水力压裂机理原理与优化分析

自1947年水力压裂技术首次在美国堪萨斯州Hugoton气田试验性应用以来，岩石介质中的压裂裂缝启裂、裂缝扩展机制、水力压裂压裂液、支撑剂等一系列问题得到了广泛而深入的研究。在压裂裂缝启裂、裂缝扩展方面，Hubbert和Willis（1957）提出了第一个破裂压力的计算公式，该公式在上述假设下，应用了太沙基（Terzaghi）有效应力，故后人称为H-W公式。

国内学者亦对上述问题开展了研究。黄荣樽（1981）综合国外关于水力压裂裂缝的启裂和扩展的研究，提出了垂直裂缝和水平裂缝的启裂判据，并分析了影响裂缝延伸方向的各种因素。他认为裂缝的形成主要决定于井壁上的应力状态，而确定和影响应力状态的因素有地壳应力、地层的孔隙压力、井内液体压力、压裂液向地层中的渗滤流动以及被压裂地层的机械物理性质。刘翔鹗等（1983）指出油层水力压裂中除产生垂直于最小主应力的主裂缝外，还可产生其他方位的斜平缝、斜垂缝，这类裂缝的产生与井壁应力的变化有关，即在水力压裂中除存在张力裂缝外，在某些地应力条件下还存在以切应力为主的裂缝。在压裂施工中，如采用多次重复加压而不改变原地应力状态，可使已产生的裂缝继续延伸；如改变原地应力状态，则可形成新形态的裂缝。据此可提出“震动压裂”的概念，即可多次重复加压以扩展或增多裂缝，达到提高增产效果的目的。蒋惺耀等（1983）从力学模型、射孔、局部构造射孔应力场，岩层产状以及孔隙压力等诸多方面进行了系统的研究，提出射孔是调节破裂值，控制造缝初始方位和造缝形态，影响造缝效果的重要工艺措施，并对破裂压力预测公式进行了修正。李宾元（1984）基于断裂力学对油气井“水力压裂”的破裂压力分析，以二维弹性孔板理论为基础，应用线弹性断裂力学理论，对油气井水力压裂作了理论分析，得出了计算岩石破裂压力的公式。黄荣樽（1984）对地层破裂压力预测模式进行了探讨，从存在地质构造力而产生非均匀地应力场的一般情况出发，分析井壁岩石呈现破裂的应力条件，以及考虑地层本身的强度性质提出了新的预测模式，并对模式中所包含的各项参数的确定方法进行了分析讨论。吴继周等（1990）利用线性四步法求解了水力压裂裂缝几何形态的数学模型，从而求得了裂缝各截面的高度、宽度和压力，通过大量计算，对影响裂缝几何形态的因素进行了分析，指出地层参数和施工参数都不同程度地影响裂缝的几何形态，主要影响因素有油层厚度、地层应力、杨氏模量、注入速度、黏度。李同林（1994）对水压致裂煤层裂缝发育特点进行了研究，通过大量煤岩力学性质测试，证实了试验区目的层煤岩弹性模量低、泊松比较高、脆性大、易破碎、易压缩，还得出了目的层煤岩Mohr断裂准则二次抛物线型包络线，煤层水压致裂裂缝形式判断条件，裂缝开裂角方位的计算公式以及有关结论。王仲茂和胡江明（1995）对水力压裂裂缝形态进行了研究。

