (1) 横向裂缝横向裂缝 横向裂缝是沿着垂直于井筒的方向起裂的裂缝，它一般产生在水平井井横向裂缝是沿着垂直于井筒的方向起裂的裂缝，它一般产生在水平井井 筒水平段平行于最小主应力方向的水平井。筒水平段平行于最小主应力方向的水平井。 横向裂缝可以改善低渗透油层横向裂缝可以改善低渗透油层 渗流状况，有利于增加油层泄油面积。多条横向裂缝能大大提高采油速度，渗流状况，有利于增加油层泄油面积。多条横向裂缝能大大提高采油速

4、度， 并有利于提高采收率。其主要缺点是流体将聚集在裂缝中以向心流流入井底，并有利于提高采收率。其主要缺点是流体将聚集在裂缝中以向心流流入井底， 这将导致裂缝中流动压降的增加。这将导致裂缝中流动压降的增加。 1.前前 言言 7 (2) (2) 纵向裂缝纵向裂缝 纵向裂缝是沿着水平井井筒起裂的，形成纵向裂缝时井筒方向应该与纵向裂缝是沿着水平井井筒起裂的，形成纵向裂缝时井筒方向应该与 最大水平主应力的方向一致。纵向裂缝有时可以把油层泄油面积向油层的最大水平主应力的方向一致。纵向裂缝有时可以把油层泄油面积向油层的 上下边界扩展，在某些情况下纵向裂缝还可以解除深度井筒伤害，改善油上下边界扩展，在某些情况

5、下纵向裂缝还可以解除深度井筒伤害，改善油 层的各向异性，降低井筒周围汇流的影响。层的各向异性，降低井筒周围汇流的影响。 1.前前 言言 8 (3) (3) 转向裂缝转向裂缝 1.前前 言言 9 转向裂缝又叫转向裂缝又叫SS型裂缝，一般是裂缝从井筒起裂后在型裂缝，一般是裂缝从井筒起裂后在 近井筒位置延伸一段距离，再转向另一个平面的方向延伸。如近井筒位置延伸一段距离，再转向另一个平面的方向延伸。如 图所示，在图中所示的应力分布状态下，该裂缝在起裂时是沿图所示，在图中所示的应力分布状态下，该裂缝在起裂时是沿 着水平方向延伸，而在沿着水平方向延伸一段距离后，裂缝发着水平方向延伸，而在沿着水平方向延伸一

6、段距离后，裂缝发 生转向，转向垂直于最小主应力的方向延伸，所以导致了转向生转向，转向垂直于最小主应力的方向延伸，所以导致了转向 裂缝的形成。许多因素都可以引起裂缝转向，最主要的因素是裂缝的形成。许多因素都可以引起裂缝转向，最主要的因素是 在裂缝起裂时的近井筒应力分布状况以及射孔状况。裂缝转向在裂缝起裂时的近井筒应力分布状况以及射孔状况。裂缝转向 会引起更大的施工泵压，严重情况下可能会引起砂桥和过早的会引起更大的施工泵压，严重情况下可能会引起砂桥和过早的 近井筒出砂。近井筒出砂。 1.前前 言言 10 (4) (4) 扭曲裂缝扭曲裂缝 1.前前 言言 11 扭曲型裂缝与转向裂缝类似，但扭曲裂缝的

7、上半缝和下扭曲型裂缝与转向裂缝类似，但扭曲裂缝的上半缝和下 半缝是向着两个不同的平面发生转动，而转向裂缝的上半缝半缝是向着两个不同的平面发生转动，而转向裂缝的上半缝 和下半缝是向着两个平行的平面发生转动。在图和下半缝是向着两个平行的平面发生转动。在图2-42-4所示的应所示的应 力状态下，水平井井筒方向垂直于最大水平主应力方向，起力状态下，水平井井筒方向垂直于最大水平主应力方向，起 裂的纵向裂缝从井筒延伸出来在远井筒地应力状态下会转向裂的纵向裂缝从井筒延伸出来在远井筒地应力状态下会转向 于横向裂缝的方向。这样就会导致裂缝在离开井筒附近后的于横向裂缝的方向。这样就会导致裂缝在离开井筒附近后的 扭

