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水力压裂地应力测量有关技术问题的讨论


石 油 钻 采工 艺





卷 第



水 力 压 裂 地 应 力 测 量 有关技 术 问 题 的 讨论
葛洪魁 林英 松
石 油 大 学 华东 石油 工 程 系

王顺昌
石 油 地球 物 理 勘 探 局
<

br />摘要

利 用 水 力 压 裂可 获 得 最 小 水 平 地 应 力 的 大 小 和 地 应 力 方 向
, ,



最 小 水 平 地 应 力的 数 值近


似 等 于 水 力 压 裂 裂 缝 闭 合 压 力 但 由 于 套 管 的 存在 不 能 用 套 管 井 压 裂数 据 计 算 最 大 水 平 地 应 力 在 钻 升 过 程 中 进 行 地 应 力 测 试 可 在勘 探 早 期 获 得 地 应 力 数 据 并 用 于 指 导 后 期 的 勘 探 开 发 工 作
,



斯仑 贝谢公 司 试工 具


模 块 式 地 层 动 态测 试 仪 和 哈 里 伯 顿 公 司 的 井 下 应 变 仅 是 比 较 充 进 的 地 应 力 测
、 、

分 析 了浏 试层 位 筛选 使 用 仅 器 施 工 方 案 及 精 确 的 施 工 曲 线 分 析 等 影 响 地 应 力 测 试 精 度
,


的 有 关 问 题 并 对 进 一 步开 展 地 应 力 测 量 工 作 提 出 了 建 议

主题词

地应 力 葛洪 魁

水力压裂
,

测量


地层

应力

分析
, ,


作 者简介


年生

年 获硕 士 学位 现 在 读 博 士 主 要 从 事 钻 井 工 程 岩 石 力
, ,


学 地 应 力 和岩 石 物 性 等方 面 的 研 究 副 主 任 副教 授

地 壳 岩石 所 受 的 内 应 力叫 做 地 应 力 它 是油 气 田 开 发 方 案的制 定 水力 压 裂 设计 储 集 层 裂 缝 预 测 油 井 井 眼 稳 定 性 分 析 以 及 油 气 富 集 区 预 测 等 工 作 的 基 础 数据
,
、 、 、


,









目前 已 发 展 了 多 种


,

地 应 力 测 试 方法 如 水力 压 裂 井壁 崩 落 差 应 变 波 速 各 向 异 性 滞 弹性 应 变 声 发 射 等 相 对
而 言 水力 压裂 方 法 是 目前 深部地 层 地 应 力 测 试 较 可 靠 的方 法
,


,

,



水力 压 裂
,



地 应 力 测 量是通 过 在 井 眼 周 围 地 层 中 诱 发 人 工 裂 缝 来获 取 地 应 力 的 一 种 方 法 测 试 精 度 受 多 种 因 素 的 影 响 如 测 试 层 位 筛 选 施 工 仪 器 设 备 施 工方 案 的选 择 以 及 测 试 数 据 的分析 等
一 影 响 水 力压 裂 地 应 力 测 试 精 度 的 一 些 问题
最 小 水 平 地 应 力 近 似 等 于 裂缝 闭 合 压 力 最 小 的路径 扩 展
,
。 、