乌效鸣（1995）对煤层气井水力压裂裂缝产状和形态进行了研究，定性分析得出5种有代表性的煤层裂缝形态，即恒高椭圆截面缝、恒高矩形截面缝、径向扩展垂直缝、径向扩展水平缝、变高型裂缝。阳友奎等（1995）据岩石断裂力学理论，证明了水力压裂裂缝具有与缝内压力分布无关的椭圆形自相似扩展特征，在此基础上，结合断裂力学与流体力学给出了水力压裂裂缝内压力分布的近似解析解。李同林（1997）运用弹性力学理论和材料强度理论，对煤层各向同性体水力压裂造缝机理进行了深入探讨，认为形成裂缝的关键因素是地应力及其分布和岩层力学的固有特性，压裂液的性质和注入方式同时也对裂缝形成有一定的影响。杨天鸿等（2002）研究了非均匀性对岩石水压致裂过程的影响机理，得出岩石不均质性导致产生不规则的水压破裂路径，以及岩石的不均质性对破裂的开始压力和失稳压力有很大影响的结论。邓广哲等（2004）对煤岩水压裂缝扩展行为特性进行研究，采用地应力场控制地下水压致裂的方法，通过来自铜川矿区的9块大型煤块试件，研究了水压裂缝扩展行为的控制参数。周健等（2007）采用大尺寸真三轴实验系统，探讨了天然裂缝与水力裂缝干扰后水力裂缝走向的宏观和微观影响因素，分析了压力曲线，提出了天然裂缝破坏准则，总结了不同地应力状态下裂缝的形态。杜春志等（2008）分析水力压裂时煤层裂缝的扩展特征，根据最大拉应力准则，分析了空间壁面裂隙扩展的力学条件。杨焦生等（2012）采用大尺寸（300mm×300mm×300mm）真三轴试验系统对煤储层裂缝形态进行测试（图1-2），研究了地应力、天然割理裂缝、隔层及界面性质对沁水盆地高煤阶煤岩水力裂缝扩展行为和形态的影响。

图1-2　煤储层压裂裂缝延展室内实验特征（杨焦生等，2012）

王素玲等（2012）采用扩展有限元法定量分析裂缝扩展机制，并采用白光散斑实验对低渗透储层砂／泥岩界面的裂缝扩展进行了实时跟踪。赵金洲等（2012）基于室内实验和矿场压裂，认为裂缝性地层水力裂缝在近井区域可能扩展为复杂的径向缝网，这与均质地层水力压裂产生的平面对称双翼裂缝具有显著的差异。基于弹性力学和岩石力学理论，考虑天然裂缝与射孔孔眼相交的情况，结合张性启裂准则，建立了裂缝性地层水力裂缝沿天然裂缝张性启裂的压力计算模型。程远方等（2013）对应力敏感条件下煤层压裂裂缝延伸进行了模拟研究，以清水为介质对晋城煤田煤样采用围压恒定不变、孔隙压力渐变的方式进行了应力敏感实验，分析了净围压与渗透率之间的关系，考虑渗透率动态变化对压裂液滤失的影响，推导了煤层压裂滤失系数计算方程，建立了应力敏感条件下煤层压裂裂缝延伸模型并提出了求解方法。宋晨鹏等（2014）分析了天然裂缝对煤层水力压裂裂缝扩展的影响。通过建立压裂裂缝遇煤岩交界面的二维模型，采用理论分析结合数值模拟的方法，对煤岩交界面的破坏机理及压裂裂缝扩展规律进行研究。许露露等（2014）以沁水盆地安泽区块煤储层为例，建立了水力压裂裂缝扩展模型，并对该模型的现场应用进行了研究。程亮等（2015）研究了倾斜煤层水力压裂启裂压力计算模型及判断准则。根据最大拉应力理论，分析真实环境下倾斜煤层压裂钻孔周围应力状态，建立压裂钻孔周围煤岩体启裂压力计算模型及判断准则，认为启裂压力随煤层倾角增大而增大，钻孔启裂位置随煤层倾角增大逐渐向走向方向偏转。Veatch（1983）对煤储层压裂裂缝延展与地应力关系进行了研究（图1-3）。(www.zuozong.com)

