探討油田頁巖水平井壓泵裂裂縫延伸規(guī)律

賴欣 宋銳 楊兆津

摘 要：隨著社會主義經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對石油的需求逐漸增多，因此石油開采逐漸的被廣泛的關(guān)注，而水平井壓裂能提高油田頁巖氣藏的產(chǎn)量，其中裂縫延伸是水平井壓泵裂技術(shù)的重要組成部分，它對低滲透油氣的開發(fā)有著很好的效果，因此，本文就油田頁巖水平井壓泵裂裂縫延伸規(guī)律進行研究，讓水平井壓裂的效果得到進一步的提高，促使油田得到更好的開發(fā)利用。

關(guān)鍵詞：頁巖氣藏;水平井壓裂;裂縫延伸

前言：

頁巖氣儲層和常規(guī)的氣藏相比，頁巖氣藏在射孔后必須要壓裂后才能獲得工業(yè)氣流，在壓裂的過程中，裂縫會隨著壓裂液的注入會同時向不同的方向延伸，目標(biāo)層會在壓力下產(chǎn)生導(dǎo)流能力油氣通道，而裂縫的延伸也會因一些因素而受到抑制，但它會形成一定的規(guī)律，因此，本文就二維模型、擬三維模型以及三維模型對水平井壓裂裂縫的延伸規(guī)律進行研究，促使油田開采出更多資源，進而為人們提供更好的生活條件。

一、裂縫擴展的判斷依據(jù)

可以把裂縫視為理想線彈性體，但實際情況中，在裂縫的最頂端，應(yīng)力會高度的集中，就會產(chǎn)生塑性區(qū)域，塑性區(qū)會讓破裂判斷發(fā)生變化，其表現(xiàn)為雖然凈壓力增加了，可裂縫向前延伸的速度則變得較為緩慢，且脫紗現(xiàn)象嚴(yán)重，這為施工的順利實施產(chǎn)生了不利的影響，塑像越強，則脫紗越快，當(dāng)?shù)貙訋r性不同時，其裂縫的延伸規(guī)律也會有所不同。另外，外部的載荷會影響裂縫頂端的應(yīng)力，當(dāng)外部存在載荷時，裂縫頂端的應(yīng)力就會無限的放大，這種現(xiàn)象叫做應(yīng)力場的奇異性，但要注意的是，裂縫的延神與否，不能用應(yīng)力的大小來判斷，而應(yīng)力強度因子的概念則因此產(chǎn)生。

（一）裂縫應(yīng)力強度因子K

應(yīng)力強度因子理論：Irwin提出了應(yīng)力強度因子這一參量，并建立了應(yīng)力強度理論體系，根據(jù)該理論當(dāng)彈性體受到外部作用時產(chǎn)生裂紋，裂紋的應(yīng)力強度因子超過裂紋時，裂縫就會出現(xiàn)失穩(wěn)擴展現(xiàn)象。根據(jù)Irwin理論，當(dāng)材料產(chǎn)生裂紋時，可將裂縫分為：張開型、錯開型、撕開性三種類型，這三種裂縫類型迭加就可以得到任意的裂紋變形狀態(tài)，這些都被稱之為復(fù)合型裂紋，在Irwin理論中，當(dāng)r發(fā)生變化時，裂縫頂端的應(yīng)力也會發(fā)生變化，r是某點和裂縫頂端的距離，因此張開型裂縫的裂端應(yīng)力可表示為：υij= ? ? ? ? ? ? ? ? fij（θ），其中fij是與裂端坐標(biāo)相關(guān)的函數(shù);r裂縫頂端的距

離，K是張開型裂縫的應(yīng)力強度因子，對于二維裂縫來說，張開型裂縫的應(yīng)力強度因子可表達(dá)為：K=PN ? ? ? ?[ ? ? sin-1（ ? ? ? ）]其中，K為張開型裂縫的應(yīng)力強度因子，PN為裂縫的凈壓力，a為裂縫的濕區(qū)，L為裂縫的長度。在水利壓力過程中，張開型裂縫出現(xiàn)的較為普遍，但在特定區(qū)域中也會出現(xiàn)混合型裂縫。

（二）巖石的斷裂韌性

根據(jù)Irwin中的斷裂理論，當(dāng)破裂載荷在裂縫邊遠(yuǎn)的應(yīng)力強度因子，在裂縫擴展時，會受到周圍巖石的斷裂韌性所控制，要是應(yīng)力強度因子的值大于或者等于周圍巖石的斷裂韌性的時，其裂縫就會產(chǎn)生延伸。斷裂韌性是材料最常見的性質(zhì)常數(shù)，普通的巖石與微裂紋的巖石進行對比，特悶的斷裂韌性會隨著情況的變化而產(chǎn)生變化，就脆性材料來說，微裂紋的巖石的裂紋屏蔽會產(chǎn)生增韌的效果。微裂紋巖石既有優(yōu)點，也有缺點，優(yōu)點是在裂紋擴展時期驅(qū)動力會被減少，缺點是：它的材料會被產(chǎn)生損傷，其性能也會因此產(chǎn)生一定的影響，而斷裂韌性也會相對的減少。

