地质力学分析技术是压裂设计的关键

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压裂地应力研究技术思路及流程
3、最大水平主应力和最小水平主应力
地下力学状态是岩石自重和构造侧向挤压双重作用的结果。地应力模拟应当考虑构造应力系 数导致的水平应力差，根据井壁破坏和岩石力学、地应力等之间的相互关系，精细计算和模拟真实 的地应力状态。
地质力学分析技术是压裂设计的关键
周永胜
哈里伯顿综合研究与一体化项目管理
汇报提纲
一、地应力研究对地层压裂的必要性 二、地层压裂地应力研究技术思路及流程 三、地层压裂地应力研究案例
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地层压裂地应力研究的必要性
1、地应力机制决定压裂缝的形态和规模
井周应力和破裂压力
地层压裂施工压力图
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地层压裂地应力研究的必要性
地层压裂缝的形态受以下主控参数影响：地应力机制、地应力各向异性、岩石力学（杨氏模 量和泊松比）和脆性、天然裂缝。
Reservoir Contact and Fracture Conductivity
*without consideration of shale anisotropy and hole cleaning
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压裂地应力研究技术思路及流程
7、井轨迹的优化
Hydraulic Fracture Complexity in Normal Faulting Stress Regime
Geomechanical Earth Model - Regional and/or local scale - Numerical stress analysis - WBS, Salt, Production, Sanding, Multi-stage frac, Geothermal, etc.
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地层压裂地应力研究的必要性
1、地应力机制决定压裂缝的形态和规模
两个例子：A)、四川威远地应力很强，接近逆断层应力机制，加之目的层页理发育，地层压裂微 地震监测大致呈水平裂缝；B)、彭页地区为走滑地应力机制，微地震监测水平井的压裂缝为垂直缝网。
威远X井微地震监测图（SHmax > Sv >≈ Shmin）
三维地质力学建模流程
三维地质力学模型
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压裂地应力研究技术思路及流程
5、三维地应力场模拟
在单井地应力研究的基础上，结合地震、构造、地质等资料，采用三维有限元模拟技术（FEM） 评估三维空间地应力分布。
Sv
Shmin
Pp
8
BRITTLE
YM PR
2
DUCTILE
0.18
0.35
Current Perf &Plug Practices © 2014 HALLIBURTON. ALL RIGHTS RESERVED. BASS
Natural Fractures
15
CobraMax DM CobraMax
CTSP HJAF
Shmin Shmin
Shale
Sand Shale
Depleted
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地层压裂地应力研究的必要性
2、地应力各向异性控制压裂缝的延伸
地应力纵向上受构造、岩性、矿物等因素变化明显。摸清三向地应力纵向变化规律和岩石力学 参数，评估地层的可压性，选择合适的压裂层段，是实现成功压裂的保证。
井周力学与垮塌崩落、张性裂缝关系 反演地应力参数大小 地应力参数剖面
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压裂地应力研究技术思路及流程
4、岩石力学参数
岩石力学参数（杨氏模量、抗压强度、泊松比、内摩擦系数等）砂岩和泥岩各自的力学性能差 异很大，选择与之岩性符合的力学计算模型，准确计算岩石力学参数，用实测数据进行标定和校验。
Shale Geomechanics Workflow
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1D/3D Geomechanics Model
17Fracture Geometry Identifying Fracability and
Optimal Multi-stage Frac Design
岩石力学参数 砂岩力学计算模型
泥岩力学计算模型
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压裂地应力研究技术思路及流程
5、三维地应力场模拟
一体化的三维静态、动态地应力建模技术（DSG）和分析流程，快速建立三维地质网格和有限 元网格，分析地应力状态在空间和时间的变化规律。
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压裂地应力研究技术思路及流程
2、上覆地层压力和地层孔隙压力
上覆地层压力：可根据对岩石密度积分获得； 地层孔隙压力：分析地层孔隙压力形成机理（欠压实、构造挤压、油气浮力、卸载、水热增 压），采用伊顿法、有效应力法、等效深度法、准确计算地层孔隙压力，并用实测压力进行校验 和标定。
SHmax
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压裂地应力研究技术思路及流程
In-situ Stress Regimes and Wellbore Instability*
6、井壁稳定性分析
Instability by Mud Window
Time-dependent Instability by Laminated and Fractured Weak Shale
General Geomechanics Workflow
1D Geomechanics - Drillworks Predict® - Geostress ® 3D Geomechanics - Presage® Pp Basin Modeling - Drillworks 3D® seismic-based
