地应力与裂缝有效性关系

Question

如题所述

Answer 1

地应力是控制储集层天然裂缝分布及水力压裂裂缝形态的重要因素。古构造应力场控制天然裂缝的形成、分布及发育程度；现代应力场则不仅影响天然裂缝目前在地下的赋存状态及有效性（开启情况和连通情况），而且控制了人工压裂裂缝的形态和延伸方向。

现今构造应力产生的构造裂缝为一组平行于最大主应力的张性裂缝或两组相互垂直的剪切缝，剪切缝的锐角平分线平行于最大主应力，各组裂缝的交线平行于中间主应力。在地层条件相同的条件下，两个方向的水平主应力数值差别越大，裂缝越发育。裂缝的开启状况可由裂缝开度来表示，其变化与缝面法线方向受力大小有关，而缝面法线方向受力取决于天然裂缝方向与现代应力场应力状态的关系。当天然裂缝方向与现代应力场最大水平主应力方向平行时，天然裂缝在地下的开度最大，连通性最好，裂缝对流体的导流能力也最强。当天然裂缝方向与最大水平主应力方向垂直时，裂缝开度最小，连通性最差，对流体的导流能力也最弱。当天然裂缝方向与最大水平主应力方向有一定夹角时，裂缝开度、连通性及对流体的导流能力居中，且夹角越大，对流体的导流能力也越弱。

现今构造应力方向的确定为油田开发过程中压裂提供依据，在压裂过程中，人工压裂缝总是沿着现代最大水平主应力方向形成（图5-32）。如果现今构造最大水平主应力方向与天然裂缝正交或斜交时易形成纵横交错的裂缝网，储层连通性变好，更大地改善储层渗流特性。反之，如果天然裂缝方向与最大主应力方向一致，不仅不能形成与天然裂缝正交或斜交的压裂缝，而且压裂液反而会将裂缝中的油气向地层内部推的更远，从而影响油气的开采。

图5-32 压裂缝延伸方向示意图

当构造张应力方向与裂缝走向的夹角大于45°时，张应力将改善裂缝的张开度，随着夹角的增大张开度将更大，有利于储集层的改善；当构造张应力方向与裂缝走向的夹角小于45°时，将减小裂缝的张开度，且随着夹角的减小而使裂缝的张开度更小，不利于储集层的改善。

在压裂设计中，裂缝的闭合压力值是一个重要的输入参数，它关系到支撑剂类型的选择，此外，它还影响裂缝导流能力的大小、压后产量预测及经济净收益等系列输出参数，最终影响到压裂设计方案的优选。

油层压开没有加砂，停泵时裂缝在井下的瞬时闭合的净压力，称为闭合压力。闭合压力的实质就是最小水平地应力（水平裂缝就是上覆地层压力），表达式为：

P_d=P_sId+P_H （5-45）

式中：P_d——裂缝的闭合压力，MPa；P_sId——油层压开没加砂，停泵时裂缝闭合在井口显示的压力，MPa；P_H——井内液柱压力，MPa。

需指出，如果将填砂闭合裂缝岩石的应变力考虑进去，那就更确切了。在计算闭合压力时，有人将破裂压力减去油井流动压力作为闭合压力，这是不妥的。只有最小地应力才能真实地体现出闭合压力，它是在当时孔隙压力与其抗衡状态下，由井内液柱压力加井口剩余压力反映出来的。破裂压力含有岩石强度，不论岩石有多硬，强度有多大，一旦压开，裂缝中填进砂子，没有外力作用砂子不会破碎。因此不能把岩石强度计入闭合压力。所以，裂缝闭合压力还可写成：

P_d=P_pd+P_H-（P_m+T） （5-46）

式中：P_m——井口到油层的全部摩阻，MPa；P_d——油层压裂缝闭合压力，MPa；T——油层岩石抗张强度，MPa；P_pd——瞬时关闭压力（地面），MPa。

由于射孔后的地应力分布比较复杂，根据断裂力学理论，在裂缝延伸轨迹的不同截面上，其闭合压力是不同的，沿裂缝的闭合压力为：

油气藏现今地应力场评价方法及应用

式中：l_rc、m_θc分别为径向应力、轴向应力和闭合压力的方向余弦。

图5-33 闭合压力压降分析曲线

（Nolte，1982）

蒋廷学（1999）认为利用常规瞬时停泵压力确定裂缝的闭合压力有较大误差，给压裂设计的最终优化决策产生误导，对该法进行必要的改进和修正：新方法借助压裂施工资料，尤其是瞬时停泵压力，采用模糊设计原理，并综合考虑了多种影响因素，诸如泵注排量、总施工时间、裂缝高度、压裂液效率、储层压力以及平面应变模量等，最终较为可靠地评价出裂缝的闭合压力值。具有较强的现场可操作性。

到目前为止，确定瞬时关闭压力的方法有近十种，如拐点法、切线法、双切线法、半对数法、非线性回归法（指数压力衰减法）、流量-压力法、低流量泵进法等。不同识别方法对闭合压力结果有不同的影响，所以如何能合理地识别水力压裂试验曲线上闭合压力点是十分重要的。

最近确定闭合压力的技术已经取代了瞬时停泵压力确定最小主应力的方法。其取决于油藏的流体滤失确定的闭合压力可用专门的图形，从该图形可分辨出几个压力转变时期的曲线斜率变化。在渗透地层，压裂液可以通过缝面滤失入地层，闭合压力可根据压降关井时间平方根或关井时间与泵注时间之和的平方根关系曲线，由线条出现偏离时推断出来（图5-33，Nolte，1982，1988a）。

F.Guo等人研究表明：P_w-lg（t+Δt）/Δt、P_w-lgΔt、lg（P_w-P_a）-Δt三种方法能够给出较为合理的闭合压力值。这里，P_w为井底压力；t为注入时间；Δt为停泵后起算的时间；P_a为井底压力的渐进值。对于P_w-lg（t+Δt）/Δt法来说，曲线的线性关系明显，闭合压力点易于识别，通常取曲线拐点处的压力值为P_d值（图5-34a）；对于P_w-lgΔt法来说，取曲线上开始偏离直线处的压力值作为P_d值（图5-34b）比较合理；lg（P_w-P_a）-Δt法（图5-34c）同样能够给出可靠的P_d值，只是在压裂试验曲线的第一注入周期上确定的P_d值偏低，应在后继注入周期上所确定的P_d值更趋合理些。

图5-34 水力压裂裂缝闭合压力的识别方法

（据F.Guo，et al.，1993）