水平井压裂裂缝起裂及延伸规律研究
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14
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.1 水平井井筒周围的应力分布 基本假设：
水平井井筒的应力分布状态受井筒周围岩石介质和
施工力学环境的影响。为了便于分析井筒周围应力分 布状况，做如下假设： （1）岩石为均质各向同性多孔弹性介质； （2）岩石处于线弹性状态； （3）不考虑岩石与压裂液的物理化学作用。
1 r 1 2 ( z ) ( z ) 2 4 2z 2 1 ( ) ( ) 2 4 2 z z z 3 2
21
根据张性破裂准则，上述的三个应力中只要任意一个主应力超过岩石 抗张强度时，裂缝就会在井筒壁处起裂。
d max ( ) 0 d
根据裂缝起裂准则，当井壁处最大拉伸应力达到岩石的抗拉强度σt 时，岩石破裂：
max ( 0' ) t
24
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
2.3 裂缝起裂压力的影响因素分析
（1）最小水平主应力对起裂压力的影响分析
a. 正断层 v H h
转向裂缝又叫‘S’型裂缝，一般是裂缝从井筒起裂后在近
井筒位置延伸一段距离，再转向另一个平面的方向延伸。如图
所示，在图中所示的应力分布状态下，该裂缝在起裂时是沿着 水平方向延伸，而在沿着水平方向延伸一段距离后，裂缝发生 转向，转向垂直于最小主应力的方向延伸，所以导致了转向裂 缝的形成。许多因素都可以引起裂缝转向，最主要的因素是在 裂缝起裂时的近井筒应力分布状况以及射孔状况。裂缝转向会 引起更大的施工泵压，严重情况下可能会引起砂桥和过早的近 井筒出砂。
70
裂缝起裂压力（MPa）
σv/σH =1.11
60 50 40 30 20 0 15
σh=40 σh=35 σh=30 σh=25 σh=20
30 45 60 水平井井筒方位角（度）
75
90
正断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系
25
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
b. 平移断层 H v h
于横向裂缝的方向。这样就会导致裂缝在离开井筒附近后的 扭曲。如同转向裂缝一样，扭曲型裂缝也会造成裂缝在近井
筒附近的快速收聚。而且其收聚的程度比转向裂缝更大，所
造成的产量和压裂施工上的负面影响也较大。
11
汇报提纲
前 言 水平井压裂裂缝起裂规律 水平井压裂裂缝延伸规律 结论与认识
12
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 水平井压裂裂缝起裂规律研究 建立水平井井筒应力分布模型； 进行了裸眼完井水平井裂缝起裂压力计算，并构建了 裂缝起裂方位预测模型； 进行了射孔完井水平井裂缝起裂压力计算，并构建了 裂缝起裂方位预测模型； 分析了裂缝起裂压力的影响因素。
3 max ( )
1 ( z ) ( z ) 2 4 2z 2
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2.1 裸眼完井起裂压力和起裂角的计算
为了求出最大拉伸应力，对式上式求导，得：
d max ( ) d
0
满足该式的角度0即为裸眼完井时裂缝的起裂方位角
23
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2.2 射孔完井起裂压力和起裂角的计算
由弹性力学理论，其最大拉伸应力的表达式为：
1 3 max ( ' ) ( ' z ) ( ' z ) 2 4 2z 2
对上式求导，确定出裂缝的起裂方位：
13
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 水平井压裂中裂缝的起裂压力和起裂方位因素：
（1）水平段井筒的方位；
（2）岩石性质、井筒周围应力分布； （3）施工作业条件、井筒结构、射孔条件。
计算裂缝起裂压力、预测起裂方位角通常有两个步骤：
（1）计算水平井井筒周围的应力分布；
（2）根据岩石破裂准则，当井筒应力大于岩石强度，裂 缝起裂。
1.前 言
(2) 纵向裂缝
纵向裂缝是沿着水平井井筒起裂的，形成纵向裂缝时井筒方向应该与 最大水平主应力的方向一致。纵向裂缝有时可以把油层泄油面积向油层的 上下边界扩展，在某些情况下纵向裂缝还可以解除深度井筒伤害，改善油 层的各向异性，降低井筒周围汇流的影响。
7
1.前 言
(3) 转向裂缝
8
1.前 言
9
1.前 言
(4) 扭曲裂缝
10
1.前 言 扭曲型裂缝与转向裂缝类似，但扭曲裂缝的上半缝和下 半缝是向着两个不同的平面发生转动，而转向裂缝的上半缝 和下半缝是向着两个平行的平面发生转动。在图2-4所示的应 力状态下，水平井井筒方向垂直于最大水平主应力方向，起
裂的纵向裂缝从井筒延伸出来在远井筒地应力状态下会转向
70 60
裂缝起裂压力（MPa）
