1.1 水力压裂机理

在油田开发过程中，对油层进行高压注水时，油层的吸水量随注水压力的上升按一定比例增加。当压力值突破某一限度时，就会出现吸水量成几倍或几十倍的增加，远远超出了原来的比例，而且当突破某一限度后即使压力降低一些，其吸水量仍然很大。实践中的这一偶然发现，给人们以认识油的新启示：既然油层通过高压作用能提高注入量，那么通过高压作用能否提高油层的产量呢？经过实践证明，油层通过高压作用后，能较大幅度地提高产量。

1947 年美国的湖果顿气田克列帕 1 号井最早进行压裂工作，苏联是 1954 年开始的，而我国是 1952 年在延长油矿开始的。20 世纪 40 年代末，水力压裂常作为一口井的增产措施。水力压裂发展至今在油气田开发中的意义，远远超过了一口井的增产增注作用。它在一定条件下能起到改善采油或注水剖面，提高注水效果，加快油田开发速度和经济效果的作用。近年来，国外在开发极低渗透率的气田中，水力压裂起到了关键性的作用。本来没有开采价值的气田，经大型压裂后成为有相当储量及开发规模很大的气田。从这个意义上讲，水力压裂在油气资源的勘探上起着巨大的作用。压裂是油气井增产、注水井增注的一项重要措施。其优点是施工简单、成本较低、增产（注）显著，适用于致密、低渗透地层。

水力压裂是人们利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力的排量将压裂液泵入井内而在井底产生高压，当该压力克服井壁附近地应力并达到岩石抗张强度时，就在地层产生裂缝，继续注入带有支撑剂的混砂液，使裂缝继续在地层中不同方向延伸并在其中充填支撑剂。停泵后，由于裂缝的复杂性，裂缝不能完全闭合，具有一定的导流能力；或者由于支撑剂对裂缝的支撑作用，在地层中形成足够长的、有一定导流能力的填砂裂缝；或者大量流体注入地层，提高了孔隙压力，或者注入了增能型的气体，如氮气、二氧化碳等，提高了地层压力及流体的流动性，从而实现油气井增产和注水井增注。水力压裂主要用于砂岩、砂砾岩、页岩气、煤层气油气藏，在部分碳酸岩油气藏也得到应用。

水力压裂的增产增注机理主要体现在 4 个方面：①沟通非均质性构造油气储集区，扩大供油面积；②将原来的径向流改变为线性流和拟径向流，从而改善近井地带的油气渗流条件；③解除近井地带污染；④增加地层压力及流体流动性。

体积压裂基本定义如下所述。

在广义上，体积压裂技术包括直井分层压裂技术及水平井分段压裂技术。在狭义上，体积压裂技术是指通过压裂措施在储层中形成裂缝网络的技术。通过压裂方法，破碎低渗透性储层岩石，形成裂缝网络，裂缝面与储层基质之间的接触面积最大，油气从基质向裂缝渗流距离最小，大大提高了整个储层的渗透率，从而实现储层长、宽、高方向的立体压裂。

体积压裂具有以下基本内涵：

①体积压裂裂缝不仅具有简单的开放性断裂形式，还具有剪切破坏和滑移形式。目前，国内外对剪切引发和拉张引发的研究较多，裂缝是建立在经典力学理论基础上的。脆性破裂的广泛存在是体积裂缝产生的原因之一。诱导影响下、局部孔隙压力的变化，使得裂缝的起裂扩展呈现复杂性。

②体积压裂技术的核心是基质中的流体沿“最短距离”向裂缝渗透，降低了基质中流体有效渗流的驱动压力，缩短了基质到裂缝的渗流距离。

在体积压裂过程中，裂缝在储集层中形成网状结构，储层渗透特征发生变化，主要体现在流体中基质可以沿“最短距离”向各个方向渗透到裂缝中，也就是说在流体渗流过程中从基质到裂缝，它们的流动遵循最小阻力原则，自动选择最佳距离（不一定是物理意义上最短的距离），然后从小裂缝回流到较大的分支裂缝，再流向主干裂缝，最后流向井筒。

渗流特征受渗流面积、流动距离、驱动压差控制。这些研究从理论上证实了用“最大、最短、最小”诠释体积改造技术核心理论内涵的合理性。裂缝切割的基质中油气与裂缝间渗流距离仅为数米；对微、纳达西级渗透率储集层，基质中的流体流动至裂缝所需的驱动压差已极大地减小，基质中的油气动用基本无阻碍。

“密切割、立体式、超长水平井”是北美对体积改造技术理解与应用的新突破，其核心是进一步缩短基质中的流体向裂缝渗流的距离，大幅降低驱动压差，增大基质与裂缝的接触面积。立体式体积改造从平面发展到立体，突破了体积改造在平面上“打碎”储集层的思路。

根据研究，当基质渗透率为 1 × 10 ^-5 md,裂缝间隔为 91 m时，流体流动所需的驱动压力可达 20 MPa。这种情况在实际开发中很难满足，基质中的流体很难被置换。渗透时间方程计算公式为

式中 t ——基质到裂缝液流时间,min;

L ——液体从基质到裂缝的渗透距离,m;

Φ _m ——孔隙度，%；

μ ——液体黏度,MPa·s;

K _m ——基体渗透率,10 ^-3 m ² ;

Δ p ——驱动压差,MPa。

当基体渗透率为 1 × 10 ^-5 md时，从基体到裂缝 100 m距离渗流所需的时间约为 1 ×10 ⁶ 年。

由式(1.1)的计算可以得出这样的结论：如果渗透时间压差相同，则渗透率越小，有效渗透距离越短。只有利用体积压裂技术在储层中形成裂缝网络，才能实现基质流体对裂缝的“最短距离”渗流。

③体积压裂技术更适用于高脆性油气藏。储层脆性指标不同，体积压裂技术有所不同。根据岩石矿物学分类，如果页岩中石英含量超过 30%，则认为该页岩具有很高的脆性。脆性指数越高，岩石越容易形成复杂的断裂网络。脆性指数是指导压裂模型和液体体系优化的关键参数。

④体积压裂技术常采用“分阶段多簇射孔”的思路改造储层。利用裂缝间干扰产生更复杂的裂缝。这是储层压裂技术和理论的重大突破，也是体积压裂的关键技术之一。 gMxymbdeK6Ck4qK2va8JCqQ9V5lAJKBFiMiCBfAvYhv3+i/OFNugvW2pNScVV1WX