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异常高应力储层改造理论与技术
	曾用价	198.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2015年06月
	开本	16开
	著编译者	郭建春，王兴文，曾凡辉 著
	页数	370
	ISBN编码	9787030402431

内容介绍
本书系统介绍异常高应力储层改造项目所建立的异常高应力储层改造理论和技术框架，总结异常高应力储层改造的关键技术，以及研发的适用于异常高应力储层改造的原创性工艺技术。其研究成果对我国异常高应力储层的高效开发和开采将提供强有力的技术保障，同时也将为我国异常高应力储层改造理论的发展和进步奠定坚实的科学基础。

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目录
**章绪论1
**节异常高应力储层改造研究的意义1
第二节异常高地应力储层基本概念2
一、地应力的基本概念2
二、异常高应力储层的概念5
第三节异常高应力储层油气资源概述6
一、国外异常高应力储层油气资源
二、国内异常高应力储层油气资源9
第四节异常高应力储层改造面临挑战10
一、异常高应力储层改造面临的主要难题10
二、异常高破裂压力储层的成因分析11
第五节异常高应力储层改造关键理论与技术20
参考文献22
第二章异常高应力储层改造深部岩体力学基础理论23
**节深部岩体力学的概述及特征23
一、深部岩体概述23
二、深部岩体国内外开采状况24
第二节深部岩体的力学特征26
一、深部岩体的力学环境特征26
二、深部岩石力学的特性28
第三节深部岩石本构关系30
一、弹性本构模型31
二、非线性本构模型33
三、节理岩体的本构模型41
四、裂隙岩体的损伤本构模型44
五、和性岩体的本构模型51
第四节深部岩体强度准则55
一、Mohr-Coulomb强度准则(胡小荣等，2004)55
二、Drucker-Prager强度准则(周凤主等，2008)57
三、三剪强度准则(胡小荣等，2003)57
四、格里菲斯(Griffith)强度理论(Hills，1996)58
五、Walsh-Brace各向异性拉伸破坏准则(McLamore，etal,1967)62
六、各向异性剪切破坏准则63
七、Hill各向异性失效准则65
八、Hoek-Brown强度准则(宋建波等，1999)66
参考文献68
第三章深部高应力储层破裂压力预测理论69
**节深部储层射孔井岩石起裂准则69
一、断裂力学基本理论69
二、射孔井岩储层石起裂准则70
第三节射孔井破裂压力预测有限元模型72
一、弹性体有限元基本方程72
二、射孔井破裂压力预测有限元模拟74
第三节深部高应力射孔井破裂压力预测83
一、物理模型及边界条件83
二、射孔参数优化降低破裂压力85
参考文献89
第四章深部裂缝性储层水力裂缝扩展研究91
**节深部裂缝性储层水力裂缝扩展难点91
一、常规对称双翼水力裂缝模拟现状91
二、裂缝性储层水力裂缝模拟现状94
第二节裂缝性储层水力裂缝扩展模拟理论97
一、扩展有限元法概述97
二、水力载荷等放加载101
三、模拟模型中天然裂缝的表征105
四、水力裂缝与天然裂缝相互作用准则107
第三节裂缝性储层水力裂缝扩展规律模拟110
一、水平主应力差110
二、逼近角大小112
三、天然裂连“杨氏模量”113
四、天然裂缝“泊松比”114
五、天然裂缝条数的影响114
参考文献118
第五章酸损伤降低砂岩储层破裂压力理论120
**节碎屑岩储层及岩石强度特征120
一、矿物碎屑储层岩石矿物特征120
