岩石Π型断裂韧度剖面的预测研究.docx

1、岩石II型断裂韧度剖面的预测研究王宇】，黄琛琛之(1.中国石油集团长城钻探工程有限公司国际钻修分公司，辽宁盘锦124010,2.中国石油天然气集团长庆油田第一采气厂，陕西榆林718500)摘要：水力裂缝的起裂、扩展和转向主要受岩石II型断裂韧度的影响，岩石断裂韧度参数的获取对水力压裂施工设计有重要的影响。然而，直接测量岩石断裂初度具有费用高、可用岩心数量有限、转向时间长等缺点，因此，本文在直切口巴西测盘方法的基础上发展了II型岩石断裂初度新型测量法，并在在测井资料的基础上建立了求取岩石断裂韧度刮面的数学模型，为后续压裂施工设计提供了纵向上连续的准确的岩石断裂物度数据。关键词：水力压裂；II型岩

2、石断裂韧度；直切口巴西圆盘测试法；岩石断裂韧度剖面；石油工程测井中图分类号:TE3211文献标识码：A文章编号:10067981(2013)9013503有效注入时注入注入炯井验表明CO?吞吐可作为地层能量难以通过注水补充井号施工时间厚度最高压力速度A天数的注采不完善油井增油技术手段。(m)(MPa)(t/h)(t)(d)参考文献井12008.10.20-11.265.410.65.8410024井22008.10.09-10.151140161陈凡云.油井CO?吞吐技术.河南石油,2002,井32009.05.14-03.68801216(6):33

3、-25.井42009.05.15-05.169.612.75.33102212于云.CO2单井吞吐增油技术在油田的应3用.钻采工艺，2004,27(1):8990.张国强.小断块单元油藏单井多周期CO2吞吐强化采油研究.大庆石油地质与开发,2006,25(5):85-89.现场试验4口井，井1最高注入压力10.5MPa,平均注入速度5.84t/h,注入量100t,炯井24d；井2最高注入压力7.iMPa,平均注入速度5.61t/h,注入量在油井生产过程中，深部地层的岩样只能通过取芯获取，但由于取芯费用高、完整岩样有限，导致常规方法测筮岩石断裂韧度花费高、耗时长。即使有合适的岩样，考虑到深部岩石

4、受到高温高压的作用，利用常规测量方法(室内水致压裂法、非对称四点弯曲试验法、短梁剪切破坏试验方法、剪切盒试验方法、土体II型断裂实验方法等)也很难模拟真实的地层条件。此外，在多数情况下,一口井内只有部分深成。该泵组自动化程度较高,最大排量可达6.27t/h。二氧化碳罐车容积为20m3,根据二氧化碳的存在状态，选择一20C一23C、L52.lMPa作为液罐内二氧化碳的液相点，储罐的外层有真空层，防止液态CO?气化。2.4.2现场注入工艺流程注入流程:CO?雄车、注入泵组、井口环空的注人流程。2.5现场试验及效果2.5.1现场试验表2试验井实际注采工艺参敷表度可以取芯，导致测最整口井的岩石断裂韧度

5、是不实际的。因此，发展一种切实有效的方法来测量深部地层岩石断裂韧性是非常重要的。本文通过直切口巴西圆盘测试法来求取II型岩石断裂韧度,在分析n型岩石断裂韧度与岩石力学参数关系的基础上，利用测井资料建立了II型岩石断裂韧度剖面预测模型，保证压裂施工能正确预测裂缝的起裂、延伸和转向情况。140、烟井16d；井3注入时最高注入压力13.lMPa,平均注入速度3.68t/h,注入最80t,炯井12d井4注入时最高注入压力12.7MPa,平均注入速度5.33t/h,注入量102t,烟井21d.2.5.2试验效果4口试验井3口有效，有效率75%。初期日增液3.lt,日增油2.3t；目前日增液1.7t,日增

6、油L5t,累计增油370.9t,取得了较好的试验效果。3结论收稿日期,2013-02-22室内实验表明CO?溶解于原油可以显著增加原油体积、降低原油粘度、降低界面张力。现场试1断裂韧度测试Atkinson(1982)C11从圆盘形试样试验中推导出了II型岩石断裂韧度的数学模型：RB.(1)Nu=24(8cos205)a2sin20j其中R为圆盘的半径,mm；B为圆盘的厚度,mm,初始裂纹的长度为2&,mm：Kac为II型岩石断裂韧度，MPa11?气为应力强度因数，无因次;a为无量纲长度切口(a/R);0为实际裂纹与预测裂缝之间的夹角，度()$P为径向载荷，kN。对于一个给定的a,在纯剪切状态下

