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1、第五章水力壓裂技術§5—1水力壓裂力學地層中形成水力裂縫的過程與液體流動特性及巖石的力學性質有關。水力造縫的本質是巖石在液體壓力作用下的破裂與變形問題,因此造縫特性與巖石的受力及力學性質有關。一.地應力場1.地應力場概念:地應力是由于巖石變形引起的介質內部單位面積上的作用力。地應力場:是指地應力大小和方向在地層空間位置的分布。2.地應力剖面概念地應力剖面是指研究地應力大小在縱向上的變化。二.地應力的類型(1)原地應力:開發(fā)之前地應力原始大小。(2)擾動應力:開發(fā)引起的地應力改變。(3)構造應力:由構造運動在巖體中引起的應力
2、。(4)殘余應力:除去外力后尚殘存在巖石中的應力。(5)重力應力:由上覆巖層的質量引起的地應力。(6)熱應力:由于地層溫度發(fā)生變化在其內部引起的內應力增量。(7)分層地應力:按地層分層給出不同的地應力。(8)古地應力和現(xiàn)今地應力:某地質時期或重要地質事件前的地應力稱古地應力。目前存在或正在活動的稱現(xiàn)今地應力。石油工程關心的是現(xiàn)今地應力。3.地應力測試1)長源距聲波與密度測井方法該方法通過測井取得剖面上變化的巖石的縱波速度和橫波速度,然后求出巖石泊松比的縱向變化,利用下式求出最小水平主應力σh,而取得地應力剖面。σh4—14
3、—2圖4—1水力壓裂測試典型壓力曲線式中:σv—上覆層壓力,通過密度測井得到。P—地層壓力;—孔隙彈性系數(shù),通過實驗測的。2)測試壓裂方法(現(xiàn)場常用)測試壓裂:是將不含砂的壓裂液注入地層,造縫后停泵側壓力降落曲線,待曲線上出現(xiàn)拐點后測試結束,出現(xiàn)拐點時相應的壓力即裂縫閉合壓力,其大小與巖層中垂直于裂縫面的應力值相等,也即就是地層最小主應力。如圖4—1所示。上圖中,產生人工裂縫后停泵,裂縫停止擴展處于臨界閉合狀態(tài),閉合壓力為Ps。25結論:可以認為,裂縫臨界閉合時,裂縫內的流體壓力等于裂縫閉合的最小地應力。由此可以計算出最小
4、地應力。4.地應力測量數(shù)據(jù)根據(jù)國家地震局地質研究所收集整理的渤海灣盆地油田水力壓裂地應力測量資料,在測量深度的范圍內,對地應力測量數(shù)據(jù)按深度進行線性回歸得到:遼河油田(497~3473m)大港油田(0~4000m)華北油田(1500~3200m)勝利油田(1300~3300m)中原油田(1830~3881)式中:σH、σh、σv—分別為最大、最小、垂向地應力,Mpa,D—地層深度,m。二.巖石力學參數(shù)1.彈性模量(楊氏模量)E彈性模量E就是虎克定律中的比例常數(shù)。物理意義:彈性體應力與應變的比值。彈性體單位截面積上的彈性力稱
5、為應力,單位長度上的變形成為應變。彈性模量對造縫寬度及壓裂壓力有較大影響。彈性模量表達式:靜態(tài):動態(tài):式中σz—軸向應力;εz—軸向應變;ρ—巖石密度;,—巖石縱、橫波速度。進行壓裂設計時,砂巖彈性模量的取值范圍為1×104~4×104MPa。2.泊松比25泊松比:指巖石橫向應變量與縱向應變量的比值,或叫橫向變型系數(shù)。巖石在外力作用下,縱向上產生伸長的同時,橫向上縮小。其橫向縮小應變量與縱向相對伸長應變量之比。泊松比表達式靜態(tài):動態(tài):式中—周向應變。巖石的泊松比取值范圍為0.15~0.35.彈性模量E、泊松比都是反映巖石材
6、料彈性特性的參數(shù)。3.斷裂韌性模擬裂縫延伸時,引用了線彈性力學中應力強度因子的概念,它反映了裂紋尖端附近區(qū)域內各點應力的強弱。當應力強度因子增大到某一臨界值時,巖石的裂縫將發(fā)生急劇的不穩(wěn)定擴展。巖石應力強度因子的臨界值稱為巖石的斷裂韌性。它決定了裂縫在延伸過程中所需的力。斷裂韌性是水力壓裂設計中一個關鍵參數(shù),試驗求得。常溫常壓下求得的砂巖斷裂韌性值一般在0.5~3.0MP·m1/2范圍內。4.孔隙彈性系數(shù)(畢奧特系數(shù))它反映了孔隙壓力對巖石變形的影響,也是求水平地應力的一個重要參數(shù)。定義為:式中Cb—巖石的體積壓縮系數(shù);C
7、g—巖石顆粒(骨架)的壓縮系數(shù)。實驗室中測得砂巖的孔隙彈性系數(shù)一般在0.6~0.9之間。5.巖石抗張強度S巖石抗張強度是巖石本身的一種性質。巖石處在復雜的應力狀態(tài)中,只要所受的拉伸或剪切應力等于巖石材料本身的抗張強度時,巖石即發(fā)生破壞。巖石的主要破壞類型有拉伸、剪切和塑性流動破壞。對于脆性巖石主要發(fā)生拉伸和剪切破壞,對于塑性巖石主要發(fā)生塑性流動破壞。石油工程中最常見的是脆性破壞。作業(yè)思考題:1.地應力是怎樣概念的?2.什么是巖石的彈性模量和泊松比?寫出數(shù)學表達式?25§5—2造縫機理一.地應力及其分布一般情況下,地層中的巖
8、石處于壓應力狀態(tài)。作用在地下巖石某單元體上的應力為垂向主應力σz,及水平主應力σH(其中又分為互相垂直的σx及σy)。(一)地應力1.作用在單元體上的垂向應力來自上覆巖層的重量。它的數(shù)值為:(5—1)式中σz——垂向主應力,Pa; H——地層垂深,m;g——重力加速度(9.81m/s2);ρs——上覆層