图1-3　煤储层压裂裂缝延展与地应力关系（Vertch，1983）

在支撑剂和压裂裂缝导流能力方面。王鸿勋和范承亚（1981）对水力压裂中加砂方式进行了研究。范承贵等（1989）对树脂涂层砂在压裂上的应用进行了探讨。黄志文等（2005）还对携砂液在裂缝中的流动阻力理论进行了分析，从理论上建立了求解裂缝中含砂液流动阻力的计算模型。胡景宏等（2008）详细分析了支撑剂运移回流的物理过程，通过对注入的最后一段支撑剂中的单颗粒支撑剂的受力分析，建立了支撑剂回流的运动模型和起动模型。张鹏（2011）对煤层气井压裂液流动和支撑剂分布规律进行了研究，分别建立了支撑剂沉降模型、水力压裂温度场模型、压裂液滤失模型、支撑剂输运模型，还建立了一套综合考虑支撑剂的沉降、温度、滤失等因素的支撑剂运移分布数值计算方法。邹雨时等（2011）进行了中—高煤阶煤岩压裂裂缝导流能力实验研究。张芬娜等（2013）基于Kozeny的毛细管岩石模型，建立了受煤粉影响后产气通道渗透率的模型，分析煤粉对产气通道渗透率和导流能力的影响，在以往渗流观点的基础上，研究煤层气沿产气通道的渗流模式，依据该渗流模式运用分段方法建立煤储层整体压降模型，探讨煤粉对煤层气井产气潜能的影响。杨尚谕等（2014）研究了煤层气水力压裂缝内变密度支撑剂运移规律，讨论了压裂液黏度、裂缝壁面、排量和支撑剂密度等参数对缝内铺砂浓度和有效支撑缝长的影响规律，分析了超低密度支撑剂在不同围压和温度工况下的破碎率。

在压裂液滤失方面。席先武和郑丽梅（2001）通过考虑煤层物性的应力敏感性，对石油上成熟的压裂液滤失系数计算公式进行了修正，初步探讨了煤层压裂时计算滤失系数的方法。李勇明等（2005）建立了裂缝性储层压裂液滤失计算的数学模型，采用正交变换法给出了模型的精确解，并讨论了其收敛性。王童等（2008）对水力压裂中滤失模型进行了研究。蒋海等（2008）就裂缝面滤失对压裂井产能的影响进行了分析，根据对压裂液滤失量及滤失深度的推导，得出了一套考虑压裂液滤失的表皮系数简单计算方法，同时考虑了造壁和非造壁两种情况下的滤失模型，并以拟稳定条件下压裂井产能预测模型为基础，就裂缝面滤失伤害对压裂井产能的影响进行了研究。宋佳等（2011）进行了煤岩压裂液动滤失实验研究，提出了新的煤岩压裂液动滤失实验方法，得出了煤岩压裂液滤失的特征：煤岩压裂液滤失量偏大、滤失实验曲线没有明显的分段、初始滤失量有负值的情况。韩金轩等（2014）将裂缝的动态渗透率和煤储层裂缝-孔隙型双重介质的特性结合，建立了煤储层压裂液的滤失模型。

在压裂裂缝延展控制因素方面。朱宝存等（2009）对煤岩与顶底板岩石力学性质及对煤储层压裂的影响进行了研究。唐书恒等（2011）研究了地应力对煤层气井水力压裂裂缝发育的影响，并采用数值模拟方法，求解了不同地应力条件下井壁处及天然裂缝缝端的破裂压力，分析了地应力对水力压裂启裂压力、启裂位置的影响。刘会虎等（2013）探讨了影响煤层气井压裂效果的主要因素，提出了以保证煤层气井压裂效果为前提且兼顾煤层地应力分布的压裂工艺优化方案。何俊铧等（2014）就不同原生裂缝壁面特征对煤储层压裂造缝的影响进行了对比分析。范铁刚和张广清（2014）对注液速率及压裂液黏度对煤层水力裂缝形态的影响进行了研究，认为随着注液速率及压裂液黏度的增加，水力裂缝复杂程度降低，形成平直单裂缝。李树刚等（2015）就地应力差对煤层水力压裂的影响进行了研究，采用RFPA数值模拟软件对不同地应力差下破裂压力和裂缝延伸的变化规律进行了研究，得出地应力差大于4MPa时，最大地应力方向主导裂缝延伸方向；地应力差小于2MPa时，裂缝形态趋于复杂；地应力差越大，裂缝形态越单一，方向性越显著，主裂缝延伸范围越大。