7、可以计算实际裂纹与初始裂纹之间的角度Kk。可以利用该角度来调整预测裂纹和它的加载方向，进而根据实测的岩样破坏压力数据来计算II型应力强度因子，最终获得II型岩石断裂韧度。首先，将一个直径100mm的岩心切成25mm厚度的圆盘,使岩样侧壁光滑且具有平行的平面。然后在圆盘中心钻一个直径5mm的孔，这样便制造了一个初始预制裂纹，其长度与样品直径比约为0.3。在一定的围压下，往初始裂缝中注入工作液体,将初始裂缝与液压机工作液加载方向调整至预先设定的角度，继续加载直至岩石破裂，并记录岩石破裂压力，降压、取出岩芯，进行下一轮实验。利用砂泥浆冲击岩样的端平面，防油的涂料会分布在裂缝的表面和周围，可有效地防止

8、工作液进入岩样(尤其是初始预制裂纹)中(如图1)。图1巴西圆盘法岩样(岩样的角度为30。根据岩样的破裂压力和初始形状和大小，利用巴西圆盘法测试不同围压和抗张强度下的n型岩石断裂韧度，如图2所示,再利用最小二乘法拟合实验数据，得到深部岩石的II型岩石断裂韧度和围压(P“MPa)之间的关系为Kuc=0.045R+0.6095,断裂韧度与岩石抗张强度(S“MPa)之间的关系=0.1744S.-0.2381礼2利用测井数据求取断裂韧度剖面通过回归法得到II型岩石断裂韧度与围压、抗张强度之间的关系为：Knc=0.0956Pc+0.1383S-0.0820(2)通常岩石的抗张强度与单轴抗压强度有如下的关系

9、私St=-(3)Deer和Miller(1996)口，“建立了关于单轴抗压强度(Ge,MPa).动态弹性模量(Ed)和泥质含S(Vel,m，)的关系式=(0.0045+0.0035VQEd，若假设岩石为无界的线弹性体，则可通过纵波和横波速度来求取动态弹性模量(Ed,MPa)和动态泊松比：Ed=pVJ(3Vf-4VJ)/(Vf-2VD|Pd=(VH2V2)/2(V?-VJ)其中，四为动态泊松比，无因次；V为纵波速度,km/s；V.为横波速度,km/s?p为密度,g/cm因此，抗张强度可以表示为：&=竺045Ed(lD+2008VwK=2.26)(8)围压2.0(5)y-OO45x0.6095R=

10、0.99220.51020ffflHi/MPab)抗张强度图2II型岩石断裂锁度与围压及抗张强度的关系而围压可由下式计算：Pc=saPp(6)式中,a为有效应力系数;为孔隙压力,MPa；%为最小水平应力,MPa,计算公式为：(7)ChenM,JinYan,HuangRZ.Determinationofrockfracturetoughnesswithhydraulicfracturingmethod.ChinJRockMeehEng,1997,16(1)：5964.4 于骄中，岩石和混凝土断裂力学M.长沙：中南工业大学出版社，1991.5 JinYChenM,ZhangXD.Determina

11、tionoffracturetoughnessfordeepwellrockwithgeophysicalloggingdataJ.ChinJRockMeehEng,2003,20(4):454456.6 吴礼周.用人字形切槽巴西圆盘确定岩石断裂韧度及其尺度律J.岩石力学与石油工程学报，2004,23(3):383390.StudyonfracturetoughnessprofilepredictionofrockmodeTIWANGYu1,HUANGChen-chen1(1.InternationaldrillingBranchofCNPCGreatwallDrillingCompany,L

12、iaoningPanjin124010?2.TheFirstGasPlantofChangqingOilFieldofCNPCShaanxiYulin718500)Abstract:ThecrackinitiationandexcendofHydraulicfracturearemostlyinfluencedbyfracturetoughnessofrockmodeII.Rockfracturetoughnessparametersisofgreatsignificancefordesignofhydraulicfracturing.Butthedirectmeasurementmethod

13、ofrockfracturetoughnessisexpensive,availabletoalimitednumberofcoresandrequirestoomuchtime.Therefore,StraightBraziliandiscmethodinthisarticleisdevelopedtomeasuretherockmodelIIfracturetoughness.Themathematicalmodelofrockfracturetoughnessprofilesareestablishedonthebasisofloggingdata.Thusprovidingcontinuousandaccuratefractur