据 能 量 最 低 原 则 水力 压 裂 裂 缝 总 是 沿 能 量
, , , ,

,

在 水力 压 裂 地 应 力 测 试 中 待 裂 缝形成 扩 展 后 停 泵 随着 压 裂液 渗 入 地 层


,

泵 压 下 降 裂 缝逐 渐 闭合 测 试 的 最 基 本 依据
,


当 裂缝 处 于 临 界 闭合 状 态 时 裂缝 内 的 流 体 压 力 与 垂直 于 裂 缝 平 面
, ,


的 最小 水平 地应 力相 平衡 即裂 缝闭 合 压 力 近 似 等 于 最 小 水 平 地 应力 这就 是 水力 压 裂地 应 力

提高 地 应 力 测 试 精 度 的关 键 是裂缝 闭合 压 力点 的识别
, ,

裂缝 闭合 压 力 点 的 识别

由于 地 层 渗 滤 特性 等 原 因 许 多 压 裂 施 工 曲线 的裂 缝 闭合 压


力 点 不 易识 别 有 关 研 究 人 员 根 据 理 论 分 析 并 从 压 降 曲线分 析 实 例 中 总 结 了 多 种 识 别 方 法

等困 在 室 内进 行 了水 力 压裂 试验 并采 用 了
泵 入 关 井后 用



,

种方 法 识 别 闭 合 压 力 点
, ,



结 果表 明 第 一 次
,

,

尸, 一



山 和

尸, 一




在 后 续 的 泵 入 一 关井 循 环 中 采 用

尸, 一

一 山 能 给 出 较 可 靠 的闭 合压 力 见 图
,


式中


二为井 底 压 力

,

,

为 注 入 时 间 山 为 自停 泵

,

起 算 的 时间

为停 泵 后 井 眼 压 力 的 渐 近 值

石 油 钻 未工 艺

年 第

卷 第









株 田 只 世
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只 朱 田 世



,





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水 力 压 裂 裂缝 闭 合 压 力 的 识 别 方 法

最 大 水 平 地 应 力 的 计算


大 多 数 情 况 下 水力 压 裂 施 工 的井 眼 条 件为 套 管 井 射 孔 而 非
, , ,

,

裸 眼 套管 和 水 泥 环的 存在 以 及 射 孔 方 位 对 施 工 压 力有较 大 的 影 响 现 有 的水力 压 裂 最 大 水平

地 应 力 的 计 算 公 式 是建 立 在 裸 眼 井基 础 上 的 因 此 不 能 用 套管 井水 力 压 裂 数 据计 算 最 大 水平 地应 力


对裸 眼 井压 裂 而 言 当 产 生 垂 直裂缝 时 可通 过 地 层 破 裂 压 力 计 算 得 到 最 大 水 平 地 应 力


,

,



这种 计算是 建 立在 地 层 破 裂 压 力与 地 应 力关 系 的 力 学 模 型 之 上 的 因 此 最 大 水 平 地 应 力的计 算精 度 在 很 大 程度 上 依 赖 于 该 力 学 模 型 的精度 而 地 层 破 裂是 一 个 非常复 杂的过 程 原 地 应 力 状 态 排 量 压 裂 液 井 眼 形 状 岩 石 特性 等 都 对 地 层 的破 裂过 程 有 影 响
、 、 。

,

,







人 们 已 经 提 出了 许多
、 、

模 型 来解 释 地 层 破 裂 压 力
力 模 型 以 及 断裂 力 学模 型 上的




将 其分 为经 典破 裂 模 型 孔 隙 弹性 模 型 剪 切 破坏 模 型 点 应
应 用 较 多 的 是 孔 隙弹 性 模 型 它 是 建立 在
,





孔 隙弹性 理 论 基 础


该模型 由

提 出 的 它 考 虑 了 压 裂 液 向 地 层 中的 渗 滤

,

,

氏一 如

十。 一

,

一 岁。 一 “ 飞 万厂 不

一 一
,

,

式中

,





。。

分 别 为 最 小 和 最 大 水 平地 应 力
,

尸、



尸,

分 别 为地 层 破 裂 压 力 和 地 层 孔 隙 压 力 拭


为地 层 名 义 抗拉 强 度
程 进行 分析


为 泊松 比



孔 隙弹性参 数


地 应 力 计算 的断 裂 力 学 模 型 具有 发 展 前 景 队





,

利 用 该 准则 有 可 能 对 复 杂 的裂 缝 扩 展 过


裂 缝 非稳 定 扩 展 的断裂 准则 为
,



,。



和 叔




之。


式中

,

,





分 别 为 裂 缝 的 应 力 强 度 因 子 断裂 韧性 和 裂缝 长 度


测 试层 位 的 选 择 和 施 工 方 案的 设 计
,


为保 证 地应 力 测 试 的精 度 应 认 真 考虑 以 下几 个
、 、

,

间题 包括 测 试 层 位 射 孔方 案 压 力 测 试 方 法 压 裂液 类 型 排 量 泵入 总 液量 和 施 工 压 力解 释



方法
,



均 匀 厚度 较 大 的地 层 地 应 力 测 试 比 较 方 便 可 靠 地 层 较 薄 时 裂 缝 有 可能穿 过多个 层






,

位 而 不 能 精 确 地 了 解 所 测 得 的地应 力 属 于 哪 一 层


一 般 测试 地 层 厚 度 应 大 于

,

,

要 求测
,

试 层 位 固 井质 量要 好 在 水 力 压 裂 地 应 力 测 量 中 应 采 用 较 低 的排 量 采 用 井 下 关 井仪 器 并 进行 井下 压 力 测量
,