σ v/σ H =0.4
50 40 30 20 10 0 0 15 30 45 60 水平井井筒方位角（度） 75 90 σh=45 σh=40 σh=35 σh=30 σh=25
逆断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系
27
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 （2）垂向应力对起裂压力的影响分析
4
1.前 言 在不同的地应力状态和井筒方位下，水平井压裂形 成的裂缝形态也不同。
水 平 井 压 裂 的 裂 缝
横向裂缝 纵向裂缝
转向裂缝
扭曲ຫໍສະໝຸດ Baidu缝
5
1.前 言
(1) 横向裂缝
横向裂缝是沿着垂直于井筒的方向起裂的裂缝，它一般产生在水平井井 筒水平段平行于最小主应力方向的水平井。 横向裂缝可以改善低渗透油层 渗流状况，有利于增加油层泄油面积。多条横向裂缝能大大提高采油速度， 并有利于提高采收率。其主要缺点是流体将聚集在裂缝中以向心流流入井底， 6 这将导致裂缝中流动压降的增加。
60 σ v/σ H =0.9 50
裂缝起裂压力（MPa）
40 σh=40 σh=35 σh=30 σh=25 σh=20 0 15 30 45 60 75 90
30
20
水平井井筒方位角（度）
平移断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系
26
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
c.逆断层
H h v
55
裂缝起裂压力（MPa)
50
45
井筒方位角为0度 井筒方位角为45度 井筒方位角为90度 井筒方位角为30度 井筒方位角为60度
40
35 20 25
垂向应力（MPa)
30
35
40
逆断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系
30
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 （3）射孔对起裂压力的影响分析
射孔参数会对压裂作业产生影响，选择合适的射孔参数可以降
水平井压裂裂缝起裂及延伸 规律研究
单位：中国石油大学（华东） 曲占庆 温庆志 齐 宁
单位：胜利油田采油工艺研究院
张 波
2008.9
1
2
汇报提纲
前 言 水平井压裂裂缝起裂规律 水平井压裂裂缝延伸规律 结论与认识
3
1.前 言 水平井作为一门先进的技术，在国内外得到了越来越广 泛的应用，由于水平井轨迹不同，钻遇地层复杂，水平井 应力分布、裂缝起裂、裂缝延伸规律、裂缝内的温度场、 产能预测方法、压裂设计与直井有很大不同。 对水平井水力压裂的理论研究还不够深入，没有一套成 熟的理论来指导水平井的压裂优化设计和现场施工，使得 水平井水力压裂成功率不高而且风险也比较大。
低地层破裂压力、降低裂缝的扭曲程度。
40 35
破裂压力（MPa)
30 25 20 15 10 5 0 0 15 30 45 60 75 90 水平井井筒方位角（度）
射孔 裸眼
射孔对起裂压力的影响
31
汇报提纲
前 言 水平井压裂裂缝起裂规律 水平井压裂裂缝延伸规律 结论与认识
b.平移断层
裂缝起裂压力（MPa)
70 60 50 40 30 20 10 0 0
σH/σh=2.5
σv=25 σv=30 σv=35 σv=40 σv=45
15
30
45
60
75
90
水平井井筒方位角（度）
平移断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系
29
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
c.逆断层
60
σH/σh=1.1
19
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2 起裂压力和起裂角的计算 裂缝起裂压力:井壁发生破裂时的井筒内压力; 裂缝起裂角:裂缝面与井眼轴线之间的夹角 (规定从裂缝面沿顺时针方
向转向井轴时为正)，如图所示。
20
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2.1 裸眼完井起裂压力和起裂角的计算
井筒壁处岩石的三个主应力分别为压力：
15
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 水平井井筒应力分布模型的建立要考虑诸多因素：
（1）水平井井筒周围的岩石受井筒内压引起的应力 （2）岩石原地应力 （3）压裂液渗流效应引起的应力变化 （4）射孔对井筒应力分布的影响 （5）分隔器对水平井井筒轴向应力也有一定的影响
根据假设条件，以上在水平井井筒处产生的应力满足迭加原理，水平 井井筒处的总应力分布可以通过各个因素产生的应力迭加得到，(在所
有的受力分析中，将压应力取正，拉应力取负)。
16
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