二、碎屑岩储层岩石强度特征122
第二节酸损伤降低碎屑岩强度机理实验研究126
一、实验流程与参数获取127
二、和土矿物与酸反应研究128
三、骨架矿物与酸反应研究143
四、酸损伤降低岩石强度实验研究150
第三节碎屑岩储层酸损伤定量预测理论162
一、酸损伤变量预测基础理论162
二、砂岩酸损伤变量预测模型166
三、酸损伤预测模型验证及应用176
第四节碎屑岩储层酸损伤破裂压力定量预测181
一、破裂压力预测基础参数181
二、酸损伤降低破裂压力影响因素分析182
第五节酸损伤降低碎屑岩储层破裂压力优化设计190
一、DY1井基本情况190
二、酸损伤降低储层破裂压力政液及施工参数优化194
三、现场实施199
参考文献200
第六章酸损伤降低碳酸盐岩储层破裂压力理论201
**节碳酸盐岩储层及岩石强度特征201
一、基本类型201
二、结构组分202
三、破酸盐岩与砂岩差异204
四、岩石强度205
第二节酸损伤降低碳酸盐岩强度实验205
一、实验准备206
二、实验结果208
第三节酸损伤变量定量预测理论(郭建春等，2007)218
一、基本假设218
二、数学模型218
三、政岩反应动力学参数测定221
四、酸损伤模型的验证225
第四节酸损伤降破裂压力优化设计及应用227
一、塔可油田TP16井概况227
二、异常高破裂压力原因分析228
三、酸损伤降低地层破裂压力预测229
四、TP16井酸压施工分析231
参考文献232
第七章斜井定向射孔降低储层破裂压力物理模拟及现场应用233
**节射孔参数对斜井水力压裂影响实验模拟233
一、射孔完井水力压裂模拟实验装备233
二、射孔完井水力压裂模拟实验步骤235
第二节射孔参数对斜井压裂破裂压力影响结果分析236
一、实验方案236
二、实验数据结果238
三、实验结果分析239
第三节斜井定肉射孔优化设计246
一、走向射孔原理246
二、定向配套仪器248
三、定向射手L工艺优化250
四、定向射孔参数优化253
第四节斜井定肉射孔工艺现场应用256
一、基本井况256
二、施工设计257
三、现场施工257
四、效果分析258
参考文献259
第八章燃爆诱导压裂降低高应力储层破裂压力理论260
**节燃爆诱导压裂降低高应力储层破裂压力可行性260
一、燃爆诱导压裂作用原理260
二、爆燃气体压裂国内外研究现状261
三、爆燃气体压裂研究及发展趋势264
四、多级燃这可控诱导压裂的作用特点分析265
五、深层应用多级燃速可控诱导压裂可行性分析267
第二节燃爆诱导压裂药剂体系研制268
一、**综合性能要求268
二、复合药的选择与匹配及理论计算269
第三节控制系统及点**实验研究273
一、点**的选择设计273
二、点**静态点火实验274
三、延时控制点火技术研究274
第四节多级燃速可控诱导压裂技术装置结构设计276
一、多级燃速可控诱导压裂装置结构设计276
二、泄气管强度计算277
三、井筒内多级燃速可控装直爆燃压力计算278
四、压裂装直**爆燃压力持压时间的确定279
五、模拟装直地面实验281
第五节多级燃速可控诱导压裂爆燃气体流动理论分析282
一、爆燃气体在射孔预裂缝内流动模型283
二、半解析求解气体压力分布284
三、数值迭代法求解气体压力分布291
第六节多级燃速可控诱导压裂驱动裂缝扩展耦合作用分析296
一、基本假定与分析模型建立297
二、准静态裂缝扩展理论分析298
三、考虑裂尖动态响应的裂缝扩展理论分析309
第七节影响多级燃速可控爆燃诱导的因素分析313
一、储层埋深314
二、岩层性质315
三、爆燃气体升压率317
四、装药量318
五、射孔深度319
六、储层岩石弹性模量320