8、曲。如同转向裂缝一样，扭曲型裂缝也会造成裂缝在近井扭曲。如同转向裂缝一样，扭曲型裂缝也会造成裂缝在近井 筒附近的快速收聚。而且其收聚的程度比转向裂缝更大，所筒附近的快速收聚。而且其收聚的程度比转向裂缝更大，所 造成的产量和压裂施工上的负面影响也较大。造成的产量和压裂施工上的负面影响也较大。 1.前前 言言 12 汇报提纲汇报提纲 前前 言言 水平井压裂裂缝起裂规律水平井压裂裂缝起裂规律 水平井压裂裂缝延伸规律水平井压裂裂缝延伸规律 结论与认识结论与认识 13 p建立水平井井筒应力分布模型；建立水平井井筒应力分布模型； p进行了进行了裸眼完井裸眼完井水平井裂缝起裂压力计算，并构建了水平井裂缝起裂

9、压力计算，并构建了 裂缝起裂方位预测模型；裂缝起裂方位预测模型； p进行了进行了射孔完井射孔完井水平井裂缝起裂压力计算，并构建了水平井裂缝起裂压力计算，并构建了 裂缝起裂方位预测模型；裂缝起裂方位预测模型； p分析了裂缝起裂压力的影响因素。分析了裂缝起裂压力的影响因素。 水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 14 水平井压裂中裂缝的起裂压力和起裂方位因素：水平井压裂中裂缝的起裂压力和起裂方位因素： （1 1）水平段井筒的方位；）水平段井筒的方位； （2 2）岩石性质、井筒周围应力分布；）岩石性质、井筒周围应力分布； （3

10、 3）施工作业条件、井筒结构、射孔条件。）施工作业条件、井筒结构、射孔条件。 计算裂缝起裂压力、预测起裂方位角通常有两个步骤：计算裂缝起裂压力、预测起裂方位角通常有两个步骤： （1 1）计算水平井井筒周围的应力分布；）计算水平井井筒周围的应力分布； （2 2）根据岩石破裂准则，当井筒应力大于岩石强度，裂）根据岩石破裂准则，当井筒应力大于岩石强度，裂 缝起裂。缝起裂。 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 15 2.1 2.1 水平井井筒周围的应力分布水平井井筒周围的应力分布 基本假设： 水平井井筒的应力分布状态受井筒周围岩石介质和水平井井筒的应力分布状态受井筒周围岩石介质和

11、 施工力学环境的影响。为了便于分析井筒周围应力分施工力学环境的影响。为了便于分析井筒周围应力分 布状况，做如下假设：布状况，做如下假设： （1 1）岩石为均质各向同性多孔弹性介质；）岩石为均质各向同性多孔弹性介质； （2 2）岩石处于线弹性状态；）岩石处于线弹性状态； （3 3）不考虑岩石与压裂液的物理化学作用。）不考虑岩石与压裂液的物理化学作用。 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 16 水平井井筒应力分布模型的建立要考虑诸多因素：水平井井筒应力分布模型的建立要考虑诸多因素： （1 1）水平井井筒周围的岩石受井筒内压引起的应力）水平井井筒周围的岩石受井筒内压引起的应力

12、（2 2）岩石原地应力）岩石原地应力 （3 3）压裂液渗流效应引起的应力变化）压裂液渗流效应引起的应力变化 （4 4）射孔对井筒应力分布的影响）射孔对井筒应力分布的影响 （5 5）分隔器对水平井井筒轴向应力也有一定的影响）分隔器对水平井井筒轴向应力也有一定的影响 根据假设条件，以上在水平井井筒处产生的应力满足迭加原理，水平根据假设条件，以上在水平井井筒处产生的应力满足迭加原理，水平 井井筒处的总应力分布可以通过各个因素产生的应力迭加得到，井井筒处的总应力分布可以通过各个因素产生的应力迭加得到，( (在所在所 有的受力分析中，将压应力取正，拉应力取负有的受力分析中，将压应力取正，拉应力取负) )

13、。 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 17 2.1.1 2.1.1 裸眼完井裸眼完井水平井井筒周围应力分布水平井井筒周围应力分布 水平井井筒原地应力分布水平井井筒原地应力分布 + + 井筒内压引起的应力井筒内压引起的应力 + + 压裂液渗滤效应引起的附加应力压裂液渗滤效应引起的附加应力 () 12 ()2()cos2 1 12 2cos2 1 0 2cos 0 rwwp wxxyyxxyywp zwzzxxyywp r zyz rz PPp PPp cPPp 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 18 2.1.2 2.1.2 射孔完井射孔完井水平井井

