水力压裂形成多裂缝的力学条件

水力压裂形成多裂缝的力学条件
由断裂力学理论可知，影响水力压裂净压力的因素有很多，主要包括地质因素及工程因素，其中，地质因素是由地层本身固有性质如渗透率、岩石模量、弹性模量、泊松比等，是人力无法控制的。工程因素主要包括采用的工艺类型，施工排量、压裂液粘度等，所有这些工艺的根本是提高缝内净压力，促使新缝产生。
相关理论研究表明，压裂施工时，当井底处理压力大于地层岩石破裂压力时，地层破裂而产生裂缝。破裂压力与岩层和流体性质有关，一个区块内同一地层的破裂压力基本上是相同的。破裂压力可以用下式表达：
（5.1）
式中：Pf-底层破裂压力，MPa；
v-泊松比，无因次；
K-非均匀的地质构造应力系数，无因次；
σz一垂向主应力，MPa；
Ps一孔隙压力，MPa；
St一地层抗拉强度，MPa。
裂缝一旦张开，裂缝延伸所需要的压力将趋于稳定，而且随排量增加，压力将不会有明显的变化，并且裂缝延伸压力小于地层破裂压力。
裂缝延伸条件满足以下公式：

式中：σh1—储层最大水平主应力；σh1—储层最小水平主应力；θ—方位角；T—岩石抗张强度
其中，缝内净压力可以以下关系式表达：

式中：Pnet—水力压裂裂缝净压力； ν一岩石泊松比。
根据有关断裂力学及岩石力学理论，在水力压裂裂缝破裂及延伸过程中，如产生分支缝，则符合裸眼条件下的破裂条件。

（5.2）

式中：为井底破裂压力，MPa；为空隙流体压力MPa；为地层最小主水平应力，为地层最大水平主应力，MPa；为岩石抗张强度，MPa；为岩石触点孔隙度，小数；为岩石孔隙；为泊松比，小数。
一般来说，对于已经开启并延伸的裂缝来说，如果其他条件不变，缝内净压力不会有太大变化，所以压裂施工时一旦裂缝开启，一般沿起裂方向形成大的主裂缝，由于应力-损伤-耦合作用，裂缝壁面上应力可能发生变化，形成小的裂隙或应力薄弱点。在外力作用条件不变也就是既定的净压力下，这些变化不足以引起裂缝延伸方向的改变。但是如果采用适当的压裂工艺，进一步增加缝内净压力，即可达到转向产生新缝目的。