第一節壓裂理論與技術
壓裂是油井增產、水井增註的重要措施之一，也是擴大勘探面積的措施之一。在注水開發的油田中，通過油水井對應壓裂，以注水井為主的分割槽整體壓裂改造中，在一定程度上起到了在油田開發中調整矛盾，提高注水效果、加快油田開發速度、提高採收率等作用。因此，水力壓裂也是油田開發的有效手段。
一、壓裂增產原理
水力壓裂是利用液體傳導壓力的作用，由地面高壓幫浦組，將具有一定粘度的液體以大大超過地層吸收能力的排量注入井中，使之在井底附近憋起高壓。當此壓力超過井壁附近的地應力及岩石的抗張強度後，地層就會破裂產生裂縫，或使原有的微小裂縫擴張，形成較大的裂縫。隨著液體的不斷注入，裂縫就不斷延伸和擴張。
當擠入液體的速度與裂縫面的濾失（地層吸收）的速度相等時，裂縫就不再向地層深處延伸和擴充套件。
為了防止停幫浦以後，裂縫在地應力的作用下重新閉合，使之能長期保持張開狀態，為油、氣、水提供較好的滲流通道，就必須在擠入的液體中加入支撐劑（如石英砂、陶粒等）充填到裂縫中去，支撐已形成的裂縫，這樣就大大地提高了地層的滲透能力，擴大了供油面積，改變了油流方向，對垂直縫而言，使原來的徑向流變成了單向流，改善了地層滲流條件，減小了油流阻力，從而提高油、氣井產量和水井的注入量。
壓裂前，液流從供液邊界向井底的流動過程中，其流通截面越來越小，因此，流動阻力就越來越大，特別是在井底附近受堵塞，汙染地帶，其油流阻力大大地限制了油井的產量。
壓裂後，使油流方向發生了較大的變化，大大減小了油流阻力，使地層能量獲得解放。
裂縫形成過程及增產機理見圖7-1所示。
水力壓裂，作為一種增產增註措施，其主要作用體現在三個方面：
（一）改善低滲透率地層（由徑向流變為單向流，減小了油流阻力）；
（二）調整各層之間的矛盾（使中低滲透層充分發揮作用）；
（三）解除井底附近地層的堵塞（溝通地層的高滲透帶）。
二、地層岩石的應力分析
（一）地應力
從地層某深度取出乙個微小的單元體進行分析，該單元體在周圍岩石的作用下，處於受力平衡狀態。通常情況下，岩石在三個軸線方向上都受到壓力的作用。如圖7-2所示，σx、σy、σz分別代表兩個水平應力和垂向應力。
1.垂向主應力
垂向主應力來自上覆岩層的重力。
式中:垂向主應力， mpa；
岩石密度，kg/m3 ； （2100～2700） kg/m3， 通常取2300；
重力加速度，9.81 m/s2；
h—上覆岩層厚度， m
故7-1
由於地層孔隙中充滿流體，有一定的孔隙壓力（地層流體壓力）ps，部分上覆岩層的重力被孔隙壓力所克服，有效垂向主應力為:
7-2）
2.水平主應力
假設岩石為均質彈性體，忽略構造力的影響，在上覆岩層重力作用下，只發生垂向變形，不發生側向變形（即εx＝0、εy＝0）。則可由垂向應力σz求得水平軸向應力σx和σy。
根據廣義虎克定律得：
7-3）
式中：εx、εy ── 岩石的垂向應力σz作用下所引起的x、y方向的變形（應變）。
e ── 岩石的彈性模量。
υ ── 岩石波松比（通常取υ＝0.15～0.30）
假若地下岩石所受水平應力相等，即σx＝σy，則（7－3）式可變為：
σx-υ（σx+σz）＝0
則7-4）
式中：υ/（1-υ）稱為側壓係數，它反映了水平應力接近垂向應力的程度。υ越大，σx就越接近σz。
（1） 若地層未受地質構造運動影響，水平應力只受上覆岩層重力影響。則
7-5）
（2）若地層受地質構造運動影響，但構造力在水平方向上均勻，則
7-6）
式中均勻地質構造應力係數。
（３）若構造力在兩個水平方向不相等，則
7-7）
式中 、－分別為x、y方向的兩個構造應力係數。
相應地7-8）
（二）地質構造對地應力的影響
由於地質構造的影響，通常σx≠σy，且使（7-1）、（7-7）和（7-8）式中的關係發生很大變化。這種變化主要反映在斷層和褶皺上。
在岩石的變遷過程中，當岩石受到強大的水平壓應力時，地層就向會產生褶皺或形成逆斷層。當岩石受到強大的拉應力時，就會發生斷裂，形成正斷層。如圖7-3所示。
所以，形成正斷層的條件是：
σx＜σy＜σz
形成逆斷層的條件是：
σx＞σz＞σy
研究證明，產生正斷層時，水平最小應力大約只有垂向應力的三分之一，若產生逆斷層，水平最大應力有時可達垂向應力的三倍。
（三）井壁上的應力