14、筒周围应力分布水平井井筒周围应力分布 假设条件：假设条件： (1) (1) 岩石均质各向同性；岩石均质各向同性； (2) (2) 岩石为处于线弹性状态的多孔介质；岩石为处于线弹性状态的多孔介质； (3) (3) 不考虑岩石与压裂液的物理化学作用而引起的力学性质的变化；不考虑岩石与压裂液的物理化学作用而引起的力学性质的变化； (4) (4) 孔眼与井壁垂直相交，井筒和孔眼间的连通性良好，作用在井壁和孔眼与井壁垂直相交，井筒和孔眼间的连通性良好，作用在井壁和 孔壁处的流体压力相等。孔壁处的流体压力相等。 射孔井筒几何模型和应力重分布图射孔井筒几何模型和应力重分布图 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水

15、平井压裂裂缝起裂规律研究 19 0 cos2 0 1 21 2cos2 ) 2cos1 ( 1 21 2 2sin4 ) 2cos21 (2cos)(2 2cos)(2)() 2cos1 (2 )( w rz yzz r pw yyxxzzwz pz yyxx zyyxxzyyxxw pwwr pP cP pp P pPP 在坐标系下射孔完井水平井井筒应力与裸眼完井水平井应力一在坐标系下射孔完井水平井井筒应力与裸眼完井水平井应力一 致，根据迭加原理，将井筒内压、地应力和压裂液渗流效应引起的致，根据迭加原理，将井筒内压、地应力和压裂液渗流效应引起的 应力迭加，便可得到水平井射孔完井时井筒壁处的应

16、力场分布：应力迭加，便可得到水平井射孔完井时井筒壁处的应力场分布： 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 20 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2 2.2 起裂压力和起裂角的计算起裂压力和起裂角的计算 裂缝起裂压力裂缝起裂压力: :井壁发生破裂时的井筒内压力井壁发生破裂时的井筒内压力; ; 裂缝起裂角裂缝起裂角: :裂缝面与井眼轴线之间的夹角裂缝面与井眼轴线之间的夹角 ( (规定从裂缝面沿顺时针方规定从裂缝面沿顺时针方 向转向井轴时为正向转向井轴时为正) )，如图所示。，如图所示。 21 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究

17、 2.2.1 2.2.1 裸眼完井起裂压力和起裂角的计算裸眼完井起裂压力和起裂角的计算 井筒壁处岩石的三个主应力分别为压力：井筒壁处岩石的三个主应力分别为压力： 22 3 22 2 r1 4)()( 2 1 4)()( 2 1 zzz zzz 根据张性破裂准则，上述的三个应力中只要任意一个主应力超过岩石根据张性破裂准则，上述的三个应力中只要任意一个主应力超过岩石 抗张强度时，裂缝就会在井筒壁处起裂。抗张强度时，裂缝就会在井筒壁处起裂。 22 max3 4)()( 2 1 )( zzz 22 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 为了求出最大拉伸应力，对式为了求出最大拉伸应力

18、，对式上式求导，得：上式求导，得： 0 )( max d d 满足该式的角度满足该式的角度 0 0即为裸眼完井时裂缝的起裂方位角即为裸眼完井时裂缝的起裂方位角 2.2.1 2.2.1 裸眼完井起裂压力和起裂角的计算裸眼完井起裂压力和起裂角的计算 23 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 射孔完井条件下水平井井筒三个主应力为：射孔完井条件下水平井井筒三个主应力为： 2.2.2 2.2.2 射孔完井起裂压力和起裂角的计算射孔完井起裂压力和起裂角的计算 22 3 22 2 r1 4)()( 2 1 4)()( 2 1 zzz zzz 24 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压