二、水平井壓裂裂縫起裂的數(shù)學(xué)模型

（一）水平井井筒應(yīng)力分布數(shù)學(xué)模型

假設(shè)巖石處于線彈性狀態(tài)，不考慮巖石與壓裂液的物理化學(xué)作用，且水平井井筒滿足應(yīng)力迭加原理，根據(jù)坐標(biāo)交換在（x，y，z）坐標(biāo)系中水平井井筒周圍的正應(yīng)力和剪應(yīng)力的分量為：σxx=σv，σyy=σHsin2β+σhcos2β，σz=σHcos2β+σhsin2β，σyz=（σh-σH）sinβcosβ，τxy=τzx=0

（二）巖石破壞準(zhǔn)則

由于裂縫產(chǎn)生的準(zhǔn)則較多，而張應(yīng)力破壞準(zhǔn)則是運用最廣的一種，該準(zhǔn)則的主應(yīng)力分布對裂縫的起裂角度以及起裂壓力都有著決定性作用，其中σ1，σ2，σ3三個主應(yīng)力，σ3在井壁中的張應(yīng)力為負(fù)值，求出最大拉伸應(yīng)力，并得出裂縫的起裂位置坐標(biāo)θ，并根據(jù)張應(yīng)力的破壞準(zhǔn)則，當(dāng)井壁處在Z-θ平面上的最大拉伸應(yīng)力達(dá)到最大抗拉強度σ1時，巖石破裂，即：θmax（θ0）≥θt.

（三）模型分析及求解

水平井井筒方位在0°到45°之間，其最小水平主應(yīng)力越大，則對應(yīng)的起縫壓力越小，在45°到90°之間，最小水平主應(yīng)力越大，則對應(yīng)的起縫壓力越大，因此，水平井井筒的方位不同，則最少水平主應(yīng)力對起縫壓力的影響也會有所不同，在同一主應(yīng)力，隨著方位的不斷增加，其破裂壓力隨之減小，在水平井筒的方位為0°時，最不容易起裂，在水平井筒的方位為90°時，則最容易起裂。

三、水平井壓裂裂縫延伸規(guī)律

常見的裂縫延伸模型有二維模型、擬三維模型以及三維模型，二維模型只能模擬小型壓裂裂縫延伸，擬三維模型通常適用于平面單層設(shè)計計算，三維模型適用于復(fù)雜的裂縫幾何形態(tài)，能夠準(zhǔn)確的給與注入條件的裂縫幾何形狀，因此，要想發(fā)現(xiàn)裂縫延伸的規(guī)律，就要根據(jù)地層的實際情況，選擇合適的裂縫延伸模型。

（一）水平井壓裂縫延伸模型對比

常用的三種模型中，二維模型的縫長和縫寬都偏大，這是因為二維模型的加深的裂縫高度的常數(shù)是不變的，并采用簡化的濾失模型;擬三維模型的裂縫逢高和縫長的計算都偏大;三維模型與Fracpro-PT軟件計算的結(jié)果具有很好的一致性，在地層復(fù)雜油層較薄的情況下，三維模型能較好的模擬裂縫顏延伸。

（二）產(chǎn)層和隔層對裂縫縫高的影響

由于水平井的地層較為復(fù)雜，導(dǎo)致油層較薄或者產(chǎn)層和隔層的應(yīng)力差變小時，就會致使裂縫在進入隔層外的水層時，其壓裂失敗。另外，隨著蓋層和產(chǎn)層的應(yīng)力差升高，裂縫的高度就會明顯的下降，當(dāng)產(chǎn)層和隔層的應(yīng)力差大于5MPa時，裂縫會被控制在產(chǎn)層內(nèi)，由此可見，產(chǎn)層和隔層之間的應(yīng)力差裂縫的縫高產(chǎn)生了重大的影響，此外，這為人們控制裂縫的縫高提供了強有力的依據(jù)，這為油田產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

結(jié)語：

當(dāng)油田頁巖地層巖性不同時，裂縫的延伸規(guī)律也會發(fā)生變化，塑像越強則脫紗越快。常見的裂縫延伸模型有二維模型、擬三維模型以及三維模型，二維模型只能模擬小型壓裂裂縫延伸，擬三維模型通常適用于平面單層設(shè)計計算，三維模型適用于復(fù)雜的裂縫幾何形態(tài)，在地層復(fù)雜油層較薄時，能很好的模擬出裂縫的延伸情況，而二維模型、擬三維模型對這一裂縫延伸情況模擬均存在一定的誤差。

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