水力压裂裂缝形态的影响因素研究

[摘 要]水力压裂所形成的裂缝形态是影响油气井增产增注的主要因素，而水力压裂施工所形成的裂缝形态各异，受很多因素的影响，包括天然因素和施工因素。天然因素主要有地应力、天然裂缝等；施工因素主要包括了射孔和排量。其中地应力是决定裂缝走向的重要条件，天然裂缝和水力裂缝相交后会对水力裂缝的走势造成一定的影响，而射孔的施工会影响地应力的分布，其他的那些因素或多或少的影响着裂缝的延伸，裂缝形态是上述因素综合影响的结果。通过对水力压裂裂缝形态的研究，对以后不同地层的压裂施工所形成的裂缝形态可以提前猜想，从而得到更有利于增产增注的裂缝形态。

[关键词]水力压裂；裂缝形态；天然因素；施工因素

中图分类号：TE357.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0314-01

在目前的油田条件下，高含水、低渗透和稠油等不利条件都或多或少的存在于大部分的油水井中。注水井增注和油气井增产的一项重要的技术措施就是水力压裂，而且这些问题都可以通过水力压裂来解决，在油气层内部形成足够长度的高导流能力的填砂裂缝就是水力压裂的目标所在，使油气水在裂缝中比较畅快的流动，摩擦阻力也比较小，以此来提高增产增注的效果。而判断水力压裂的增产效果好与坏的主要依据就是水力压裂所形成的是水平裂缝还是垂直裂缝，所以研究和判断水力压裂裂缝的有效方法是十分重要的，然而只有了解了裂缝形态所形成的影响因素，才能更好的判断和解释裂缝的形态。

1、天然因素对水力压裂裂缝形态的影响

地应力一般分为三个主应力，这三个主应力与水力压裂施工所需要的破裂压力以及裂缝破裂的方向都是直接相关的，水力裂缝发生和延伸的平面一般是与最小主应力相垂直的平面。如果压裂裂缝是垂直的，那么水平主应力为最小值；当最小值是垂向主应力时，人工水力裂缝将扩展为水平缝。水力裂缝总是沿着阻力最小的方向发生及扩展，也就是说在垂直于最小主应力的平面上产生和延伸。因此在油水井进行压裂施工时，油层中水平主应力与垂向主应力的相对大小决定了在油层中出现何种形态的裂缝（假设σx>σy），即在σx>σz>σy或者σz>σx>σy这两种情况下时，水力压裂会产生垂直的裂缝；在σx>σy>σz这种情况之下，水力压裂会生成水平的裂缝；在σx>σy≈σz的情况下，可能生成的是水平和垂直之间的裂缝。

人工裂缝在延伸的过程中可能会与多条天然裂缝发生交割，而天然裂缝和人工裂缝发生的每次交割都会经历两个过程：首先是和天然裂缝发生联通，在裂缝的延伸端应力场发生奇异性的消失；接着通过压裂液的不断积累来提高裂缝内的压力值，当有新的裂缝产生时，也就是静压力值与岩石的抗拉强度极限相等了，与此同时裂缝的延伸端奇异性的增加，所需要的延伸压力值开始逐渐的降低，然而在裂缝不与天然裂缝发生交割情况下应力场奇异性的增加速度远远大于这种情况下的增长。如果延伸点应力场的奇异性会因为天然裂缝的密集发育而减弱，那么需要提高静压力值Pnet（人工裂缝延伸所需要的静压力值）来补偿KⅠ（人工裂缝和天然裂缝发生交割后，人工裂缝延伸端的应力强度因子KⅠ=гPnet），以保证裂缝延伸的进一步进行。在这样看来，非裂缝性储层人工裂缝延伸所需要的静压力值明显的低于裂缝性储层，如果采用提高压裂液注入地层压力的方法，来保证人工裂缝再一次的起裂和延伸，则会使得裂缝克服储层的高度有所增加，同时也会增加裂缝延伸的长度，有效的裂缝面积会减小；同时压裂施工在技术上的困难大大的增加了。

2、施工因素对水力裂缝的影响

射孔孔眼在压裂施工的过程中是井筒和裂缝发生流体流动的一个通道，射孔孔眼是水力裂缝起裂以及延伸扩展的开始，因此，研究裂缝起裂与形态的一个十分重要影响因素就是射孔。射孔方位就是指最大水平地应力的方向与射孔方向的夹角。

