探讨油田页岩水平井压泵裂裂缝延伸规律

赖欣 宋锐 杨兆津

摘 要：随着社会主义经济的快速发展，人们对石油的需求逐渐增多，因此石油开采逐渐的被广泛的关注，而水平井压裂能提高油田页岩气藏的产量，其中裂缝延伸是水平井压泵裂技术的重要组成部分，它对低渗透油气的开发有着很好的效果，因此，本文就油田页岩水平井压泵裂裂缝延伸规律进行研究，让水平井压裂的效果得到进一步的提高，促使油田得到更好的开发利用。

关键词：页岩气藏;水平井压裂;裂缝延伸

前言：

页岩气储层和常规的气藏相比，页岩气藏在射孔后必须要压裂后才能获得工业气流，在压裂的过程中，裂缝会随着压裂液的注入会同时向不同的方向延伸，目标层会在压力下产生导流能力油气通道，而裂缝的延伸也会因一些因素而受到抑制，但它会形成一定的规律，因此，本文就二维模型、拟三维模型以及三维模型对水平井压裂裂缝的延伸规律进行研究，促使油田开采出更多资源，进而为人们提供更好的生活条件。

一、裂缝扩展的判断依据

可以把裂缝视为理想线弹性体，但实际情况中，在裂缝的最顶端，应力会高度的集中，就会产生塑性区域，塑性区会让破裂判断发生变化，其表现为虽然净压力增加了，可裂缝向前延伸的速度则变得较为缓慢，且脱纱现象严重，这为施工的顺利实施产生了不利的影响，塑像越强，则脱纱越快，当地层岩性不同时，其裂缝的延伸规律也会有所不同。另外，外部的载荷会影响裂缝顶端的应力，当外部存在载荷时，裂缝顶端的应力就会无限的放大，这种现象叫做应力场的奇异性，但要注意的是，裂缝的延神与否，不能用应力的大小来判断，而应力强度因子的概念则因此产生。

（一）裂缝应力强度因子K

应力强度因子理论：Irwin提出了应力强度因子这一参量，并建立了应力强度理论体系，根据该理论当弹性体受到外部作用时产生裂纹，裂纹的应力强度因子超过裂纹时，裂缝就会出现失稳扩展现象。根据Irwin理论，当材料产生裂纹时，可将裂缝分为：张开型、错开型、撕开性三种类型，这三种裂缝类型迭加就可以得到任意的裂纹变形状态，这些都被称之为复合型裂纹，在Irwin理论中，当r发生变化时，裂缝顶端的应力也会发生变化，r是某点和裂缝顶端的距离，因此张开型裂缝的裂端应力可表示为：υij=                 fij（θ），其中fij是与裂端坐标相关的函数;r裂缝顶端的距

离，K是张开型裂缝的应力强度因子，对于二维裂缝来说，张开型裂缝的应力强度因子可表达为：K=PN        [     sin-1（       ）]其中，K为张开型裂缝的应力强度因子，PN为裂缝的净压力，a为裂缝的湿区，L为裂缝的长度。在水利压力过程中，张开型裂缝出现的较为普遍，但在特定区域中也会出现混合型裂缝。

（二）岩石的断裂韧性

根据Irwin中的断裂理论，当破裂载荷在裂缝边远的应力强度因子，在裂缝扩展时，会受到周围岩石的断裂韧性所控制，要是应力强度因子的值大于或者等于周围岩石的断裂韧性的时，其裂缝就会产生延伸。断裂韧性是材料最常见的性质常数，普通的巖石与微裂纹的岩石进行对比，特闷的断裂韧性会随着情况的变化而产生变化，就脆性材料来说，微裂纹的岩石的裂纹屏蔽会产生增韧的效果。微裂纹岩石既有优点，也有缺点，优点是在裂纹扩展时期驱动力会被减少，缺点是：它的材料会被产生损伤，其性能也会因此产生一定的影响，而断裂韧性也会相对的减少。

