地层破裂压力的影响因素综述

地层破裂压力的影响因素综述

陶永富，乔　梁，张华琴，孙继丰

（１．玉门油田分公司勘探开发研究院，甘肃酒泉　７３５０００；２．玉门油田分公司鸭儿峡采油厂，甘肃玉门　７３５２００）

摘　要：地层破裂压力是压裂设计所需的基础参数之一，有效降低地层破裂压力对于确保压裂成功具有重要意义。然而影响破裂压力的因素较多，对压裂施工提出了极大挑战。本文在国内外研究工作的基础上，总结了各因素对地层破裂压力的具体影响，提供了有效降低地层破裂压力的方法和思路。

关键词：压裂；破裂压力；套管；射孔

中图分类号：ＴＥ２４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７９８１（２０１９）０１—００４９—０３

地层破裂压力定义为使地层产生水力裂缝或张开原有裂缝时的井底流体压力，它是钻井和压裂设计的基础和依据。如今地层破裂压力预测技术已有多种，特别是破裂压力预测模型，这对预防漏、喷、塌、卡等钻井事故的发生有着重要的意义。对压裂而言，大多数油气井都是套管射孔完井，对破裂压力的预测除了考虑地应力和岩石力学性质外，还需考虑套管、水泥环和射孔对破裂压力的影响。

１　套管对破裂压力的影响

当套管和地层岩石的弹性模量相同时，可忽略套管的影响。然而随着套管的弹性模量的增加，裂缝起裂压力增加［１］。原因在于，随着套管弹性模量的增加，一部分井筒压力不能传播到地层，进而需要更高的井筒压力去压开地层。

２　水泥环对破裂压力的影响

在压裂施工时井底压力逐渐增加，压裂液将在射孔通道某处垂直于最小主应力方向压开一条裂缝。起裂位置可能发生在水泥环上进而产生微环隙，也有可能发生在地层岩石的某个位置。一般来说，射孔方案的设计应当满足：避免裂缝在水泥环上起裂和避免产生微环隙。在射孔孔眼的的第一段（水泥环），压裂液暴露于水泥环上，如果水泥环的抗张强度小于射孔孔道上其它位置的起裂压力，那么裂缝将在水泥环上起裂而产生微环隙［２］。根据的Ｆａｌｌａｈｚａｄｅｈ等人研究表明在地层温度高于压裂液的条件下，随着泊松比、弹性模量、热线性膨胀系数和孔隙压力的增加，水泥环破裂压力降低［１］。所以可通过调整这４种参数来适当提升水泥环破裂压力，进而避免产生微环隙效应。

３　射孔参数对破裂压力的影响

不少学者通过有限元方法、真三轴模拟实验、位移不连续方法等对射孔井的破裂压力进行了研究，得出了许多有价值的结论。

３．１　射孔方位角

破裂压力随着射孔方位角的增加而增大［３，４～１１，１２］。若射孔孔眼方向与最大水平主应力方向一致（即射孔方位角为０°或１８０°），裂缝起裂后一直沿着孔眼方向延伸，形成平整规则的双翼裂缝；若射孔孔眼方向与最大水平主应力不一致，裂缝首先沿着射孔孔眼方向起裂，然后转到最佳裂缝面，裂缝转向距离随着射孔方位角的增大而增大［３］

。

图１　压裂液通过微环隙造缝示意图

导致微环隙产生的原因除了水泥环力学性质不合适外，另一个原因就是射孔定向不好［１，２，１３］。在没

９

４

　２０１９年第１期 内蒙古石油化工

收稿日期：２０１８－１１－１６

作者简介：陶永富（１９８９—），男，汉族，四川南充，硕士研究生，助理工程师。

有最优的射孔方位条件下，

受微环隙的影响，裂缝起裂将与裸眼完井条件下相同［

１４］

。其起裂压力将明显高于裸眼井，

但是起裂位置与裸眼井情况相同。但是支撑剂在通过窄点（如图１）时容易发生桥堵而脱砂，导致施工压力增大，甚至导致压裂施工失败。为了避免受微环隙的影响，射孔方位角一般控制在１０°

以内［１

４－１５］。

３．２　布孔方式

布孔方式指射孔孔眼在地层中的排列方式（图２

）。根据有限元数值模拟结果，在同一射孔方位下，线状布孔时破裂压力最大，交错布孔时破裂压力最

小［

８］

。图２　３种布孔方式

３．３　射孔密度

随着射孔密度的增加，破裂压力降低［

１１－１２

］。当射孔密度小于１６个／ｍ时，破裂压力随着射孔密度的增加缓慢降低，此时射孔密度对起裂压力的影响较小；当射孔密度大于１６个／ｍ时，破裂压力随着射孔密度的增加迅速降低，此时射孔密度对起裂压力的影响比较显著。考虑到射孔的存在必然导致套管强度降低，射孔数目越多套管强度降低越大，因此并不是射孔密度越大就越好。张广清等

［１６］

给出１３／ｍ

左右为射孔密度最优值。３．４　射孔深度

破裂压力随射孔深度的增加而减小

［８－１

１］，特别

是对深井而言，

造深孔比造大孔径炮眼更受欢迎，更容易穿透应力变化带［

１７］

。但是在分别讨论孔眼根部和孔眼尖端的起裂压力时研究结果有所不同。刘

建军等人［１１］

数值模拟结果表明，射孔长度对孔眼端

部及根部岩石破裂压力的影响规律基本一致。随着射孔长度的增加破裂压力基本呈线性递减，变化趋

势较小，如图３（ａ

）所示。而王素玲等人［１０］

数值模拟结果（如图３（ｂ））表明，当考虑在射孔根部起裂时，随着射孔深度的增加起裂压力先减小后增加。因为当射孔深度较小时，由钻井引起的近井筒地带地应力的变化没有消除，对裂缝起裂起到限制作用，随着射孔深度增大，在射孔眼的尖端不受近井筒地带地

应力的影响，且在孔压的作用下产生的应力集中对孔眼根部的应力起到叠加作用，使得孔眼根部的起裂压力降低，当射孔深度超过一定值时，射孔眼尖端与根部的应力区相互影响较小，因此，起裂压力增加。当在射孔尖端起裂时，随着射孔深度的增加起裂压力降低，与前者结论相同

。

图３　破裂压力与射孔深度的关系

３．５　射孔直径

随着孔眼直径增加，破裂压力降低［

９－１２］

。适当增加射孔直径既可增大地层的泄油面积，提高油井产量，也可以降低压裂时对地面设备的要求，进而降低压裂成本。３．６　应力差

当射孔方位为０°

时应力差对地层破裂压力没有影响；当射孔方位角较小（０°～４０°）时破裂压力随远场应力差的变化很小；当射孔方位角较大（６０°～

９０°

）时破裂压力随着压力差的增大而急剧增大［７］

。４　结束语

①当套管的弹性模量较大时，预测地层破裂压力不可忽略套管的影响；②水泥环力学性质和射孔方位角是引起微环隙产生的主要原因，微环隙不利于压裂施工；③射孔井破裂压力随射孔方位角的增加而升高；随射孔密度、射孔深度、射孔直径的增加而减小。３中布孔方式中，交错布孔方式最佳。

［参考文献］

［１］　Ｓ．Ｈ．Ｆａｌｌａｈｚａｄｅｈ，Ｖａｍｅｇ

ｈ　Ｒａｓｏｕｌｉ．Ｔｈｅ０５

内蒙古石油化工 ２０１

９年第１期