王祖文等[1]利用大型的真三轴压裂模拟实验系统，进行了相关的实验研究。研究表明：在三向地应力和射孔数一定的情况下，不仅是破裂的压裂取决于射孔的方向，而且裂缝的形态也取决于射孔的方向。最佳的射孔方向为0°-30°，因为在此方向范围内形成裂缝的破裂压力比较低，而且产生光滑平整的裂缝壁面，形成的裂缝是一条具有一定高度、宽度和长度而且十分平整的大裂缝，以至于大尺寸的支撑剂都可以顺利的加入，且砂堵不容易发生，这很有利的提高了压裂的成功率以及压裂的效率。形成裂缝的射孔方向如果是45°、60°和75°，那么裂缝会重新定向，裂缝难避免会粗糙不平，导致压裂液流动的摩阻比较大，升高了裂缝的延伸压力，以致裂缝的宽度比较小，砂堵的情况也容易发生，压裂的施工效果势必会被影响。

水力裂缝并不一定会沿着定向射孔的方向发生延伸，在最大地应力的方向和射孔的部位第一主应力均较大是出现这一现象的主要原因；第一主应力在哪个部位更大，也就是水力裂缝发生起裂的部位。显而易见，影响裂缝起裂部位的是最大地应力的方向与定向射孔方向的夹角以及远场地应力的差值，也就是说在远场地应力是一定的情况下，不断的增大最大地应力方向与定向射孔的夹角，临界夹角总是会出现的，在临界夹角下，最大地应力与定向射孔的方位处第一主应力的大小是相等的。在最大水平地应力和定向射孔的方向处，有大小相等的第一主应力，这就说明了在这两个位置水力裂缝均有可能发生起裂。就有可能形成两条水力裂缝，一条裂缝是从定向射孔处起裂，另一条从最大地应力的方向处起裂，其中，类似于锯齿状的水力裂缝形成于定向射孔处，而比较规则的垂直裂缝总在最大地应力方向所产生的。因而，形状复杂的双裂缝就是在这种情况下形成的。

通常情况下认为为了提高裂缝延伸的距离在开发页岩油气藏时可以采用大排量的压裂技术，但由于压裂液量与压裂泵工作能力的限制，一般很少可以采用大排量。侯冰等[2]通过一系列的试验证明：在水力压裂的施工中可以采用变排量的方法进行压裂，在刚开始的阶段，随着逐渐升高的压力，会产生多个待破裂点在井筒周围的弱面附附近，水力裂缝会随着排量的突然提高而沿着多个待破裂点呈现动态分叉的进行扩展。阶梯式的升高排量，会产生一系列的效果，泵压会明显的升高，随着排量的越来越大，泵压的波动也会越来越大，天然裂缝和水力裂缝的沟通形态会形成的越复杂，水力裂缝的进一步的沟通程度会受到缝内静压力与天然裂缝产状的影响。该试验的结果证实了，变排量可以有助于激活更多个天然裂缝，导致复杂裂缝网络的形成。

3、结论

地应力对于裂缝形态主要影响的是裂缝的走向，垂直缝、水平缝或者有一定角度的裂缝，随着最小应力差的增加，裂缝的高度有减小的趋势，但裂缝的长度会明显的变长；当水力裂缝和天然裂缝相交之后，水力裂缝可能会不改变方向直接穿过天然裂缝，也可能是两者联合在一起或者水力裂缝分出来的一部分沿着天然裂缝裂缝延伸。射孔方位的不同直接影响着起裂压力，最佳的射孔方向为0°-30°，在此范围内的破裂压力比较低；对于射孔完井的井筒，水力裂缝首先会从射孔起裂，在远场会受到地应力的影响形成转向裂缝，也可能从微环隙起裂；定向射孔的井，可能从射孔处和最大地应力方向同时起裂，形成两条水力裂缝；在水力压裂的过程中不必从一开始就用最大的排量进行压裂，用慢慢增大的排量也可以达到同样的效果，得到同样的裂缝。

参考文献

[1] 王祖文，郭大立，邓金根，赵金洲，曾晓慧. 射孔方式对压裂压力及裂缝形态的影响[J]. 西南石油学院学报，2005，05：57-60+7-8.

[2] 侯冰，陈勉，程万，谭鹏. 页岩气储层变排量压裂的造缝机制[J]. 岩土工程学报，2014，11：2149-2152.