可减少 井 眼 存 储效 应 射 孔孔 道 没 必 要太 深 并保 证 射 孔 孔道 的 稳 定 性



,

,

应尽可能 减 小 对地 层
,

的扰 动 减 小 对 储 层 的污 染






典 型 的 射孔 方 案 为 射 孔段 长


,



相位

“ ,

装药 量

射孔 方 位最 好 与水 力 压 裂裂 缝 方 位 一 致

葛洪 魁 等 水 力 压 裂 地 应 力 浏 童 有 关技 术 问 题 的 讨 论
微 压裂

!
, ,


、 、

封 隔 井段 短 可采 用 低 粘 压 裂 液 排 量 小 注 入液 量 通 常小
,


,

,

,

并 可 进 行 重复 注 入 停 泵 裂 缝 闭合 施 工 地 应 力 的测 量 精 度较 高
,
, ,


小型 压 裂
,



一 般 是 在 大 型 水 力 压 裂 施 工 前 进行 的 注 入 液 体 粘 度 较 高 排量 大 注 入 量超 过

所 封 隔 的井 段 比 微 压 裂 长 测 试 精 度 中等


大型 压 裂 测 试精 度较 差



二 水 力 压 裂 地 应 力 测 量技 术 的 发 展
无源 地 震监

水 力 压 裂 裂缝 的 扩 展 〔
,






水力 压 裂 裂缝 延 伸过 程 是 非连续 的 岩 石 破 裂
, ,


,

产 生 的震 动 能 量 以 微 地 震 波 的形式 向 四 周 传播 可 将检 波 器 下 入 正 在 施 工 的井 内或 邻 井 内 记

录水 力 压 裂 裂 缝 扩 展 发 射 的 地 震 波 利 用 声 源 点 轨 迹 来 确 定 裂 缝 的 方 向 并获得 地 应 力 方 向
钻井 过 程 中进 行 地应 力 测 试
,

在 油 气 田 勘探 开 发过 程 中 人 们希望 能 尽 可 能早 地 和 低
,
。 。

成 本 地获 取地 应 力 数据 一 个 具 有 重 要 发 展 前景 的 技 术 是 在 钻 井过 程 中进 行 地 应力 测 试


,



介 绍 了钻 进 过程 中进行 原 地应 力测 试 的方 法
,
,

在 钻进过 程 中 将 井底裸 眼
,


,

井 段 封 隔 并 以 钻 井 液 为 压 裂 液 向 封 隔 井 段 施 压 裂 缝 向井底 以 下 岩 石 中 扩 展 通过 定 向取 心 可 获 得精 确 的 裂缝 扩 展方 位 分析 施工 压 力 记 录 可 获得 最 大 和 最 小水 平 地应 力 值 也 可 通 过套

