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、破裂与延伸两阶段考虑。
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。
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)取决于井壁附近的地应力场(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。
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,从而使裂缝延伸更容易。裂缝宽度(W)取决于应变(ε),而应变(ε)与岩石的弹性模量(E)负相关(公式6)。岩石的弹性模量(E)越大,岩石越不易变形(ε),裂缝宽度(W)受限。而弹性模量(E)与脆性矿物组分含量、成岩作用强度正相关,脆性矿物组分含量的增大和成岩作用增强,导致岩石弹性模量(E)增大,不利于裂缝扩展(W)和裂缝延伸。
ε=σ/ E (6)
ε-应变;σ-应力;E-弹性模量;
三、可压性影响因素讨论
地层的破裂和延伸压力取决于地应力场和岩石抗拉强度。
岩石抗拉强度主要受沉积作用的非均质性、压实作用强度、胶结物类型控制,与脆性矿物组分含量无必然关系。即使碎屑颗粒完全为塑性矿物组分,如果成岩作用较弱导致储集体的渗流能力较好,地层的可压性可能仍然较好。反之,即使碎屑颗粒完全为脆性矿物组分,如果成岩作用较强导致储集体的渗流能力较差,地层的可压性可能依然较差。
鄂尔多斯盆地中生界压裂实践显示,从侏罗系延安组到三叠系延长组,尤其是从长1到长7,裂缝萌生和起裂的难度越来越大,与此相对应,储集体渗流能力越来越差,地层的可压性取决于地层的整体渗流能力。只有具备较好的渗流能力,高压泵组产生的流体压力才能在目的层较快渗流并传导,人工裂缝才能较快形成并延伸。地层破裂和裂缝延伸的难易程度是地层整体渗流能力的直接反映。所谓的“工程甜点”实质上是“物性甜点”,物性较好的砂岩相对于物性较差的泥页岩更易于拉张起裂并提供有工业意义的渗流。
岩石力学角度,脆性矿物组分含量及由此决定的脆性指数的增大和成岩作用增强,通常会导致岩石弹性模量增大,不利于裂缝起裂、扩展和延伸。
渗流力学角度,脆性矿物组分含量及由此决定的脆性指数的增大可能会改善目的层的基质渗流能力,使高压泵组产生的流体压力更容易在目的层传导,从而使地层更易于拉张破裂;但脆性矿物组分含量及由此决定的脆性指数的增大不必然改善目的层的基质渗流能力,基质渗流能力还取决于成岩作用强度。
由此可以推断,在地应力场相近的情况下,脆性矿物组分含量及由此决定的脆性指数的增大可能会导致地层可压性变好,但不必然导致地层可压性变好。
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