1.井筒對地應力分布的影響
地層在鑽開之前，處於受力平衡狀態。鑽開之後，這種平衡就被打破了。並在井壁上出現應力集中現象，如圖7-4所示。
假設儲集層岩石為一張無限大彈性平板，平板**有一小園孔，則園孔周向應力的分布可由彈性力學中的公式給出：
7-9）
式中 σθ ── 園孔周向應力，mpa；
σx、σy ── x、y方向上的軸向應力，mpa；
a ── 園孔（井眼）半徑，m；
r ── 任意點距園孔中心的距離，m；
θ ── 任意徑向與σx方向的夾角。
討論：在園孔壁上（r＝a處）：
（1） 當θ＝0°、180°時：σθ＝3σy - σx7-9a）
當θ＝90°、270°時：σθ＝3σx - σy7-9b）
（2） 若σx＞σy，則最小的周向應力發生在x軸上，最大的周向應力發生在y軸上。
（σθ）0°、180°＝（σθ）min ， （σθ）90°、180°＝（σθ） max
（3） 若σy＞σx，則最小周向應力發生在y軸上，最大周向應力發生在x軸上。
（σθ）0°、180°＝（σθ）max90°、270°＝（σθ）min
（4） 最大的周向應力發生在孔眼壁面上，即r＝a處，當r增加時，應力迅速減小，當r＞3a時，其應力集中現象消失。（這就是在壓裂施工過程中，破裂壓力大於延伸力的緣故）。
2. 井眼內壓引起的井壁應力
在壓裂中，向井內注入的高壓液體，使井內壓力公升高，從而在井壁上產生一種周向應力。
把井筒看成是乙個具有無限壁厚的厚壁園筒，由彈性力學中的拉梅公式給出其周向應力的計算公式：
7-10）
式中 pe ── 內壓在厚壁筒邊界處產生的壓力，mpa；
pi ── 井筒內壓力，mpa；
re ── 厚壁筒外邊界半徑，m；
ra ── 厚壁筒內邊界半徑，m；
r ── 任意點距井軸中心的距離（半徑），m。
取re＝∞， pe＝0
在井壁上（r＝ra處），由（7-10）式可得
σθ = - pi7-10a）
即由內壓在井壁上造成的周向應力與內壓大小相等，符號相反。
3.壓裂液徑向滲入地層所引起的井壁應力（壓裂液濾失造成的應力）：
由於壓裂液的濾失，滲入井筒周圍，形成了另乙個應力區，增大了井壁周圍岩石的應力，其值由下式計算：
7-11）
式中 ps ── 地層壓力，mpa
α ── 1-cr/cb；
cr ── 岩石骨架壓縮係數；
cb ── 岩石體積壓縮係數；
4.井壁上的總周向應力
地層破裂前，井壁上的總周向應力為地應力，井筒內壓及液體濾失所引起的周向應力之和。即：
7-12）
由（7－12）式可知：井壁上的總周向應力與地層岩石的軸向應力有關，與地層壓力和壓裂施工時的內壓有關，與岩石的效能（波松比）有關。在施工中，當pi上公升則σθ下降。
當σθ小於一定值時，地層便開始破裂。
三、裂縫方向的判斷
壓裂施工所形成的裂縫稱人工裂縫，其方向主要有三種，即水平裂縫，垂直裂縫和傾斜裂縫。裂縫方向不同，施工後對油水井所產生的效果也是不相同的。裂縫方向通常和岩石的破裂壓力梯度有關。
1.破裂壓力pf
壓裂施工時，向井內注入高壓液體，當注入量大於地層吸收能力時，井內弊壓。當井內壓力上公升到足以克服井壁上的周向應力或上覆岩層壓力和岩石的抗張強度以後，井底岩石就開始破裂，形成裂縫。地層開始破裂時的井底壓力叫地層破裂壓裂（用pf表示）。
破裂壓裂的大小，反映了地層形成裂縫的難易程度，它在壓裂施工中具有重要的指導意義。其值可由下式計算：
7-13）
2.破裂壓裂梯度
7-14）
對於不同的地層，g值是不同的。一般為15～30（）。淺地層g較大，深地層g較小。
3.造縫條件
（1）垂直縫
當井壁上存在的有效周向應力達到井壁岩石的水平方向抗拉強度時，岩石將在垂直於張應力的方向上產生脆性破裂，即在與周向應力相垂直的方向上產生垂直裂縫。產生垂直縫的條件是：
7－15）
將上式代入（7－１２）式，並將、換為有效應力和，且由於地層破裂時，注入壓力ｐi等於破裂壓力pf，整後得到
7-15a）
對均質地層，則於最大周向應力發生在θ=00、1800的對稱點（θ=00、2700的對稱點），因此，產生垂直縫時，總是對稱延伸。由於地層的非均質性，因此，實際產生的裂縫往往是不對稱的。
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