岩石破坏可以分为以下几种情况(图5-3-1):(a)为单轴压力作用下的纵向破裂;(b)为围压下的剪切破裂;(c)为延性状态,出现多重剪切破坏面;(d)为拉应力作用下出现的拉伸破裂;(e)线荷载产生的拉伸破裂。
图5-3-1 岩石破坏情况[138]
(a)单轴压缩中的纵向破裂;(b)剪切破裂:(c)多重剪切破裂;(d)拉伸破裂;(e)由线荷载产生的拉伸破裂
岩石地应力状态是指地下岩石单元三轴应力大小和方向。地下岩石有三种基本地应力状态。不同地应力条件下,裂缝的产状不同(图5-3-2)。水力压裂形成张破裂,因而现今地应力大小及状态决定了张破裂的产状及扩展形式。
在不考虑有关层面及层理面和早期破裂面(天然裂缝)等力学结构面的条件下,不同地应力状态下,有下列张裂类型及扩展模式[139-141]:
(一)应力状态为σz>σr>σx时(图5-3-2-|a)
该应力状态下产生垂向张破裂,而且主扩展方向与σz平行。该类破裂,纵向扩展能力强,如果顶底盖层(塑性层)厚度小,可以造成穿层现象。该类破裂横向扩展能力相对较弱,即横向上裂缝半径相对较小。
当σx<0时为拉张盆地(或可能为背斜轴部)常见的应力状态如图5-3-2-I b。
(二)应力状态为ox>σr>σz时(图5-3-2-Ⅱ)
此种状态下,产生水平压裂缝,其扩展方向为径向,一般称为径向扩展型。该类破裂最可能沿地层中如层面、层理等近水平产状力学薄弱面破裂和扩展。
(三)应力状态为σx>σz>σy时(图5-3-2-Ⅲ)
此种应力状态下,也产生垂直张破裂,但其主扩展方向与σx平行。该类破裂的纵向扩展能力弱,所以顶底盖层不需要太大厚度即可以限制裂缝。这类破裂横向扩展能力很强,在相同条件下其比前一种应力状态产生的张破裂缝半长长近一倍多,这类井的压裂效果一般均为相对较好。
图5-3-2 基本地应力状态类型示意图[133]
统计文13,文200,文16油田的人工裂缝监测结果,可以得到研究区人工压裂裂缝的规模和形态特征(表5-3-1,表5-3-2)。
表5-3-1 文东油田水力压裂裂缝测量结果
表5-3-2 文13北高压注水裂缝测试结果
根据监测结果,一般情况下,压裂裂缝为一条,一般以井点为中心呈东西两翼展布,裂缝形态为垂直缝。综合以上分析,目标区文13,文200,文16块水力压裂裂缝方位为72°~146°,优势方位为72.5°。部分井的压裂缝延伸方向存在明显差异。这是由于天然裂缝和地应力的影响所致。