大尺寸真三轴水力压裂模拟与分析.pdf

第19卷增袱岩石力学与工程学报19(增):868--872
2000年6月ChineseJournalofRockMechaniOSandEngineeringJu二，2000

大尺寸真三轴水力压裂模拟与分析

陈勉鹿飞金衍
(石油大学北京102200)

摘要采用大尺寸真三轴模拟试脸系统模拟地层条件，对天然岩样和人造岩样进行水力压裂裂缝扩展机理模拟实
脸，并实现对裂缝扩展的实际物理过程进行监侧，讨论了地应力、断裂韧性、节理和天然裂缝等因素对水压裂缝扩
展的影响。
关锐调水力压裂，棋拟实验，岩石力学
分类号TD315*.3文献标识码^文章幼号1000-6915(2000州卜0868-05

些简化的模型不能正确地反映深部地层水力裂缝的
1引言扩展规律，因此常常导致压裂作业的结果与实际情
况有很大差异。
水力压裂自1947年在美国首次试验成功后，作
但是，除一些特殊情况之外，现场水力裂缝的实
为油气增产的主要措施之一己被广泛应用于现代石
油工业中，对低渗油气藏的生产起了重要的作用。同际形态是不可能直接观察到的，而且尚无有效的测
试方法，本文采用室内模拟压裂试验的方法对裂缝
时，水力压裂还发展成为测定深部地层原地应力的
最可靠方法之一。在地热资源的开发、核废料的储存的扩展机理进行研究。
等领域也得到了重要应用。因此，水力压裂技术具有目前国内外水力压裂实验研究主要有以下几种。
重要的工业价值和经济效益[G]。水力裂缝的几何形(1)裂缝形态的直观试验。方法是用有机玻璃等
态是影响压裂处理效果的主要因素之一经济有效透明材料做为试样，便于直接观察裂缝扩展的过程
的压裂，应尽可能地让裂缝在储层延伸，并且应防止和形态。法国石油研究院(IFP)曾做过这类试验121.
裂缝穿透水层和低压渗透层。这就要在深刻认识裂Thiercelin等人131采用高速照相机拍摄裂缝扩展过
缝扩展规律的基础上优选压裂作业参数，并采取有程，并用于扩展速度的分析。当试样为均质材料时，
效措施控制裂缝的扩展。但是，现场作业表明，水力水力裂缝的缝长剖面和缝宽剖面形态近似为椭圆。
压裂的效果往往不是十分明显，有时由于穿透隔层但这一结论在裂缝穿过材料性质不同的隔层及不同
而导致失败，尤其当存在高压底水层时，如果裂缝贯的水平地应力层时是不适合的。
穿水层，不仅导致压裂作业失败，还将造成油层压力(2)非固结表面对裂缝垂向扩展的影响。主要是
体系的破坏。水力压裂作业失败的一个主要原因是研究界面性质的影响。Thiercelin指出当裂缝与界面
未能对裂缝的几何形态实现有效地控制。这说明对相交时可能有四种情况:裂缝可能穿过、停留(止
水力裂缝的扩展机制以及影响裂缝扩展规律的因素裂)、拐弯或者转向.Andersonl'l,Teufe1161用两块材
的认识还是十分有限的，因此迫切需要对水力压裂料做成试样，通过改变垂向压力和在界面添加润滑
理论进行深入地研究。剂来改变界面间的摩擦力，研究不同摩擦力条件和
在现阶段，由于对水力压裂机理认识的局限性，界面性质下裂缝的扩展问题。发现存在着一个以临
在分析裂缝扩展规律时往往采用理想化的假设条件，界正应力表示的临界界面剪切强度，低于此值，裂缝
在预测水力裂缝几何形态时大多采用了过于简化的将沿界面产生滑动，不会穿过界面，反之则可能穿过
二维模型或三维模型来模拟水力压裂过程。由于这界面.同时指出临界剪切强度与界面性质(粗糙度、

1999年10月5日收到初稿，2000年3月1日收到修改稿.
作者陈勉简介:男，1962年5月出生，现为石油大学(北京)石油工程系教授、博士生导师，中国岩石力学与工程学会理事，中国岩石力学与
工程学会深层岩石力学委员会网主任，《石油大学学报》编委，中国人民政治协商会议全国委员会委员，主要从事石油工程、岩石力学和有限变
形力学面的教学与研究工作.
第19卷增刊陈勉等.大尺寸真三轴水力压裂模拟与分析

润滑性)和压裂液有关。当然在实际井下条件下，界测，并且对形成的裂缝进行直接观察。这对于正确
面状况是难以测定的，况且在深井段地层的上获岩认识特定层位水力裂缝扩展的机理，并在此墓础上
层压力一般都足以产生较大的摩擦力，从而阻止滑建立更条例实际的数值模型具有重要的意义。
动的产生。不过该研究对于裂缝穿过地层中天然裂
隙时有一定意义。2大尺寸真三轴模拟压裂试验装置
(3)层状介质对裂缝垂向扩展的影响。主要是
研究压裂层与隔层间水平地应力差、弹性模量差、本研究所采用的模拟压裂试验装置是石油大学
断裂韧性差等因素对裂缝垂向扩展的影响.(北京)岩石力学实验室设计组建的一套大尺寸真三
Warpinskilel采用一种称为应力环(Stressring)的装轴模拟试验系统。模拟压裂试验系统由大尺寸真三
置向岩样的一部分施加水平围压，用单一岩样研究轴