管 鞋 漏 失 试验 获 取 地 应 力 数据
套 筒压 裂
,



常规 漏失试 验是 为 了 检查 固 井 质 量 而 不是 为 了测 量 地 应力


,



但 该 方 法 改 进后 可 用 于 地 应 力 测 试


对 存 在 裂 隙 的地 层 无 法 用 流 体 直 接 压 裂 所 封 隔 的 井
,
,


段 可 将 一 橡 胶 套筒 放 至 待 测 试井 段 通 过 套筒 向地 层 加 压 并使 之 破 裂
三 维 水 力 压 裂浏 量


该 方法 是在 同一 地 点 不 同 方 位 以 不 同的 井 斜 角 钻 几 口 井 一 般
,


,





,

进 行 水 力压 裂 作业 可 获 得 该 地 点 的 三 维 地应力 值
,

最 大水 平 地 应 力 直接 测 试


到 目前 为 止 还没 有 最 大 水 平 地 应 力 直 接 测 试 的 方 法
, , ,





曾经 采 用 磨 粒射 流 在 井 壁 最 小水 平 地 应 力方 向上 切割 出一 人 工 裂 缝 并 对该 裂 缝 施
,


压 流 体 压力 使 该 裂缝 张 开 通过 测 量裂 缝 闭合 时 的 缝 内压力 直 接 获 取 最 大 水 平地 应 力 取 得
了 一些 进 展

,

但 该 项 工 作 仍 有 许 多 问 题 需要 改进 特 别 是 要 求 割 缝 的 长 度应较 大 至 少应 超 出
,


,

应 力 集 中 区 一 段 距离


当 水平 地 应力差 较 大 时 对 裂 缝 施 加 流 体 压 力 有 可 能 引 起裂 缝转 向 测


,

,

得 的 裂 缝 闭 合 压 力 就 不能 代表最 大水 平 地应 力
三 水 力 压 裂 地 应力 测试仪 器 的 改 进

哈 里 伯顿 公 司开 发的 井下 应 变仅
,

由哈 里 伯顿 公 司 开 发 的井 下 应 变仪


是 一 种新 型 的地 应 力 测 试仪 器 裂缝 方 位
,


它 可 测 量 井 眼 变形 压 力 和 温 度 原 地岩 石 剪 切模 量






并 用 来获 得


最 小 水平 地应 力 值


裂 缝 的 宽度

此 仪 器 在 石 灰岩 砂

岩 页 岩 地 层 进 行 了 测 试 效 果 都 比较 理 想
斯 仑 贝 谢公 司

模 块式地层 动 态浏 试 仅
。 、


等 ’ 〕 绍 了斯 仑 贝 谢公 介 这 套工 具包 括 一个 由地 面控 制 的跨 式 封


司 的 一 套 用 于 裸 眼 井地 应 力 测 试 的 电缆 工 具
隔 器 两 封 隔 器之 间距 离至 少

井 下 液 压 测 试 系 统 和 井 下 电泵 它 完 全 实现 了计 算机 控 制
,


仪 器 上 同 时 安装 了 一 个

下 探 测器
,

,

用 于 进 行 深 度 校 正 便 于 进行 岩性 对 比
,


这 套 工 具可 很 方 便
,

地 控 制 井 下 封 隔 器 的 动作 具 有低 排 量 泵 注 能 力 并 将 压 力 测 量 仪器 安装 在 了 井 下 测试 精度 较高



目前 这 套 工 具 已 成为 标 准 的地 应 力测 试 工具 见 图


,

还 可将 它 用 于 探 测 地 层 流 体类

型 测 量 孔 隙 压 力 和地 层 渗 透 性

石 油 钻 采工 艺 四 结论 及 建 议


年 第

卷 第



水 力 压 裂 法 是 目前 较 准确 的 地 应 力 测 试 方 法 利 用 裂
缝 闭 合 压 力 可 获 得 准 确 的 最 小 水平 主 应 力值 通过 测 定 裂缝 扩 展 方位 可 获 得 准 确 的地 应力方 向
,


,





叮…

,

伽 马 射线探测 器


套 管 井 压 裂数 据 不 能 用 于 计 算 最 大 水 平 地应力 值
得 其 精 度 依赖 于 计 算 公 式
, , ,



泵 注 控 制 模块 压 力计

峭 乡 世
声 ,

裸 眼 井水 力 压 裂 地 应 力 测 试 而 言 最 大 水平地 应 力 由计 算 获

选 择 合适 层 位 利 用 低 排量 泵注 设 备 井 下 关 闭装置 和
井 下 压 力 计 采 用 适 当 的 施工 方 案 进 行 几 次 泵 入 一 停 泵 一 裂
缝 闭合 的 操 作 利 用 多 种 裂 缝 闭合 压 力识 别 方 法等 可 提 高水
, , ,



封隔 器 形胀 密 封 阀



封隔器






力 压 裂 地 应力 测试 的 精 度 斯仑 贝 谢 公 司 的



模 块化 地 层 动 态 测 试仪 和 哈 里


侧 试井段密封阀


伯 顿公 司 的井 下 应 变 仪 等仪 器 是较 先 进 的 地 应 力测 试 工 具
, ,

在最 大 水 平 地 应力 方 向 人 工 割 缝 进 行水 力 压 裂 有可
能 成 为 实 测 最 大水 平 地 应 力 的 有 效 方 法
,
。 。

封 隔器
滑 动 摘 合器






钻 井 过 程 中 进行 水 力 压 裂 地 应力 测量 可 较 早 获 取地应 力数 据 应 加 以 推 广 水 力 压 裂裂 缝 扩 展 动 态 监 测 可 获 得 裂 缝 扩 展 的 几 何 参 数 并 获得 地 应 力 方 向 值 得进 一 步 发 展
作者附言
,

