水力压裂力学-1

2009
年原油新增探明储量变化情况
年天然气新增探明储量变化情况
水力压裂力学
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
1 绪论
2 岩石力学
3 流体力学与流变学 4 水力压裂模拟 5 压裂液与支撑剂 6 水力压裂设计 7 水力裂缝测试技术
二、岩石力学
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1 基本概念
① 应力：作用在单位面积上的力，当面积无限趋于 零时的极限，成为作用在某点的应力，应力单位是 N/㎡，简称为Pa（帕）。
6000 5000 4000
6 5 4 3 2.00 2 1 0 1999 2000 2001 2002 2003 0.56 0.78 0.55 1.26 1.24 1.15 1.38 0.72 3.73 2.29 4.24 4.57 4.28 4.39
5.21
5.62
5720 5122 5169 4922 5008 4616 4303 4168 4467 3703 4804 2475 1603 1170 1240 1085 1898
和岩体参数(如裂缝尺寸)的函数它可以提供裂缝扩展的判据。 但是，长期以来，由于测试手段和理论研究的局限，在水力压
裂设计中往往只能给出断裂韧性的经验估计。
过建立内压式岩石断裂韧性试验，测量不同围压、不同 岩性岩石的断裂韧性，建立了基于声波测井资料的岩石断裂韧
性解释模型。
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
z σzz y x σxx σyy
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二、岩石力学
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② 应变：如果l是两点之间的原长，变形后
新的长度为l+Δl，则应变定义为：
l = l
③ 线弹性：对线弹性的材料，应力与应变关 系是线性的：
E
E成为弹性模量。
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二、岩石力学
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二、岩石力学性质参数及测试方法
为了保
证岩样加工 的精度，专 门开发了岩
石断裂韧性
测试岩样加
工装置。
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
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建立了利用测井资料预测岩石断裂韧性的理论模型，从而使 断裂韧性的预测走向实用化。
断裂韧性与纵、横波，动、静态弹性模量及抗压强度的关系
参 数 纵波速度Vp 横波速度Vs 动态弹性模量Ed 静态弹性模量Es 抗压强度 c
与断裂韧性K1c的统计关系 K1c=0.0001Vp-0.1385 K1c=0.0002Vs-0.1876 K1c=0.0109Ed+0.0512 K1c=0.0111Es+0.1018 K1c=0.0029 c +0.1013
二、岩石力学
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3 地应 力场 ： 地应 力 是深 度 、岩 性 、孔 隙压
力、结构以及构造形式的函数，包含了地应力
大小与地应力方向。
① 垂向应力
v g dH
0
H
② 水平应力
h

1
v p p
ρ：岩石密度；γ：泊松比；p：孔隙压力；α：孔隙弹性系数
相关系数(R2) 0.9613 0.9564 0.9596 0.9405 0.9618
二、岩石力学性质参数及测试方法
1.岩石力学性质参数及测试方法
（1）实验室 （2）现场测 井方法
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
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二、岩石力学性质参数及测试方法
断裂韧性的测量与预测
岩石断裂韧性是描述裂尖附近的应力场的参数，是应力
奇异性的度量。断裂韧性是载荷参数(如缝中压力，原地应力)
6.裂缝延伸压力 是指延伸一条存在着裂缝所需要的压力
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
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7.瞬时停泵压力（ISIP）：
是指水力压裂停泵时刻的压力
8.净压力 是指水力裂缝内流体压力高于闭合压力的部分 即 P n = P f- P c Pn ：净压力，Pf：裂缝内净压力， Pc ：闭合压力 9. 摩擦力 井筒摩阻 ，孔眼摩阻，裂缝内摩阻
250 200 150 100 50 0 -0.01
4 3 2
1
150 2 100 50 0 -1.00E-02
0.00E+00
1.00E-02
2.00E-02
0
0.01
0.02
¨¾ £ ¶ Ï ò £ © Ó ¦ ± ä £ ¨Ö á Ï ò £ © 1— Ö á Ï ò Ó ¦ ± ä 2— ¾ ¶ Ï ò Ó ¦ ± ä 1 3— ¾ ¶ Ï ò Ó ¦ ± ä 2 4— Æ ½ ¾ ù ¾ ¶ Ï ò Ó ¦ ± ä
σzz
如果仅考虑两个主应力方向，即θ=0， θ=π/2，则
0 3 y x
②任意方向井的应力集中

