min 0 ,180。 3 y x
图6-2 无限大平板中钻一圆孔的应力分布 说明ma最x 小周 90向 ,27应0。 力3发x 生 在y
方向上，而最大周向
圆孔周向应力：
x
y
2
1
a2 r2
x
y
2
1
3a4 r4ຫໍສະໝຸດ c应 力y 却在os2
的方向上。
x
2.井眼内压所引起的井壁应力
104
102
第一节 造缝机理
裂缝形成条件 裂缝的形态 裂缝的方位
井网部署 提高采油速度 提高原油采收率
所以，有利的裂缝状态及参数能够充分发挥 其在增产、增注的作用。
造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层 的地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤 性质及注入方式有密切关系。
破裂压力 延伸压力
1
实验修正：
PF
Ps
z tv 1.9412
1
(三)破裂压力梯度(破裂梯度)
破裂梯度：地层破裂压力与地层深度的比值。 各油田根据大量压裂施工资料统计出来的破裂梯度值为： (15～18)～(22～25) 根据破裂梯度的大小估计裂缝的形态：
小于15～18时形成垂直裂缝 大于23时形成水平裂缝 深地层——垂直裂缝 浅地层——水平裂缝
3 y x
Pi
Pi
Ps
1 2 1
二、造缝条件
（一）形成垂直裂缝的条件
当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗 拉强度时，岩石将在垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂， 即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。
造缝条件为：
h t
当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力即为地层的破 裂压力：
PF
MPa
作用时 间
s
裂缝范 围
m
作用结果
爆炸压裂
10-7 ～ ＞104 10-6
高 能 气 体 10-3
102
压裂
10-7 ～ 10-6
10-2 ～ 10-1
10-2 ～ 10-1
100
井眼破坏，有 无数细小裂缝， 具有压实效应
径向多条裂缝
水力压裂
101 ～ 101 102
103 ～ 101 ～ 对称单一裂缝
压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很 快升高。井筒内压必然导致井壁上产生周向应力。根据弹 性力学中的拉梅公式(拉应力取负号)：
Pere2 re2
Pira2 ra2
Pe Pi re2ra2 r 2 re2 ra2
当re=∞、Pe=0及r=ra时，井壁上的周向应力为：
Pi
即由于井筒内压而导致的周向应力与内压大小相等， 方向相反。
设备及数据采集由人工操作、人工配置发展到自动控 制和计算机自动采集。
发展趋势
在中、高渗透层与低渗透层的重复压裂技术研究； 低伤害压裂液研制、控滤失技术研究； 压裂支撑剂性能、压裂液的效率、返排、大型压裂以
及水平井的压裂研究； 深井、超深井压裂技术研究。（最深>9000m，井温达
300℃以上）
2 Z PS
1
2E
1
PS
(二)井壁上的应力
1.井筒对地应力及其分布的影响
地层三维应力问题转化为二维方法处理 (1) 当 r a ， x y H
时， 2 x， 2 y 2 H
说明圆孔壁上各点的
r 周(向3)应随力着相等，的且增与加，
θ(周值2)向无当应关力。r迅 速a 降，低x 。 y 时，
地层压力
图6-1 压裂过程井底压力变化曲线 a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
一、油井应力状况
(一)地应力 垂向应力：上覆层的岩石重量。
H
Z 0 S gdz
有效垂向应力： Z Z Ps
z
y
x
如果岩石处于弹性状态，可根据广义虎克定律建立岩石的 有效水平应力与有效垂向应力的关系：
在三向应力作用下，x轴方向上的应变分别为：
高能气体压裂：利用火药或火箭推进剂燃烧产生的高温、
高压气体处理油层，产生和保持多条、多方位的径向裂缝。
典型多缝型式简图
图4-1 各种压裂的压力与时间的关系
图4-2 裂缝类型与加载速率关系 1— 水力压裂区 2—多裂缝压裂区 3—井底附近粉碎区
三种压裂参数量级对比表
压裂类型
升压时 间
s
峰值压 力
第六章 水力压裂技术
主要内容：
(1) 造缝机理 (2) 压裂液 (3) 支撑剂 (4) 压裂设计
水力压裂技术的发展
应用对象由早期的低渗透致密地层发展到中、高渗地 层和煤层气层；
由对直井压裂发展到对斜井、大斜度井（含水平井） 压裂；
由浅层低温地层压裂发展到深层、超深层高温地层压 裂；
支撑剂由应用低强度天然石英砂发展到高强度的烧结 陶粒和树脂涂层砂；
PS
3
y
x
h t
2 1 2
1
(二)形成水平裂缝的条件
当井壁上存在的垂向应力达到井壁岩石的垂向的抗张强 度时，岩石将在垂直于垂向应力的方向上产生脆性破裂，即 在与垂向应力相垂直的方向上产生水平裂缝。
造缝条件为：
Z
v t
当产生水平裂缝时，井筒内注入流体的压力等于地层的
破裂压力：
PF
Ps
z
v t
1 1 2
(2) 降低了井底附近地层中流体的渗流阻力
3.压裂方法对比
水力压裂：用压裂液，产生的裂缝受地层的地应力控制，
一般仅有一个方向；
爆炸压裂：用炸药，它的增压速度极快(微秒级)，气体
生成量较少，地层裂隙来不及扩张和延伸，大部分能量消 耗在井壁岩石的破碎上，井眼内残留的应力场可能完全闭 塞所产生的裂缝。
一、水力压裂技术
用压力将地层压开一条或几条水平的或垂直的裂缝，并 用支撑剂将裂缝支撑起来，减小油、气、水的流动阻力，沟 通油、气、水的流动通道，从而达到增产增注的效果。
1. 水力压裂的工艺过程：
憋压 造逢
裂缝延伸 充填支撑剂
裂缝闭合
2.水力压裂增产增注的原理:
(1) 改变流体的渗流状态：径向流变单向流
x1
1 E
x
x2
E
y
x3
E
z
由于存在侧向应力的约束，则：
x
x1 x2
x3
1 E
x
y
z
0
令： x
y
得：
x
y
1
z
侧压系数
考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小水平 主应力为：
H max
1 2
1E 1
2 Z PS
1
2E
1
PS
H min
1 2
1E 1
3.压裂液径向渗入地层所引的井壁应力
由于注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入井筒 周围地层中，形成了另外一个应力区，它的作用是增大 了井壁周围岩石中的应力。
增加的周向应力值为：
Pi
Ps
1 2 1
1 Cr
Cb
4.井壁上的最小总周向应力
在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应 力、井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和：