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水力裂缝起裂方式及起裂压力的判别方法

水生压裂是油田高产的一种不可或缺的重要措施之一。影响水力裂缝起裂的主要因素一般有原地应力、孔隙压力、井筒液柱压力、压差下流体的渗滤、地层岩石强度及其他物理力学性质和井壁条件等。裂缝起裂时受到井壁围岩应力集中的影响,会在垂直于局部最小主应力方向破裂,而在井壁应力集中区以外,裂缝受主地应力场控制。水力裂缝在深部地层一般易形成垂直缝,而在浅部地层有可能形成水平裂缝。Daneshy对射孔地层压裂问题进行了室内模拟实验研究,结果表明,地层中套管的存在明显地改变了井眼周围的应力分布,加上射孔孔眼和漏失流体的影响,使得射孔套管井的破裂压力与裸眼井有明显的区别,套管井的破裂压力明显高于裸眼井,并且压力大小与射孔孔数、孔眼排列方式和孔眼方位均有关系。笔者视天然裂缝性井壁地层为连续介质体,根据天然裂缝面的应力状态,分析了直井水力裂缝的起裂压力和方式。1井壁应力系数1p当井内液柱压力增大及井壁岩石所受的周向应力σθ超过岩石的抗拉强度St时,岩石本体起裂形成水力裂缝。起裂的条件为σθ=-St(1)σθ=−St(1)根据文献,直井起裂一般发生在σθ最小处,其计算式为σθ=3σh-σΗ-α1p(r‚t)-pm+Κ1[pm-p(r‚t)](2)Κ1=δ[α1(1-2v)(1-v)-1-ϕ]σθ=3σh−σH−α1p(r‚t)−pm+K1[pm−p(r‚t)](2)K1=δ[α1(1−2v)(1−v)−1−ϕ]式中σH为水平最大应力,MPa;σh为水平最小地应力,MPa;p(r,t)为地层孔隙压力,MPa;pm为井内液柱压力,MPa;当井壁不可渗透时,δ为0,井壁渗透时,δ为1;v为泊松比;α1为有效应力系数;ϕ为孔隙度。将式(2)代入式(1),可得岩石产生拉伸破坏时地层起裂压力pbf为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假设天然裂缝存在主发育带,其走向和倾向基本保持一定。在大地坐标系中,天然裂缝面的走向为北偏东TR度,地层倾角为θDIP,水平最大地应力方位为θH。可利用弱面模型来研究水力裂缝沿天然裂缝剪切破裂问题。弱面破坏准则表达式为σ1-σ3=2(Sw+μwσ3)(1-μwctgβ)sin2β(4)σ1−σ3=2(Sw+μwσ3)(1−μwctgβ)sin2β(4)式中σ1和σ3分别为最大和最小主应力;Sw为弱面粘聚力;μw为弱面的内摩擦系数;β为弱面法向与σ1的夹角。弱面产生滑动的条件是φw＜β＜π2φw＜β＜π2,且σ1-σ3的大小必须满足式(4)的关系,φw为弱面的内摩擦角。对于裂缝性地层,Sw=0,则水力裂缝沿天然裂缝剪切破裂准则为σ1-σ3=2μwσ3(1-μwctgβ)sin2β(5)σ1−σ3=2μwσ3(1−μwctgβ)sin2β(5)一般情况下对于直井,水力裂缝沿天然裂缝剪切破裂发生在井壁地应力σz>σr>σθ的状态,起裂压力可表达为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]弱面法向与最大主地应力σz的夹角β等于弱面地层倾角θDIP。3裂缝+n-1p法设天然裂缝与井壁相交于θ角处,裂缝面上正应力的表达式为σn=σzl21+σθl22+σrl23(7)其中l1=sinθDΙΡl2=-sinθcosθDΙΡcos(ΤR-θΗ)+cosθ⋅cosθDΙΡsin(ΤR-θΗ)l3=cosθcosθDΙΡcos(ΤR-θΗ)+sinθ⋅cosθDΙΡsin(ΤR-θΗ)水力裂缝沿天然裂缝张性破裂的准则为ptf=pm≥σn-α1p(r‚t)(8)4水力裂缝沿天然裂缝起裂断裂法对于天然裂缝性地层,水力裂缝起裂形式可能是以下3种形式中的一种:水力裂缝沿天然裂缝张性起裂;水力裂缝沿天然裂缝剪切破裂;水力裂缝在岩石本体起裂。对于特定的天然裂缝地层,水力裂缝的起裂方式和起裂压力pf的判别方法为pf=min{pbf‚pτf‚ptf}(9)5地层压力、有效应力及ptf的计算结果某油田裂缝性油藏地层的天然裂缝倾角为48°,走向方位为67°。水平最大地应力为48.66MPa,水平最小地应力为34.23MPa,垂向地应力为45.94MPa,地层孔隙压力为24.15MPa,泊松比为0.3,有效应力系数为0.95,孔隙度为0.11,弱面的内摩擦系数为0.23,水平最大地应力方位为78°。pbf的计算结果为82.09MPa,pτf的计算结果为57.28MPa,ptf的计算结果为45.71MPa。计算结果表明,水力裂缝的起裂方式为沿天然裂缝张性起裂,其起裂压力pf为45.71MPa,这就解释了现场水力压裂破裂压力低于48MPa的原因。6裂、裂方式和起裂压力的计算模型建立(1)天然裂缝性地层水力裂缝有3种起裂方式:沿天然裂缝面张性起裂,沿天然裂缝面剪切破裂,从岩石本体起裂。根据天然裂缝产状和地

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