2.1.1 裸眼完井水平井井筒周围应力分布
水平井井筒原地应力分布 井筒内压引起的应力
+
+
压裂液渗滤效应引起的附加应力
r Pw ( Pw p p ) P ( ) 2( ) cos 2 1 2 P p w w xx yy xx yy p 1 1 2 z cPw zz 2 xx yy cos 2 Pw p p 1 r 0 z 2 yz cos rz 0
射孔井筒几何模型和应力重分布图
18
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
在坐标系下射孔完井水平井井筒应力与裸眼完井水平井应力一 致，根据迭加原理，将井筒内压、地应力和压裂液渗流效应引起的 应力迭加，便可得到水平井射孔完井时井筒壁处的应力场分布：
r Pw ( Pw p p ) 2 P (1 cos 2 ' ) ( ) 2 ( ) cos 2 w xx yy z xx yy z 2 ( xx yy ) cos 2 (1 2 cos 2 ' ) 1 2 4 z sin 2 2 p w p p (1 cos 2 ' ) 1 z cPw zz 2 xx yy cos 2 1 2 Pw p p 1 0 r z 2 yz cos 0 rz
22
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2.2 射孔完井起裂压力和起裂角的计算
射孔完井条件下水平井井筒三个主应力为：
1 r 1 2 ( ' z ) ( ' z ) 2 4 2z 2 3 1 ( ' z ) ( ' z ) 2 4 2z 2
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.1.2 射孔完井水平井井筒周围应力分布
假设条件： (1) 岩石均质各向同性； (2) 岩石为处于线弹性状态的多孔介质； (3) 不考虑岩石与压裂液的物理化学作用而引起的力学性质的变化；
(4) 孔眼与井壁垂直相交，井筒和孔眼间的连通性良好，作用在井壁和
孔壁处的流体压力相等。
a.正断层
50
σH/σh=1.25
裂缝起裂压力（MPa)
40 30 20 10 0 0 15 30 45 60 水平井方位角（度） σv=30MPa σv=35MPa σv=40MPa σv=45MPa σv=50MPa 75 90
正断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系
28
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.1 水平井井筒周围的应力分布 基本假设：
水平井井筒的应力分布状态受井筒周围岩石介质和
施工力学环境的影响。为了便于分析井筒周围应力分 布状况，做如下假设： （1）岩石为均质各向同性多孔弹性介质； （2）岩石处于线弹性状态； （3）不考虑岩石与压裂液的物理化学作用。
1 r 1 2 ( z ) ( z ) 2 4 2z 2 1 ( ) ( ) 2 4 2 z z z 3 2
21
根据张性破裂准则，上述的三个应力中只要任意一个主应力超过岩石 抗张强度时，裂缝就会在井筒壁处起裂。
d max ( ) 0 d
根据裂缝起裂准则，当井壁处最大拉伸应力达到岩石的抗拉强度σt 时，岩石破裂：
max ( 0' ) t
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
2.3 裂缝起裂压力的影响因素分析
（1）最小水平主应力对起裂压力的影响分析
a. 正断层 v H h
转向裂缝又叫‘S’型裂缝，一般是裂缝从井筒起裂后在近
井筒位置延伸一段距离，再转向另一个平面的方向延伸。如图
所示，在图中所示的应力分布状态下，该裂缝在起裂时是沿着 水平方向延伸，而在沿着水平方向延伸一段距离后，裂缝发生 转向，转向垂直于最小主应力的方向延伸，所以导致了转向裂 缝的形成。许多因素都可以引起裂缝转向，最主要的因素是在 裂缝起裂时的近井筒应力分布状况以及射孔状况。裂缝转向会 引起更大的施工泵压，严重情况下可能会引起砂桥和过早的近 井筒出砂。
70
裂缝起裂压力（MPa）
σv/σH =1.11
60 50 40 30 20 0 15
σh=40 σh=35 σh=30 σh=25 σh=20
30 45 60 水平井井筒方位角（度）
75
90
正断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系
25
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
b. 平移断层 H v h
于横向裂缝的方向。这样就会导致裂缝在离开井筒附近后的 扭曲。如同转向裂缝一样，扭曲型裂缝也会造成裂缝在近井
筒附近的快速收聚。而且其收聚的程度比转向裂缝更大，所
造成的产量和压裂施工上的负面影响也较大。
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汇报提纲