19、裂裂缝起裂规律研究 2.2.2 2.2.2 射孔完井起裂压力和起裂角的计算射孔完井起裂压力和起裂角的计算 22 max3 4)()( 2 1 ) ( zzz 0 )( max d d )( 0maxt 由弹性力学理论，其最大拉伸应力的表达式为：由弹性力学理论，其最大拉伸应力的表达式为： 对上式求导，确定出裂缝的起裂方位：对上式求导，确定出裂缝的起裂方位： 根据裂缝起裂准则，当井壁处最大拉伸应力达到岩石的抗拉强度根据裂缝起裂准则，当井壁处最大拉伸应力达到岩石的抗拉强度t t 时，岩石破裂：时，岩石破裂： 25 2.3 裂缝起裂压力的影响因素分析裂缝起裂压力的影响因素分析 （1）最小水平主应力对起

20、裂压力的影响分析）最小水平主应力对起裂压力的影响分析 vHh a. 正断层 正断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系正断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 26 b. 平移断层 Hvh v/H =0.9 20 30 40 50 60 0153045607590 水平井井筒方位角（度） 裂缝起裂压力（MPa） h=40 h=35 h=30 h=25 h=20 平移断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系平移断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 27 c.逆断层 Hhv 逆断层应力

21、状态下最小主应力与破裂压力关系逆断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 28 （2 2）垂向应力对起裂压力的影响分析）垂向应力对起裂压力的影响分析 a.正断层 正断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系正断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 29 b.平移断层 平移断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系平移断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 30 c.逆断层 逆断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系逆断层应力状态下垂向应力与破裂

22、压力关系 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 31 （3 3）射孔对起裂压力的影响分析）射孔对起裂压力的影响分析 射孔参数会对压裂作业产生影响，选择合适的射孔参数可以降射孔参数会对压裂作业产生影响，选择合适的射孔参数可以降 低地层破裂压力、降低裂缝的扭曲程度。低地层破裂压力、降低裂缝的扭曲程度。 射孔对起裂压力的影响射孔对起裂压力的影响 2.水平井压裂裂缝起裂规律研究水平井压裂裂缝起裂规律研究 32 汇报提纲汇报提纲 前前 言言 水平井压裂裂缝起裂规律水平井压裂裂缝起裂规律 水平井压裂裂缝延伸规律水平井压裂裂缝延伸规律 结论与认识结论与认识 33 3.1 裂缝延伸数学模型

23、裂缝延伸数学模型 3.水平井压裂裂缝延伸规律研究水平井压裂裂缝延伸规律研究 3.1.13.1.1水力裂缝应力强度因子计算水力裂缝应力强度因子计算 在水力压裂中在水力压裂中I I型裂纹是最常见的型裂纹是最常见的 34 3.1 裂缝延伸数学模型裂缝延伸数学模型 3.水平井压裂裂缝延伸规律研究水平井压裂裂缝延伸规律研究 对于二维裂缝来说，对于二维裂缝来说，I I型张开型的裂缝应力强度因子以下式型张开型的裂缝应力强度因子以下式 表达：表达： 2 arcsin() IN a KpL L 裂缝扩展准则裂缝扩展准则: : IIc KK 内压内压( (或通常所说的破裂载荷或通常所说的破裂载荷) )在裂缝边缘某

24、一点上诱发应在裂缝边缘某一点上诱发应 力强度因子，当它大于岩石的断裂韧性时，裂缝将向前扩展。力强度因子，当它大于岩石的断裂韧性时，裂缝将向前扩展。 35 裂缝延伸模型裂缝延伸模型 二维模型（二维模型（2D） 拟三维模型（拟三维模型（P3D） 三维模型（三维模型（3D） 1.1.设缝高为常数设缝高为常数 ； 2.2.忽略压裂液在缝横截面方向的流动，忽略压裂液在缝横截面方向的流动， 压裂液沿缝长方向一维流动压裂液沿缝长方向一维流动 ； 3.3.裂缝延缝长和缝宽方向二维破裂裂缝延缝长和缝宽方向二维破裂. . 1.1.缝长大于缝高的延伸缝长大于缝高的延伸 2.2.缝中流体简化成二维或一维流动缝中流体简