Pp
UCS
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压裂地应力研究技术思路及流程
1、地应力方向
地应力方向：井壁中崩落垮塌指示最小最应力方向，张性裂缝方向指示最大水平主应力方向。 分析四六臂井径、成像测井可准确分析地应力方向。
井周应力分布 四臂井径判断应力方向 成像测井分析地应力方向
压裂改造的油藏体积 （SRV）
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地层压裂地应力研究的必要性
6、天然裂缝的渗流能力受现今地应力控制
评估具有渗流能力的天然裂缝分布规律，可帮助设计合理的钻井轨迹钻遇渗透性裂缝，实现高 产稳产。
北美致密性油田裂缝渗流性能分析成功案例
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地层压裂地应力研究的必要性
7、地应力和岩石力学影响压裂压裂和支撑剂类型
地应力状态和地层岩石力学参数直接影响地层破裂压力和闭合压力，对地层压裂的规模（排量、 泵压）和支撑剂类型具有重要影响。破裂压裂值高需要大排量压裂车组，高闭合压力需要强度较大 的支撑剂。准确分析压裂层段的破裂压力和闭合压力，是地层压裂基础工作。
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最小水平主应力与地破试验和压裂数据差别较大
最小水平主应力与地破试验和压裂数据吻合较好 22
压裂地应力研究技术思路及流程
3、最大水平主应力和最小水平主应力
定量分析最大水平主应力的大小是地应力研究准确性的关键。岩心实验、测井公式计算等方 法均难以准确评估最大水平主应力的大小。定量分析井壁崩落、张性裂缝的发育程度与岩石力学和 钻井工程参数的相互关系，能够较准确反演最大水平主应力的大小
地应力各向异性对压裂效果的影响
来自百度文库
钻井轨迹对压裂效果的影响
Rich and Ammerman 2008
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地层压裂地应力研究的必要性
地应力技术在储层压裂改造中的应用
6、天然裂缝的渗流能力受现今地应力控制
地层压裂缝有效沟通具有渗流能力的天然裂缝，能够实现较好的压裂效果，形成较大的压裂体。
Illustration is the top 8 view of a vertical wellbore
地层压裂地应力研究的必要性
5、地应力空间各向异性影响压裂缝的延伸
对于构造复杂，发育大型断裂以及背斜、向斜构造，地应力强度和方向空间变化大。精细分析 地应力状态空间分布，可优选钻井井位、钻井轨迹。
地层压裂地应力研究技术思路及流程
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地层压裂地应力研究技术思路及流程
压裂地应力研究任务：
地应力模型参数
1、最大水平主应力方向； 2、三向地应力大小 3、地层孔隙压力 4、地层岩石力学参数 抗压强度、 杨氏模量、 泊松比、 内摩擦系数 5、地层脆性指数 6、地层压裂方案优化 钻井轨迹优选、 压裂井段优选 、 施工泵注压力、 支撑剂类型
地层及岩性
地应力剖面和可压性分析
易压裂 层段， 且缝高 易控制
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地层压裂地应力研究的必要性
3、近井筒地应力扰动影响压裂缝的延伸
在钻井中近井筒的应力状态将发生改变，使得在井筒附近压裂缝开裂位置可能并不垂直最小主 应力方向，但离井筒较远处压裂缝延伸方向将垂直最小最应力。
应力差异不明显
应力差异明显
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地层压裂地应力研究的必要性
2、地应力各向异性控制压裂缝的延伸
压裂缝总是避开高应力区，在较低的应力区延伸和发展。因此如果存在明显的应力差异，裂缝 延伸将受到有效地制约。
Original closure stress profile; Altered closure stress profile; 初始闭合压力剖面，初始裂缝 original fracture dimensions 压降后的闭合压力剖面及压裂缝 refrac fracture dimensions
汇报提纲
一、地应力研究对地层压裂的必要性 二、地层压裂地应力研究技术思路及流程 三、地层压裂地应力研究案例
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地层压裂地应力研究技术思路及流程
哈里伯顿拥有先进的地应力分析技术和软件系列，能够精细分析单井和区域地应力状态。专门 的地层压裂地应力研究流程，可定量评估地应力方向、三向地应力参数、岩石力学精细变化，帮助 优化页岩气地层压裂设计和施工。
低孔低渗油气藏需通过钻水平井和地层压裂来实现商业开采，现今地应力状态直接决定压裂缝 的形态和复杂程度。正断层机制条件下将产生垂直压裂缝，且易形成复杂缝网；走滑机制条件下产 生垂直的长条状压裂缝，不易形成压裂缝网；逆断层机制下将产生水平缝。
三种地应力机制 压裂缝方向和形态 压裂缝复杂程度
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Tortuosity (Near Wellbore Friction)
Rock Stresses Greater Than the Least Principle Rock Stresses (σmax)
Least Principle Rock Stresses (σmin)
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中石化彭页X井地震监测图（SHmax > Sv > Shmin）
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地层压裂地应力研究的必要性
2、地应力纵向各向异性控制压裂缝的延伸
压裂缝总是避开高应力区，在较低的应力区延伸和发展。如果存在明显的应力差异，裂缝延伸 将受到有效地制约。