2
3 x y
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二、岩石力学
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③ 破裂压力
当井筒压力升高到有效切向应力等于岩石的抗张强度 时，岩石破裂形成裂缝。 破裂方向垂直于最小主应力方向，可由下式计算得到：
σ2：水平最小主应力
σ1：水平最大主应力
Pp ：地层压力 γ：泊松比 T：岩石抗张强度
(1 2 ) 2(1 )
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
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5.裂缝闭合压力（闭合应力）： 开始张开一条已存在的裂缝所需流体压力 这压力和岩层中垂直于裂缝面的应力大小相 等，方向相反。 这应力就是地应力的最小主应力，常常称之 为闭合应力
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一、绪论
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5 压裂工程与油藏工程的关系
油藏研究是水力压裂改造能否取得经济效果的重要基础。 主要包括： 储层的构造和建筑格架（储集体的构造条件）；
储层物性的空间分布；
储层内流体分布及其性质。 水力压裂是改造低渗、特低渗油气藏的重要手段 根据储层特点进行有针对性的压裂酸化设计与实施。
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水力压裂力学
单文文（教授级高级工程师）
个人简历
2011.8
水力压裂力学
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1 绪论
2 岩石力学
3 流体力学与流变学 4 水力压裂模拟 5 压裂液与支撑剂 6 水力压裂设计 7 水力裂缝测试技术
一、绪论
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1 水力压裂是一项永远的增产技术 2 水力压裂过程：
2.地层压力（孔隙压力）
一般地层岩石含 有孔隙，孔隙中 含有流体，流体 承受的压力称为 孔隙压力。（石 油工程中称为地 层压力） 在油气藏开发过 程中，孔隙压力 是变化的。
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
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3.有效应力
Pp
'
σ’ ：有效应力，作用在岩石骨架（颗粒）上的力 σ ：地应力（总应力） Pp :孔隙压力（地层压力）
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③ 有效应力：作用在岩石骨架（颗粒）上的力。 ④ 地层破裂压力 ⑤ 裂缝闭合压力（闭合应力）：开始张开一条已存在的 裂缝所需流体压力。 ⑥ 裂缝延伸压力
⑦ 瞬时停泵压力 ⑧ 净压力
⑨ 摩擦力：井筒摩阻，孔眼摩阻，裂缝内摩阻。
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岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
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4.15 2.95 2.94 2.73 1.46 1.28
3000 2000 1000
1.06
2.66 1.47
2309
1.02
1.02
1394
93 95 97 99 01 03 05 07 20 09 20
0
19 91 19 19 19 19 20 20 20
2004
2005
2006
2007
2008
2 与压裂力学有关的几个力学概念
① 地应力：地壳或岩石圈中存在的应力，包括由
上覆岩体重力引起的应力和构造运动引起的应力 两部分。它决定了外力压裂裂缝的基本形态：水 平裂缝或垂直裂缝。 ② 地层压力（孔隙压力）：地层岩石孔隙所含流
体承受的压力，在油气藏开发过程中孔隙压力是
变化的。
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二、岩石力学
发展了大型水力压裂技术，开发了压裂酸化设计的各种数学模型，提 出了压裂力学的概念，压裂力学分析技术得到了进一步发展，压裂 设备的发展。
Fra Baidu bibliotek
③ 20世纪90年代至21世纪初
水力压裂方案优化设计，材料研制，实时监测设备，计算机控制得到 了进一步完善和发展。
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一、绪论
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4 水力压裂力学是对压裂工程中涉及到的一系
列力学行为的描述。
水力压裂力学涉及流体力学（包括渗流力学）、固体 力学、断裂力学和热力学。
流体力学描述单相、两相或三相流体在裂缝中的流动（包括 在多孔介质中的渗流力学）；
固体力学描述由于流体压力变化引起的岩石变形或开裂；
断裂力学描述水力裂缝端部附近发生的破坏及裂缝延伸； 热力学描述压裂流体与地层间的热交换。
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二、岩石力学
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③ 地应力测试技术
a. 长源距声波测井方法 利用长源距声波测井球的纵波速度vp和横波速度 vs，然后求得岩石的泊松比： vp 2 R 1/ 2 R 1 式中 vs 2
R 1
再求取水平方向地应力
po，孔隙压力 α，孔隙弹性系数
h