第八节CG561井多级燃爆诱导压裂优化设计及现场应用322
一、基础参数322
二、爆燃压裂优化设计324
三、现场实施及放果分析325
参考文献327
第九章异常高应力储层改造配套措施328
**节加重压裂液体系优化328
一、加重压裂液适应性分析328
二、加重压裂液体系性能优化329
第二节压裂管柱结构优化332
一、管柱安全评价332
二、满足高应力储层改造管柱优化337
第三节超高压压裂装备344
一、压裂泵车344
二、地面流程优化348
三、超高压施工质量保障控制技术350
四、超高压压裂施工安全控制技术352
五、超高压大型压裂实例357
第四节网络裂缝酸化工艺优化359
一、网络裂缝酸化工艺适用性分析359
二、网络裂缝酸化实验评价361
三、网络裂缝政化优化设计及效果分析364
参考文献367
索引368

在线试读
**章绪论
**节异常高应力储层改造研究的意义
石油天然气行业在国民经济发展乃至国家能源安全中具有十分重要的地位，持续高位的石油和天然气对外依存度已经对我国经济社会可持续发展和能源安全构成威胁。勘探实践证明，在组成地壳的沉积岩、岩浆岩和变质岩中都发现有油气田，而99%以上的油气储量集中在沉积岩中，其中又以砂岩和碳酸盐岩储集层为主。随着石油、天然气勘探和开发程度的提高，低渗透油田储量所占的比例越来越大，在探明未动用石油地质储量中，低渗透储量所占比例高达60%以上。低渗、致密油气藏已成为我国油气产量增长的主要接替，而且探明的低渗透储量储层比例还在逐年增加。在这类储层中，有相当比例为异常高破裂压力储层。压裂、酸化压裂是实现此类储层勘探评价、试油试采和有效开发的关键工程技术。但“地层压不开，液体注不进”一直是部分深层、致密、低渗透储层改造的工程技术难题(郭建春等，2011)。
部分深层、致密、低渗透储层改造破裂失败典型的井的统计见表1-1。在异常高应力储层的改造过程中普遍表现出以下特征：①压裂井段属于深井或超深井，深度一般为3000～7000m，储层的埋藏深度跨度大；②岩性多样，不仅仅在砂岩储层中出现，同时在碳酸盐岩储层中也有出现；③储层物性差、渗透率低，需要通过压裂酸化改造形成高速的人工裂缝流动通道，才能获得经济开发的产量；④压裂改造过程中排量低、井底流体压力高，难以有效破裂和撑开储层；⑤改造过程中高应力储层的井广泛分布于我国多个盆地，尤其以四川盆地、塔里木盆地*为突出。
表1-1部分深层、致密、低渗透储层改造破裂失败典型的井
为了实现对异常高应力储层的有效改造，必须针对异常高应力储层改造过程中的深部岩体力学基础、储层岩石破裂机理、深部储层裂缝性储层水力裂缝扩展机理、降低储层破裂压力技术以及改造的配套措施进行深入研究，提高异常高应力储层改造的成功率和有效率。
第二节异常高地应力储层基本概念
一、地应力的基本概念
地应力是指存在于地壳中未受工程扰动的天然应力，包括由重力﹑地球自转速度变化﹑地热及其他因素产生的应力，也可以理解为地下某深度处岩石受周围岩体的挤压力。地应力是由岩体种类和地质构造运动等综合作用形成的，当地应力形成后，许多局部因素又使其发生变化，导致地应力的分布十分复杂，使得局部应力和区域应力之间有很大差别。
(一)地应力的概念
沉积盆地中的岩层处于三轴应力状态下。“应力状态”是指应力的大小和方向，通常采用三个法向应力来表示岩石单元的应力环境：σ1、σ2、σ3，分别代表*大、中间、*小三个主应力；相应的使用σV、σH、σh，分别代表垂向、水平*大、水平*小主应力。