前 言 水平井压裂裂缝起裂规律 水平井压裂裂缝延伸规律 结论与认识
12
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 水平井压裂裂缝起裂规律研究 建立水平井井筒应力分布模型； 进行了裸眼完井水平井裂缝起裂压力计算，并构建了 裂缝起裂方位预测模型； 进行了射孔完井水平井裂缝起裂压力计算，并构建了 裂缝起裂方位预测模型； 分析了裂缝起裂压力的影响因素。
3 max ( )
1 ( z ) ( z ) 2 4 2z 2
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2.1 裸眼完井起裂压力和起裂角的计算
为了求出最大拉伸应力，对式上式求导，得：
d max ( ) d
0
满足该式的角度0即为裸眼完井时裂缝的起裂方位角
23
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2.2 射孔完井起裂压力和起裂角的计算
由弹性力学理论，其最大拉伸应力的表达式为：
1 3 max ( ' ) ( ' z ) ( ' z ) 2 4 2z 2
对上式求导，确定出裂缝的起裂方位：
13
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 水平井压裂中裂缝的起裂压力和起裂方位因素：
（1）水平段井筒的方位；
（2）岩石性质、井筒周围应力分布； （3）施工作业条件、井筒结构、射孔条件。
计算裂缝起裂压力、预测起裂方位角通常有两个步骤：
（1）计算水平井井筒周围的应力分布；
（2）根据岩石破裂准则，当井筒应力大于岩石强度，裂 缝起裂。
1.前 言
(2) 纵向裂缝
纵向裂缝是沿着水平井井筒起裂的，形成纵向裂缝时井筒方向应该与 最大水平主应力的方向一致。纵向裂缝有时可以把油层泄油面积向油层的 上下边界扩展，在某些情况下纵向裂缝还可以解除深度井筒伤害，改善油 层的各向异性，降低井筒周围汇流的影响。
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1.前 言
(3) 转向裂缝
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1.前 言
9
1.前 言
(4) 扭曲裂缝
10
1.前 言 扭曲型裂缝与转向裂缝类似，但扭曲裂缝的上半缝和下 半缝是向着两个不同的平面发生转动，而转向裂缝的上半缝 和下半缝是向着两个平行的平面发生转动。在图2-4所示的应 力状态下，水平井井筒方向垂直于最大水平主应力方向，起
裂的纵向裂缝从井筒延伸出来在远井筒地应力状态下会转向
70 60
裂缝起裂压力（MPa）
σ v/σ H =0.4
50 40 30 20 10 0 0 15 30 45 60 水平井井筒方位角（度） 75 90 σh=45 σh=40 σh=35 σh=30 σh=25
逆断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 （2）垂向应力对起裂压力的影响分析
4
1.前 言 在不同的地应力状态和井筒方位下，水平井压裂形 成的裂缝形态也不同。
水 平 井 压 裂 的 裂 缝
横向裂缝 纵向裂缝
转向裂缝
扭曲ຫໍສະໝຸດ Baidu缝
5
1.前 言
(1) 横向裂缝
横向裂缝是沿着垂直于井筒的方向起裂的裂缝，它一般产生在水平井井 筒水平段平行于最小主应力方向的水平井。 横向裂缝可以改善低渗透油层 渗流状况，有利于增加油层泄油面积。多条横向裂缝能大大提高采油速度， 并有利于提高采收率。其主要缺点是流体将聚集在裂缝中以向心流流入井底， 6 这将导致裂缝中流动压降的增加。
60 σ v/σ H =0.9 50
裂缝起裂压力（MPa）
40 σh=40 σh=35 σh=30 σh=25 σh=20 0 15 30 45 60 75 90
30
20
水平井井筒方位角（度）
平移断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
c.逆断层
H h v
55
裂缝起裂压力（MPa)
50
45
井筒方位角为0度 井筒方位角为45度 井筒方位角为90度 井筒方位角为30度 井筒方位角为60度
40
35 20 25
垂向应力（MPa)
30
35
40
逆断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系
30
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 （3）射孔对起裂压力的影响分析
射孔参数会对压裂作业产生影响，选择合适的射孔参数可以降
水平井压裂裂缝起裂及延伸 规律研究
单位：中国石油大学（华东） 曲占庆 温庆志 齐 宁
单位：胜利油田采油工艺研究院
张 波
2008.9
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汇报提纲
前 言 水平井压裂裂缝起裂规律 水平井压裂裂缝延伸规律 结论与认识
