水力压裂造缝机理

2．地应⼒场确定

地应⼒场确定包括地应⼒⼤⼩和⽅向。主要⼿段主要有：1) ⽔⼒压裂法

微型压裂(mini-frac)压⼒曲线计算应⼒场。2)实验室分析⽅法

应⽤定向取⼼技术保证取出岩⼼样品的主应⼒⽅位与其在地层中主应⼒⽅位⼀致。岩⼼从地下三向压应⼒状态改变到地⾯⾃由应⼒状态，根据岩⼼各⽅向的变形确定主应⼒⽅位和数值。(1) 滞弹性应变恢复（ASR）

基于岩⼼与其承压岩体发⽣机械分离后所产⽣的应⼒松弛，按各个⽅向测量应变并确定主应变轴。并假定主⽅向与原位应⼒主轴相同，按已知的弹性常数和上覆岩层载荷情况间接计算应⼒值。(2) 微差应变分析（DSCA）

从井底取出的岩⼼由于应⼒释放和应变恢复会发⽣膨胀，产⽣或重新张开微裂缝。基于应变松弛作为“应⼒史”痕迹的思想，应变松弛形成的微裂缝密度和分布与岩⼼已经出现的应⼒下降成正⽐。通过描述微裂隙分布椭球，即可揭⽰以前的应⼒状态。根据和这些微裂缝相关的应变推断主应⼒⽅向，并从应变发⽣的最⼤⽅向估算出最⼩主应⼒值。3) 测井解释⽅法

利⽤测井（主要是密度测井、⾃然伽玛测井、井径测井和声波时差测井以及中⼦测井、⾃然电位测井等）资料，⾸先基于纵横波速度与岩⽯弹性参数之间的关系解释岩⽯⼒学参数，再结合地应⼒计算模式获得连续的地应⼒剖⾯。4) 有限元模拟

根据若⼲个测点地应⼒资料，借助于有限元数值分析⽅法，通过反演得到构造应⼒场。强烈取决于根据研究⼯区所建⽴的地质模型、数学⼒学模型和边界条件。

此外，测定地应⼒⽅向的常⽤⽅法还有声波测定、井壁崩落法、地⾯电位法、井下微地震法和⽔动⼒学试井等⽅法。3．⼈⼯裂缝⽅位

在天然裂缝不发育的地层，压裂裂缝形态取决于其三向应⼒状态。根据最⼩主应⼒原理，⽔⼒压裂裂缝总是产⽣于强度最弱、阻⼒最⼩的⽅向，即岩⽯破裂⾯垂直于最⼩主应⼒⽅向。当s z最⼩时，形成⽔平裂缝（horizontal fracture）；当s y最⼩时，形成垂直裂缝(vertical fracture)。

对于显裂缝地层很难出现⼈⼯裂缝。⽽微裂缝地层可能出现多种情况，⼈⼯裂缝⾯可以垂直于最⼩主应⼒⽅向；也可能基本上沿微裂缝的⽅向发展，把微裂缝串成显裂缝。⼆、破裂压⼒

地层岩⽯破裂前，井壁最终应⼒场为钻孔应⼒集中、向井筒注液产⽣的应⼒、注⼊压裂液径向滤失诱发应⼒的迭加。基于最终应⼒分布结合岩⽯破裂准则确定破裂压⼒计算公式。1．井壁最终应⼒分布1）井筒应⼒分布

对于裸眼井，记井眼半径为r w。钻井完成后地层中应⼒分布可视为⽆限⼤均质各向同性岩⽯平板中有⼀圆形孔眼时的应⼒状态，。记压应⼒为正、张应⼒为负，根据弹性⼒学理论计算图中任意点(r ,q) 处的应⼒分布。

离井壁越远，周向压应⼒迅速降低，径向压应⼒逐渐增加；⽽且⼤约⼏个井径之后，周向压应⼒降为原地应⼒，径向应⼒增加到原地应⼒。

实际上，由于岩⽯的抗压强度⽐抗张强度⼤得多，⽽且钻井孔眼引起的应⼒集中使得井壁处应⼒⼤于原地应⼒，因此，⽔⼒压裂造缝时主要关⼼的应是井壁处的周向应⼒s q。通常记s x>s y，则

当q=0°或180°，井壁处周向应⼒最⼩。s qmin = 3s y-s x当q=90°或270°，井壁处周向应⼒最⼤。s qmax = 3s x-s y

对于套管完成井，考虑到⽔泥环与岩⽯的⼒学性质⽐钢材与岩⽯的⼒学性质差别⼩得多，可按双层厚壁圆筒的弹性⼒学理论计算井筒周围的应⼒状态。2）向井筒注液产⽣的应⼒分布

为了在井壁的薄弱处⼈为诱发裂缝，需要向井筒注⼊⾼压液体使井底压⼒迅速提⾼。将裸眼井筒周围岩⽯系统视作具有⽆限壁厚、且承受内外压⼒的厚壁圆筒，按弹性⼒学理论计算其应⼒分布

