探討油田頁巖水平井壓泵裂裂縫延伸規律

賴欣 宋銳 楊兆津

摘 要：隨著社會主義經濟的快速發展，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注，而水平井壓裂能提高油田頁巖氣藏的產量，其中裂縫延伸是水平井壓泵裂技術的重要組成部分，它對低滲透油氣的開發有著很好的效果，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利用。

關鍵詞：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，目標層會在壓力下產生導流能力油氣通道，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

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，應力會高度的集中，就會產生塑性區域，塑性區會讓破裂判斷發生變化，其表現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，且脫紗現象嚴重，這為施工的順利實施產生了不利的影響，塑像越強，則脫紗越快，當地層巖性不同時，其裂縫的延伸規律也會有所不同。另外，外部的載荷會影響裂縫頂端的應力，當外部存在載荷時，裂縫頂端的應力就會無限的放大，這種現象叫做應力場的奇異性，但要注意的是，裂縫的延神與否，不能用應力的大小來判斷，而應力強度因子的概念則因此產生。

（一）裂縫應力強度因子K

應力強度因子理論：Irwin提出了應力強度因子這一參量，并建立了應力強度理論體系，根據該理論當彈性體受到外部作用時產生裂紋，裂紋的應力強度因子超過裂紋時，裂縫就會出現失穩擴展現象。根據Irwin理論，當材料產生裂紋時，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，這些都被稱之為復合型裂紋，在Irwin理論中，當r發生變化時，裂縫頂端的應力也會發生變化，r是某點和裂縫頂端的距離，因此張開型裂縫的裂端應力可表示為：υij= ? ? ? ? ? ? ? ? fij（θ），其中fij是與裂端坐標相關的函數;r裂縫頂端的距

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

（二）巖石的斷裂韌性

根據Irwin中的斷裂理論，當破裂載荷在裂縫邊遠的應力強度因子，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，其裂縫就會產生延伸。斷裂韌性是材料最常見的性質常數，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生變化，就脆性材料來說，微裂紋的巖石的裂紋屏蔽會產生增韌的效果。微裂紋巖石既有優點，也有缺點，優點是在裂紋擴展時期驅動力會被減少，缺點是：它的材料會被產生損傷，其性能也會因此產生一定的影響，而斷裂韌性也會相對的減少。

二、水平井壓裂裂縫起裂的數學模型

（一）水平井井筒應力分布數學模型

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

（二）巖石破壞準則

由于裂縫產生的準則較多，而張應力破壞準則是運用最廣的一種，該準則的主應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，σ3三個主應力，σ3在井壁中的張應力為負值，求出最大拉伸應力，并得出裂縫的起裂位置坐標θ，并根據張應力的破壞準則，當井壁處在Z-θ平面上的最大拉伸應力達到最大抗拉強度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，其最小水平主應力越大，則對應的起縫壓力越小，在45°到90°之間，最小水平主應力越大，則對應的起縫壓力越大，因此，水平井井筒的方位不同，則最少水平主應力對起縫壓力的影響也會有所不同，在同一主應力，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計計算，三維模型適用于復雜的裂縫幾何形態，能夠準確的給與注入條件的裂縫幾何形狀，因此，要想發現裂縫延伸的規律，就要根據地層的實際情況，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軟件計算的結果具有很好的一致性，在地層復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）產層和隔層對裂縫縫高的影響

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

結語：

當油田頁巖地層巖性不同時，裂縫的延伸規律也會發生變化，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計計算，三維模型適用于復雜的裂縫幾何形態，在地層復雜油層較薄時，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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