现今地应力是相对古应力而言，是指地层目前的应力状态。古地应力是地质历史时期中某时间的应力状态(包括岩石变形时的应力)。目前地应力一般是岩层在地质历史中经过多期变形、破裂后(应力集中、释放过程)到目前还“剩余”的应力。由于现今构造还在不断活动，现今地应力随时间不断变化；但是对于大部分沉积盆地，在相当长一段时间内，由于变化速度小，通常认为其是相对“稳定”的。正确认识地应力的来源及组成对于异常高应力储层的压裂改造具有重要意义。
(二)地应力的来源
地应力的来源较复杂，一般包括上覆岩层重力、地层压力、构造活动力。
1.上覆岩层重力及“诱导”的水平应力
地壳上部岩体由于受地心引力而引起的应力称为自重应力。岩体自重作用不仅产生垂向应力，而且由于岩石的泊松效应和流变效应也会产生水平应力。在研究过程中，通常可以把岩体视为连续、均匀且各向同性的弹性体，因此通常可以采用连续介质力学原理来研究岩体的自重应力(沈明荣等，2006)。
图1-1岩体单元的自重应力状态
如图1-1所示，在岩体中距地面深度为H处取一单元体，单元体的垂直应力即为单元体上覆岩体的重量，即
考虑到地层孔隙流体压力作用，部分上覆岩层重力被孔隙流体压力所支撑。但由于颗粒间胶结作用，孔隙压力并未全部支撑上覆岩层压力，于是有效垂向应力为
式中，pp——地层孔隙压力，MPa；
α——Biot系数，即孔隙弹性常数，无因次。
当把岩体视为各向同性的弹性体时，由于岩体在各个方向都受到与其相邻岩体的约束，不能产生横向变形，即εx=εy=0，而相邻岩体的约束就相当于对单元体施加了侧向应力，根据胡克定律，于是有
式中，x，y——分别为地层水平面x、y方向的有效应力，MPa；
E——岩石杨氏模量，MPa；
μ———岩石泊松比，无因次。
E和μ是反映地层岩石的力学特征参数，与岩石类型及所处的环境有关。
假设水平方向应力场是均匀的，则有
地层岩石的泊松比一般为0.20～0.35，泊松比越大，水平应力就越接近垂向应力。考虑孔隙流体压力后的地层水平应力为
因此，岩体自重引发的应力可以表示为
2.构造应力
地壳形成之后，在漫长的地质年代中经历了多次构造运动。由于地质构造、板块运动、地震活动等地壳动力学因素所造成的附加应力分量称为构造应力。构造应力存在着明显的各向异性，因此原地应力也是各向异性的，其*大水平主应力方向常常与构造应力的合矢量方向一致。由于构造运动所引发的应力是构造应力的主要组成部分，而构造应力往往以矢量形式叠加在水平应力之上，使得水平方向的应力场不均匀。
当存在构造应力作用时，由于在两个水平主方向上所附加的有效应力不相等，因此构造应力是导致水平方向上两个主应力不相等的根本原因。设水平方向的构造应力分别为σx2和σy2，假设水平方向的两个构造应力系数为定值，σx2和σy2随深度均匀变化，用有效上覆岩体压力来表示水平构造应力的大小，于是有
式中，σx2——地层水平面x方向的构造应力，MPa；
σy2——地层水平面y方向的构造应力，MPa；
ξx——地层水平面x方向的构造应力系数，MPa-1；
ξy——地层水平面y方向的构造应力系数，MPa-1；
除构造应力会影响原地应力外，温度变化以及岩层软化等也会影响岩层地应力。
3.温度变化引起的热应力
在油气藏开发过程中，火烧油层、注热水和注蒸汽热采可以改变储层乃至整个油藏的应力的大小和方向：在热采过程的有限受热条件与稳定状态下，会产生高切向和径向应力；在地质条件允许产生热膨胀的岩石中，受热过程会产生明显的张应力。考虑岩石为各向同性体，在温度改变时，地层能很快传递消耗由于温度引起的垂向应力改变，使垂向主应力保持与上覆岩层重力的平衡。由于油藏边界可视为无穷大，其侧向变形受到约束，可将温度改变引起的侧向应变视为零，则
式中，Δσh——地层水平面x方向的由于温度变化引起的诱导应力，MPa；
ΔσH——为地层水平面y方向的由于温度变化引起的诱导应力，MPa；
T——为地层温度，℃；
ΔT——地层温度的变化量，℃；
4.其他应力