3
1.前 言 水平井作为一门先进的技术，在国内外得到了越来越广 泛的应用，由于水平井轨迹不同，钻遇地层复杂，水平井 应力分布、裂缝起裂、裂缝延伸规律、裂缝内的温度场、 产能预测方法、压裂设计与直井有很大不同。 对水平井水力压裂的理论研究还不够深入，没有一套成 熟的理论来指导水平井的压裂优化设计和现场施工，使得 水平井水力压裂成功率不高而且风险也比较大。
低地层破裂压力、降低裂缝的扭曲程度。
40 35
破裂压力（MPa)
30 25 20 15 10 5 0 0 15 30 45 60 75 90 水平井井筒方位角（度）
射孔 裸眼
射孔对起裂压力的影响
31
汇报提纲
前 言 水平井压裂裂缝起裂规律 水平井压裂裂缝延伸规律 结论与认识
b.平移断层
裂缝起裂压力（MPa)
70 60 50 40 30 20 10 0 0
σH/σh=2.5
σv=25 σv=30 σv=35 σv=40 σv=45
15
30
45
60
75
90
水平井井筒方位角（度）
平移断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
c.逆断层
60
σH/σh=1.1
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2 起裂压力和起裂角的计算 裂缝起裂压力:井壁发生破裂时的井筒内压力; 裂缝起裂角:裂缝面与井眼轴线之间的夹角 (规定从裂缝面沿顺时针方
向转向井轴时为正)，如图所示。
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2.1 裸眼完井起裂压力和起裂角的计算
井筒壁处岩石的三个主应力分别为压力：
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 水平井井筒应力分布模型的建立要考虑诸多因素：
（1）水平井井筒周围的岩石受井筒内压引起的应力 （2）岩石原地应力 （3）压裂液渗流效应引起的应力变化 （4）射孔对井筒应力分布的影响 （5）分隔器对水平井井筒轴向应力也有一定的影响
根据假设条件，以上在水平井井筒处产生的应力满足迭加原理，水平 井井筒处的总应力分布可以通过各个因素产生的应力迭加得到，(在所
有的受力分析中，将压应力取正，拉应力取负)。
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
2.1.1 裸眼完井水平井井筒周围应力分布
水平井井筒原地应力分布 井筒内压引起的应力
+
+
压裂液渗滤效应引起的附加应力
r Pw ( Pw p p ) P ( ) 2( ) cos 2 1 2 P p w w xx yy xx yy p 1 1 2 z cPw zz 2 xx yy cos 2 Pw p p 1 r 0 z 2 yz cos rz 0
射孔井筒几何模型和应力重分布图
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
在坐标系下射孔完井水平井井筒应力与裸眼完井水平井应力一 致，根据迭加原理，将井筒内压、地应力和压裂液渗流效应引起的 应力迭加，便可得到水平井射孔完井时井筒壁处的应力场分布：
r Pw ( Pw p p ) 2 P (1 cos 2 ' ) ( ) 2 ( ) cos 2 w xx yy z xx yy z 2 ( xx yy ) cos 2 (1 2 cos 2 ' ) 1 2 4 z sin 2 2 p w p p (1 cos 2 ' ) 1 z cPw zz 2 xx yy cos 2 1 2 Pw p p 1 0 r z 2 yz cos 0 rz
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2.2 射孔完井起裂压力和起裂角的计算
射孔完井条件下水平井井筒三个主应力为：
1 r 1 2 ( ' z ) ( ' z ) 2 4 2z 2 3 1 ( ' z ) ( ' z ) 2 4 2z 2
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.1.2 射孔完井水平井井筒周围应力分布
假设条件： (1) 岩石均质各向同性； (2) 岩石为处于线弹性状态的多孔介质； (3) 不考虑岩石与压裂液的物理化学作用而引起的力学性质的变化；
(4) 孔眼与井壁垂直相交，井筒和孔眼间的连通性良好，作用在井壁和
孔壁处的流体压力相等。
a.正断层
50
σH/σh=1.25
裂缝起裂压力（MPa)
40 30 20 10 0 0 15 30 45 60 水平井方位角（度） σv=30MPa σv=35MPa σv=40MPa σv=45MPa σv=50MPa 75 90
正断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系
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2.水平井压裂裂缝起裂规律研究