水力压裂是利用地面高压泵组,将压裂液以远超过地层吸收能力的排量注入目的层,当孔隙流体压力大于其破裂压力时,地层开始起裂并延伸。由此决定了地层的可压性分析需从流体压力传导、破裂与延伸两方面考虑。
一、流体压力传导阶段
流体在储集体中渗流,流体克服其在地层流动中的沿程阻力将部分压力(净压力)传导至地层深部,沿程阻力可以通过达西定律或哈根–泊肃叶定律描述(公式(1)、公式(2))。
Q=KAΔP/μL (1)Q=πr^4Δp /(8ηL) (2)Q-单位时间渗流量;K-介质的渗透率;A-横截面积;ΔP-介质两端的压差; μ,η-流体的动力黏度;L-介质的长度;r-喉道半径。
根据达西定律或哈根–泊肃叶定律,储集体渗流能力(K或r)越好,压裂液在其中流动的沿程阻力或摩阻(P1-P2)越小,作用于目的层的净压力(P2)越大,裂纹萌生和起裂越容易;储集体渗流能力越差,压裂液在其中流动的沿程阻力或摩阻(ΔP)越大,作用于目的层的剩余流体压力越小,裂纹萌生和起裂越困难。
压裂液渗流与裂纹萌生示意图二、破裂与延伸阶段
破裂与延伸评价需要从水力压裂的机理出发(公式(3)、公式(4) 、公式(5))。Pf=3σh−σH−Pp+St (3)Pr=σh−Pp+St (4)Pp>Pf (5)Pf-破裂压力;Pr-延伸压力;σh-水平最小主应力;σH-水平最大主应力;Pp-孔隙流体压力;St-岩石抗拉强度;
由地层破裂公式(公式3)、裂缝延伸公式(公式4)可知,地层的破裂压力(pf)和延伸压力(pr)取决于井壁附近的原位应力场(σH,σh)和岩石抗拉强度(St)。对于天然裂缝不发育的地层,当井底流体压力大于地层的破裂压力时(公式5),目的层将沿垂直水平最小主应力方向(强度最弱且阻力最小)拉张起裂;此后,当储集体孔隙流体压力大于地层裂缝的延伸压力时,目的层将沿垂直水平最小主应力方向(强度最弱且阻力最小)拉张延伸。
脆性矿物组分(刚性组分)含量及由此决定的脆性指数通常作为可压性评价的重要指标。但评价地层可压性的岩石抗拉强度(St)取决于碎屑岩的成岩作用强度,而不是脆性矿物组分含量。以填隙物形式出现的低温矿物(主要是塑性矿物组分),其抗拉强度要低于以碎屑颗粒形式出现的中高温矿物(主要是脆性矿物组分)。压裂时目的层更易于沿着填隙物而不是碎屑颗粒拉张破裂。
裂缝延伸微观示意图此外,人工裂缝宽度(W)与地层流体净压力(Pp或σ)正相关,足够的裂缝宽度(W)可以使压裂液在其中流动的摩阻(ΔP)更小并使净压力(Pp或σ)更大