下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
现代强度理论认为，真实材料内部有缺陷，这些缺陷导致材料内部的应力集中，使得材料的实际强度比理论强度低得多。岩体内含有天然裂缝，这些缺陷在外力的作用下，通过突发性的裂解而破坏，表现出脆性行为。脆性指数是实施缝网压裂技术的重要参数，脆性指数越大，储层越适合实施体积压裂技术。
计算方法如下：
式中 I B ——脆性指数，%；
E ——岩石的弹性模量,10 4 MPa;
ν ——岩石的泊松比，无量纲；
min,max——分别为该参数在某个地层段内的最小值和最大值；
I B ,E , I B ,v——分别为通过弹性模量和泊松比计算的脆性指数。
通常, E max 取 8(10 4 MPa), E min 取 1(10 4 MPa）， ν max 取 0.4, ν min 取 0.15,脆性系数可计算为
对石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿等脆性矿物的研究发现：石英和黄铁矿具有较高的弹性模量和较低的泊松比，对应较高的脆性指数；而长石、方解石以及白云石的脆性指数大部分低于 50%。由此可知，石英和黄铁矿是脆性较高的脆性矿物，当储层中不存在黄铁矿时，考虑采用钙质矿物作为脆性矿物。矿物组成的脆性系数可计算为
式中 V cl ——黏土矿物含量；
V qu ——硅质矿物含量；
V ca ——钙质矿物含量。
水平应力差异系数可计算为
按照水平应力差异系数 K a 大小来判断，水平应力差异系数为 0 ~ 0.2 时，水力压裂能够形成充分的裂缝网络；水平应力差异系数为 0.2 ~ 0.3 时，水力压裂在高净压力时能形成较为充分的裂缝网络；水平应力差异系数大于 0.3 时，水力压裂不能形成裂缝网络。
根据岩心观察、FMI测井、岩心模拟实验等手段判断天然裂缝的发育情况，当天然裂缝比较发育时，容易形成裂缝网络，是进行体积压裂的先决条件。
根据Warpinski和Teufel的破裂准则，当天然裂缝发生张性断裂时的力学条件为
当两条裂缝相交后，水力裂缝缝端和天然裂缝连通，压裂液大量进入天然裂缝，天然裂缝的液体压力大小为图 1.1
根据二维线弹性理论，剪应力和正应力可表示为
式中,0 < θ ≤π/2。
将式(1.9)、式(1.10)、式(1.11)代入式(1.8)后整理得到，发生张性断裂所需裂缝内净压力为
式中 p ( x , t )——裂缝内近壁面液体的孔隙压力,MPa;
σ n ——作用于天然裂缝面的正应力,MPa;
p net ( x , t )——裂缝内净压力,MPa;
τ ——作用于天然裂缝面的剪应力,MPa;
σ H , σ h ——分别为水平最大主应力和水平最小主应力,MPa;
θ ——天然裂缝与主裂缝的夹角；
p net max ( x , t )——使天然裂缝开启的最大净压力,MPa。
天然裂缝开启示意图如图 1.1 所示。
图 1.1 天然裂缝开启示意图
通过式(1.12)可知，缝内的净压力 p net ( x , t )起诱导作用，该力可以传送到主裂缝周围的任意张开的裂缝内。天然裂缝中最不利于延展的方位是最小主应力方位，此时闭合应力为最大主应力，天然裂缝张开所需的净压力大小为最大主应力与最小主应力之差[式(1.13)]。如果想制造最宽的缝网，需要比较小的最大、最小主应力之间的差值，或者人为增加净压力大小。
岩石的剪切断裂通常用库仑准则来描述，它是从无黏聚力土的摩擦强度准则中发展来的。当作用于天然裂缝的剪应力较大时，则天然裂缝容易发生剪切滑移，此时可表示为
当两条裂缝相交后，水力裂缝缝端与天然裂缝连通，压裂液大量进入天然裂缝，天然裂缝近壁面的孔隙压力为
同理，将式(1.10)、式(1.11)、式(1.15)代入式(1.14)后整理，得到发生剪切断裂所需裂缝净压力为
根据式(1.16），当
时,
p
net
(
x
,
t
)有最小值，其最小值
p
net
min
为
当 θ = π/2 时有最大值，净压力最大值 p net max 为
一般认为，天然裂缝 0 = 0,天然裂缝或地层弱面发生剪切断裂的最大值同样为水平主应力差值。综合两种情况可知，针对在天然裂缝性储层，使得天然裂缝张开、形成分支裂缝的力学条件（最大需求）为裂缝内净压力超过储层水平主应力的差值。