25、化成二维或一维流动 3.3.只适合于单层的压裂设计计算只适合于单层的压裂设计计算 1.1.缝内压裂液在平行于裂缝壁面的方缝内压裂液在平行于裂缝壁面的方 向作二维矢量流动向作二维矢量流动 2.2.考虑了压裂液向地层的滤失考虑了压裂液向地层的滤失 3.3.适用于各种地层条件适用于各种地层条件 4.4.计算比较复杂，费时。计算比较复杂，费时。 3.水平井压裂裂缝延伸规律研究水平井压裂裂缝延伸规律研究 3.1 裂缝延伸数学模型裂缝延伸数学模型 36 改进的拟三维模型改进的拟三维模型 u拟三维裂缝延伸模型中压裂液的流动被假设为沿缝长方向的一维拟三维裂缝延伸模型中压裂液的流动被假设为沿缝长方向的一维 流动

26、，由于未考虑压裂液在缝高方向流动所引起的压降，模型就会流动，由于未考虑压裂液在缝高方向流动所引起的压降，模型就会 过高地估计裂缝的延伸高度；过高地估计裂缝的延伸高度； uMolalesMolales等人将压裂液沿缝高方向的流动考虑进缝高计算中。全等人将压裂液沿缝高方向的流动考虑进缝高计算中。全 面考虑了缝高压降梯度、流体重力、地应力梯度、地应力差等因素面考虑了缝高压降梯度、流体重力、地应力梯度、地应力差等因素 对裂缝延伸的综合影响，建立了一套新的裂缝拟三维延伸模型。对裂缝延伸的综合影响，建立了一套新的裂缝拟三维延伸模型。 3.水平井压裂裂缝延伸规律研究水平井压裂裂缝延伸规律研究 37 改进的拟

27、三维模型改进的拟三维模型 模型的建立基于以下假设：模型的建立基于以下假设： 裂缝两翼以井筒为轴对称分布；裂缝两翼以井筒为轴对称分布；盖层、产层、底层为均质连续盖层、产层、底层为均质连续 弹性体；弹性体；裂缝尖端处至少等于产层厚度。裂缝尖端处至少等于产层厚度。 13 2 () ff KPR 22 13 2 () ffw f KPRr R 三维延伸模型中三维延伸模型中井筒位于裂缝的中心时：井筒位于裂缝的中心时： (1(1） 应力强度因子计算应力强度因子计算 三维裂缝在无限大地层中的延伸模型，其应力强度因子计三维裂缝在无限大地层中的延伸模型，其应力强度因子计 算如下式算如下式: : 3.水平井压裂裂

28、缝延伸规律研究水平井压裂裂缝延伸规律研究 38 (2)(2)裂缝内流体的连续性方程裂缝内流体的连续性方程: : t txA xt txtxhtxh x txq lu ),( )( ),(C),(),(2),( (3)(3)裂缝内流体流动压降方程裂缝内流体流动压降方程: : 12 )0 ,( 1 )()( )() 12( 2 )0 ,( n n xwxHnn xqn k x xp （4 4）裂缝宽度方程）裂缝宽度方程: : 2 222222220 0 8(1)( )( ) W( , , ) HH HH vdf zzdzg z x z tdzdz E zzzz 3.水平井压裂裂缝延伸规律研究水平井

29、压裂裂缝延伸规律研究 39 (5)(5)裂缝高度方程：裂缝高度方程： 2 () 2()2 () ()/2 ab ICICvud fpsudud ud KKg hh Pg hhSS hh 2222 arcsin()arcsin() uuddud udud Sh hhSh hh hhhh 4 ()() ()()/2 ab ICICu ud ud ud KKS hh hh hhhh ()() 4 ()() ()2 spud d ud ud gghh S hh hh hh 3.水平井压裂裂缝延伸规律研究水平井压裂裂缝延伸规律研究 40 名名 称称改进的拟三维模型改进的拟三维模型二维二维(PKN)(PK

30、N)模型模型Fracpro_PTFracpro_PT计算计算 动态裂缝半长动态裂缝半长(m)(m)102102324.3324.39696 动态裂缝上缝高动态裂缝上缝高(m)(m)28.9128.91202035.7335.73 动态裂缝下缝高动态裂缝下缝高(m)(m)26.6326.63202039.1639.16 最大缝宽最大缝宽(mm)(mm)0.5650.5651.351.350.9310.931 平均缝宽平均缝宽(mm)(mm)0.3660.3661.2091.2090.5170.517 动态裂缝总高度动态裂缝总高度(m)(m)55.5455.54404074.9974.99 裂缝体积裂缝体积(m(m3 3) )31.9231.92156.8156.849.7649.76 计算结果比较计算结果比较 3.