,

,





斯仓 贝谢

试 仅 示意 图

此 项 工 作 得 到 了 辽 河 油 田 李 志 明 总 工 程 师 迁 河 油 田 钻 未院 张 金 珠 总 工 程 师 等的 大 力 帮



助 在 此 表 示 衷 心 的 感谢


,






,

葛 洪 魁 林 英 松 等 地 应 力 测 试 及 其 在 勘 探 开 发 中 的 应 用 石 油 大 学 学报
刘 建 中 刘翔 鸭 等 用 封 闭 压 力 确 定 最 小 水 平 主 应 力 地 衰 研 究
, , ,

,



王 靖 涛 水压 致 裂浏 量 地 应 力的 断 裂力学方 法 岩 土 力 学

,

,

鲜 于德 清译 浏 量 地 应 力的 一 种 新 仅 器 世 界石 油 工 业

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(

下 转 第 62 页 )

2 6

石 油 钻 采工 艺

1998 年 ( 第 2 卷 ) 第 6 期 0

; 盐 岩储 层 . 2 重 复 酸 化 必 须 考 虑 地 层 酸 岩 反 应 的过 程 以 及 注 水温 度场 的 影 响 合 理 选 择 酸液 浓 度和 ; 缓 速性 能 . 3 该 类储 层 适 合 选 用 浓度 在 7 % 一 1 % 的 盐 酸进 行 施 工 不宜 选 用 氢 氟 酸 或 氟 硼 酸 体 系 ; 0 . 4 现 场 应 用 证 明 优选 的 工 作液 体 系 适 应 该 类 储 层 的酸 化 增 注 ; . 5 对 该 区 块 进 行 油 藏模 拟 研 究表 明 :可 考 虑 在 该 类 储 层 使 用深 度酸 压 技术 来实 现 增 注 在
, , ,


裂 缝 方位 不 利 的 情 况 下 模 拟 计 算 认 为 有 效 酸蚀 缝 长 一 般 以 5 一 6o m 为 宜 而 且 当 酸 蚀 裂 缝 0 Z 流 能 力 在 3 拌m 日 注 水 量 可 以 达 到 5 m 丫d 左 右 在 酸液 浓度 相对 较 低 的 条 件 的导 0 时
, ,
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,



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下 采 用 多级 注 入 技 术是 值 得 现 场 试验 的 一 种 增 注 方法


,



: ; 作 者附 言 参 加 本 文 研 究 的 主 要 人 员还 有 蒋 建 芳 舒 玉 华 赫 安 乐 胡恩 安 何 金 波 等 同 志 本 文 研 究 及 应

、 、

用 过 程 中 得 到 桩 西 采 油 厂 作 业 科 生 产科 联 合 站 配 液 站 以 及 压 裂酸 化 技 术 服 务 中心 等 单 位 领 导 和 同 行 的
、 、



,

大 力 支 持 和 帮助

,

在此 深 表 感 谢 !

参 1 2
,






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B B 威 康 斯 等 著 罗 景 琪 译 油 井 酸 化 原 理 北 京 :石 油 工 业 出 版 社
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. . 张 玉 萍 译 砂 岩 地 层 中 酸 的 反 应 和 损 害 的 消 除 一 个 选择 酸 配 方 的 模 型 S E P 1 8 . . 一 10 冯 恩 民 等 注 水 井 地 层 带 温 度 场 数 值 模 拟 及 优 化 石 油 学报 1 9 6 2
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(收 稿

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日期

19 9 7 一 0 9 一 1 2 )
1 99 8 一 0 7 一 2 1 )

, ( 修 改 稿 收 歹l 日 期

〔 辑 编

郑 秀 娟〕

比 R E S E R V O 旧 R E M A K IN G P R O J E C T

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