注⼊压裂液在井壁周围各个⽅向上所产⽣的应⼒均为张应⼒，因此，向井筒注液有利于撕开地层。同时，注液产⽣的应⼒沿井轴半径逐渐衰减，在井壁处产⽣的张应⼒近似为注液压⼒，离井轴越远，应⼒越⼩。3）注⼊液径向渗⼊地层引起的应⼒注⼊液径向渗⼊近井筒地带产⽣另外⼀个应⼒区，增⼤了井壁周围岩⽯应⼒。4）井壁最终应⼒分布

地层岩⽯破裂之前井壁周围应⼒为上述⼏种应⼒迭加，总存在两个⽅向（如果s x > s y，在q=0°，180°⽅向）受到的周向应⼒最⼩

可见，离开井壁较远处，周向应⼒仍为压应⼒，但在井壁附近为张应⼒，因⽽，⽔⼒压裂能够形成⼈⼯裂缝。2. ⽔⼒压裂造缝条件

岩⽯破坏准则是衡量有效主应⼒间的极限关系。超过该极限值，就出现不稳定或破坏。岩⽯破裂准则很多。⽔⼒压裂中常⽤最⼤张应⼒准则，认为施加于裂缝壁⾯的总有效应⼒⼀旦达到物体的抗张强度s t地层就会破坏。

令孔隙弹性常数为1，分别研究裸眼井⽔⼒压裂中垂直裂缝和⽔平裂缝形态相应的造缝条件。地层破裂极限条件下的注⼊压⼒即为地层破裂压⼒(fracture pressure)。1) 形成垂直裂缝

如果注⼊压裂液滤失到地层，井壁上有效周向应⼒为周向应⼒与注液压⼒p i之差，即

由最⼤张应⼒准则，当井壁岩⽯的周向应⼒达到井壁岩⽯⽔平⽅向的最⼩抗张强度时，岩⽯将在垂直于张应⼒⽅向脆性断裂⽽形成垂直裂缝。2）形成⽔平裂缝

当注⼊压裂液向地层滤失，将增⼤垂向应⼒。其增量与⽔平⽅向应⼒增量相同，

综合前述推导分析可得：⽆论是形成垂直裂缝或⽔平裂缝，压裂液向地层滤失时，由于流体传递了该压⼒⽽使破裂压⼒有所降低。但压裂液向地层滤失增加了地层污染可能性。3．破裂压⼒梯度

破裂压⼒梯度(fracture pressure gradient)定义为地层中某点破裂压⼒与该点深度的⽐值，1) 理论计算。忽略构造应⼒和岩⽯抗张强度影响。对于均匀⽔平应⼒场，假设孔隙弹性常数为1，忽略了构造应⼒和岩⽯抗张强度影响，因⽽与实际情况存在⼀定差异。

2）统计⽅法。油⽥使⽤的地层破裂压⼒梯度通常是根据⼤量的压裂实践统计出来的。⼀般范围在15~25 kPa/m之间，个别地区可达36 kPa/m。根据破裂压⼒梯度可以⼤致估算压裂裂缝形态。当αF < 15～18 kPa/m, 形成垂直裂缝；当αF > 22～25 kPa/m, 形成⽔平裂缝。三、降低破裂压⼒的途径

当地层破裂压⼒较⾼，通过优化施⼯参数、压裂管柱和压裂液性能，压裂泵车仍⽆法有效破裂地层时必须设法降低地层破裂压⼒。主要途径包括：1. 改善射孔参数

应⼒场与地应⼒状态(⼤⼩、⽅向)、射孔孔眼参数（直径、孔深和孔密）、射孔压⼒、孔眼⽅向与地应⼒⽅向的夹⾓等有关。

因此，优化射孔参数、改进射孔⼯艺可以降低破裂压⼒。2. 酸化预处理

主要机理是溶解胶结物成分⽽降低岩⽯胶结强度和清洁射孔孔眼降低的破裂压⼒。后者的影响体现在：①增加孔眼有效深度和孔径⽽⼤幅度降低破裂压⼒；②解除射孔污染，提⾼孔眼周围渗透率⽽减低破裂压⼒。3. ⾼能⽓体压裂

推进剂引爆以后，爆轰压⼒波携带巨⼤能量瞬间到达井壁，⾸先在井壁上激起应⼒波，衰减很快，在地层形成⼀次裂缝；然后对地层的加载⽅式变得更复杂，随着传播距离增加，应⼒波幅值递减，作⽤能量下降，直到不能破岩的应⼒波称为弹性波，使岩⽯进⼀步破碎、延伸⼀次裂缝和形成⼆次裂缝。