1
亚裂施工现场
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一、绪论
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3 水力压裂发展：有60多年的发展历史，大致分 为三个阶段
① 20世纪40年代末到60年代中期
水力压裂作为油井增产技术逐步得到发展，研究压裂工艺和改进压裂 材料的质量及开发化学剂。
② 20世纪70年代到80年代末
① 泵注具有一定粘性的压裂液，在井筒附近的储层内形成 高压，劈开地层形成裂缝并使之延伸；
② 继续注入混有支撑剂的携砂液，支撑剂运移到裂缝前端 ；
③ 施工结束后，压裂液化学破胶，成低粘状态，返排到地 面； ④ 地层中留下了一条由支撑剂的高导流能力的裂缝通道。
3
水力压裂过程
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v p p
式中：σv，垂向地应力，由密度测井确定
b. 测试压裂（小型压裂） c. 实验室岩石差应变分析（与古地磁法结合）
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二、岩石力学
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4 破裂压力及井筒周围应力
① 直井井筒附近应力
z σθz r θ σzθ σrz σzr σrr σθθ σ rθ σθr
pb 3 h H p To
式中：σh，最小主应力； σH，最大主应力； p，孔隙压力； To，岩石的抗张强度。
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二、岩石力学
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5 岩石的力学性质参数
① 岩石的典型应力——应变曲线类型
② 岩石的力学性质参数：
弹性模量、泊松比、压缩系数、断裂韧性、孔隙

'
Pp
α:孔隙弹性系数，表征孔隙压力对总应力 的反作用程度。
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
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4.地层破裂压力 使地层产生张性裂缝的压力 如果不考虑液体滤失
Pb 3 2 1 P T
如果考虑液体滤失
3 2 1 2p T pb 2(1 )
¨¾ £ ¶Ï ò£ ©Ó ¦± ä£ ¨Ö áÏ ò£ © 1— Ö áÏ òÓ ¦± ä 2— ¾ ¶Ï òÓ ¦± ä 1 3— ¾ ¶Ï òÓ ¦± ä 2 4— Æ ½¾ ù¾ ¶Ï òÓ ¦± ä
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
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二、岩石力学性质参数及测试方法
3.岩石力学性质参数
弹性模量（E） 泊松比 抗压强度C0 抗张强度T0 与裂缝宽度和裂缝延伸压力有关 与应力大小变化有关 供分析施工压力变化参考 与破裂压力有关
断裂韧性KI
孔隙弹性系数α 岩石压缩系数
与裂缝延伸压力有关
与应力大小变化有关 供分析施工压力变化参考
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
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截至2009年底，中石油累计探明石油地质储量中低渗透储量占40.6%，探
明天然气地质储量中低渗透储量占78.3% 近年新增石油储量中73%、新增天然气储量83%为低渗透
9 8 7 6.15
储量（亿吨）
7000
地质储量 低渗 特低渗
8.29 7.44 7.34 6.28
弹性系数。
③ 岩石力学性质的测试
实验室、现场测井方法。
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岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
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二、岩石力学性质参数及测试方法
2.应力—应变曲线
200
£ MPa £ î ¨ ¦ ² ¦ Á ò Ó © á Ï Ö
1
£ MPa £ î ¨ ¦ ² ¦ Á ò Ó © á Ï Ö