二、水平井压裂裂缝起裂的数学模型

（一）水平井井筒应力分布数学模型

假设岩石处于线弹性状态，不考虑岩石与压裂液的物理化学作用，且水平井井筒满足应力迭加原理，根据坐标交换在（x，y，z）坐标系中水平井井筒周围的正应力和剪应力的分量为：σxx=σv，σyy=σHsin2β+σhcos2β，σz=σHcos2β+σhsin2β，σyz=（σh-σH）sinβcosβ，τxy=τzx=0

（二）岩石破坏准则

由于裂缝产生的准则较多，而张应力破坏准则是运用最广的一种，该准则的主应力分布对裂缝的起裂角度以及起裂压力都有着决定性作用，其中σ1，σ2，σ3三个主应力，σ3在井壁中的张应力为负值，求出最大拉伸应力，并得出裂缝的起裂位置坐标θ，并根据张应力的破坏准则，当井壁处在Z-θ平面上的最大拉伸应力达到最大抗拉强度σ1时，岩石破裂，即：θmax（θ0）≥θt.

（三）模型分析及求解

水平井井筒方位在0°到45°之间，其最小水平主应力越大，则对应的起缝压力越小，在45°到90°之间，最小水平主应力越大，则对应的起缝压力越大，因此，水平井井筒的方位不同，则最少水平主应力对起缝压力的影响也会有所不同，在同一主应力，随着方位的不断增加，其破裂压力随之减小，在水平井筒的方位为0°时，最不容易起裂，在水平井筒的方位为90°时，则最容易起裂。

三、水平井压裂裂缝延伸规律

常见的裂缝延伸模型有二维模型、拟三维模型以及三维模型，二维模型只能模拟小型压裂裂缝延伸，拟三维模型通常适用于平面单层设计计算，三维模型适用于复杂的裂缝几何形态，能够准确的给与注入条件的裂缝几何形状，因此，要想发现裂缝延伸的规律，就要根据地层的实际情况，选择合适的裂缝延伸模型。

（一）水平井压裂缝延伸模型对比

常用的三种模型中，二维模型的缝长和缝宽都偏大，这是因为二维模型的加深的裂缝高度的常数是不变的，并采用简化的滤失模型;拟三维模型的裂缝逢高和缝长的计算都偏大;三维模型与Fracpro-PT软件计算的结果具有很好的一致性，在地层复杂油层较薄的情况下，三维模型能较好的模拟裂缝颜延伸。

（二）产层和隔层对裂缝缝高的影响

由于水平井的地层较为复杂，导致油层较薄或者产层和隔层的应力差变小时，就会致使裂缝在进入隔层外的水层时，其压裂失败。另外，随着盖层和产层的应力差升高，裂缝的高度就会明显的下降，当产层和隔层的应力差大于5MPa时，裂缝会被控制在产层内，由此可见，产层和隔层之间的应力差裂缝的缝高产生了重大的影响，此外，这为人们控制裂缝的缝高提供了强有力的依据，这为油田产业的发展奠定了坚实的基础。

结语：

当油田页岩地层岩性不同时，裂缝的延伸规律也会发生变化，塑像越强则脱纱越快。常见的裂缝延伸模型有二维模型、拟三维模型以及三维模型，二维模型只能模拟小型压裂裂缝延伸，拟三维模型通常适用于平面单层设计计算，三维模型适用于复杂的裂缝几何形态，在地层复杂油层较薄时，能很好的模拟出裂缝的延伸情况，而二维模型、拟三维模型对这一裂缝延伸情况模拟均存在一定的误差。

参考文献：

[1]亓倩，朱维耀.复杂压裂缝网页岩气储层压力传播动边界研究[J].工程科学学报，2019，41（11）：1387-1396.

[2]杨兆中，李扬，李小刚等.页岩气水平井重复压裂关键技术进展及启示[J/OL].西南石油大学学报（自然科学版）2020（01）：1-12.

[3]马天寿，彭念，陈平等.页岩气水平井井壁裂缝起裂力学行为研究[J/OL].西南石油大学学报（自然科学版）2020（01）：1-13[2020-01-06].