地应力的其他来源主要有塑性泥岩、盐岩、石膏的“流动”可能使地应力“软化”，造成地应力状态“趋同”，并可能达到与岩层静压力相当；岩石中的矿相变化引起的局部应力变化，如矿物体积的改变等。
二、异常高应力储层的概念
近年来，随着经济的发展，交通隧道、水电站地下厂房、井巷坑道等地下工程迅速发展，其“长、打、深、群”的特点日趋明显，而由于它们所处的复杂地质环境往往易于形成高地应力区，并经常引发岩爆、大变形等相关地质灾害。高地应力及其对地下工程围岩稳定性的影响问题已经引起世界岩石力学和工程地质学界的广泛重视。但由于岩体的复杂性和受地质环境条件影响，高地应力问题研究尚不健全，目前高地应力含义至今也无统一认识。
例如，工程实践中通常将超过20～30MPa的硬质岩体内初始应力称为高地应力；法国隧道协会、日本应用地质协会和苏联顿巴斯矿区等则采用岩石单轴抗压强度(R1)和*大主应力σ1的比值R1/σ1(即岩石强度应力比)来划分地应力级别(表1-2)。这样划分和评价的实质是反映岩体承受压应力的相对能力。陶振宇(1900)对高地应力给出了一个定性的规定，是指其初始应力状态，特别是水平初始应力分量大大超过其上覆岩层的岩体重量。这一定性规定强调了水平地应力的作用。天津大学薛玺成等(1987)则建议用式(1-9)来划分地应力量级：
表1-3地应力分级方案(薛玺成，1987)
说明n=1时为纯自重应力场在应力场中有30%～50%是构造应力产生，其余为重力场应力50%以上的地应力由构造应力产生
可以看出，不同学者和机构对于高地应力的定义有很大区别，目前还没有形成一个统一的方案。
事实上，高地应力是一个相对的概念，并且与岩体所经受的应力历史和岩体强度、弹性模量等诸多因素有关。在强烈构造作用地区，地应力水平与岩体强度有关；轻缓构造作用地区，岩体内地应力大小与岩石弹性模量相关，即弹性模量大的岩体内地应力高，弹性模量小的岩石内地应力低。以上是针对地下工程埋藏深度距离地面较浅时关于高地应力的定义。而在深层油气藏资源的改造过程中，一般是从油气藏埋藏深度和压裂工程特点出发来定义高地应力储层。在本书中，界定高地应力储层是指储层埋藏深、地层温度高、地层压力高、部分储层发育有天然裂缝的储层，在目前国内常规压裂装备能力下(地面限压95MPa)不能有效压开的地层；或者是压开储层后由于施工排量低不能有效实现压裂酸化改造的储层。
根据地应力的来源分析、异常高应力储层的描述可以看出，高地应力储层一般可能会出现在两类地层中：一是储层埋藏深度大，由于垂向应力产生的诱导水平主应力高导致异常高地应力；二是由于储层岩石受挤压产生断层导致构造应力强而形成的异常高地应力。
异常高地应力储层由于普遍具有埋藏深、构造应力强、储层渗透低的特点，使得绝大多数的油气藏钻完井投产后没有经济产量，一般均需要通过压裂、酸化改造才能获得经济产能，因此针对异常高地应力储层改造理论与技术的研究就显得迫切重要。
第三节异常高应力储层油气资源概述
近年来，世界各大主力油田经过近半个世纪开发，浅层油气的发现已经呈下降趋势。世界各国为了满足能源安全和能源供给，纷纷将勘探目标层转向深层。
一、国外异常高应力储层油气资源
美国地质调查局新一轮深层油气资源评价表明，全球待发现的深层常规天然气达23.9×1012m3，占所有天然气资源的17%。以美国为例(王宇等，2012)，仅美国就有20715口钻井深度超过4.5km，其中有11522口井产出了石油或天然气；深度超过6000m的生产井有968口，共有52口钻探深度超过7500ｍ的超深井，27口井在不同层段产出油或气，超深井钻探成功率达到了50%。美国西内盆地阿纳达科凹陷米尔斯兰奇气田7663～8083m的下奥陶统碳酸盐岩内发现了世界上*深的气藏；在美国湾岸(Gulf Coast)