（一）地应力场
水力造缝的本质是岩石在液体压力作用下的破裂及变形问题，因此造缝特性与岩石的受力及力学性质有关。 1．地应力场概念
地应力是由于岩石变形引起的介质内部单位面积上的作用力，它的大小与方向随空间位置的不同而变化，从而构成了地应力场。油层在生产或注水过程中由于孔隙压力发生变化，作用在岩石骨架上的应力也会变化，从而导致整个地应力场发生变化。地应力场的研究包括地应力大小与方向的研究。一般说，构造等地质因素与环境相对稳定的地层，其应力的变化比较小。构造复杂、天然裂缝及断层发育的地层，其应力的变化较大。整体压裂设计中，水力裂缝方向与开发井网方向的相互关系影响到井的泄油面积和采出程度，而压裂施工中，水力裂缝方向总是沿着最大主应力方向，因此了解地应力场对经济有效地开发低渗油气藏是至关重要的，它是整体压裂优化设计的关键。 2．地应力剖面
研究地应力大小在纵向上的变化即地应力剖面，对深部地层，目前国内石油界常用的方法如下。 （1）长源距声波与密度测井方法
该方法通过测井取得剖面上变化的岩石的纵波速度vP和横波速度vS，然后求出岩石泊松比ν的纵向变化，利用下列公式求出最小水平主地应力σh，而取得地应力剖面。
这是目前深部地层确定最小就地应力值最基本和直接的方法，与其他测量方法比较也是最可靠的。该方法是将不含砂的压裂液注入地层，停泵后测压力降落曲线，待曲线上出现拐点后测试结束，出现拐点时相应的压力即裂缝闭合压力，其大小与岩层中垂直于裂缝面的应力值相等，也即就地最小主应力；并用它来校验由测井方法取得的结果。 3．地应力方向
目前国内研究地应力方向的主要方法如下：
（1）地层倾角测井法用该方法来测量井筒的变形，从井筒椭圆度的长轴与短轴方向来确定主地应力的方向，长轴方向为最小主地应力的方向。
（2）地面电位监测法该方法是在压裂作业时通过压裂井周围地面电位的变化，判断裂缝延伸的方向，从而确定最小主地应力方向。
（3）微地震波法由于岩石的破裂相当于一个微地震源，进行压裂作业时，在周围井安装检波器以获得岩石破裂信号来判断裂缝延伸方向，从而确定最小主地应力方向。根据检波器的位置分为地面监测与井下监测两种，目前国际公认井下监测精度较高。
（4）实验室差应变法与古地磁法结合该方法主要利用取得的岩心，加工制成不同的试验岩样，通过古地磁相对于地理北极方向确定岩心坐标系，通过差应变法确定主地应力相对岩心坐标系方向，两者结合就可确定主地应力相对地理北极方向；除此以外，还可确定主地应力的比值。
（5）数值模拟法该方法主要利用弹性力学有限元模型，依据应力测量资料，反演远场应力边界条件，进而计算出弹性应力场。它可以计算出地应力的大小与方向。 （二）岩石力学参数
在压裂施工的设计和分析中，通常涉及的岩石力学参数如下。 1．弹性模量
岩石的弹性模量对造缝宽度及压裂压力有较大影响。在裂缝高度假设为恒定的1二维模型中，对牛顿流体，裂缝宽度与弹性模量的四分之一成反比，即 W ～1／E4；对非牛顿流体，裂缝宽度与弹性模量的关系是：W ～1／E12n′＋2，式中n′为非牛顿流体幂律指数。进行压裂设计时，砂岩的弹性模量取值范围一般为1×104～4×104MPa。 2．泊松比
岩石的泊松比是决定水平地应力的一个重要参数。从式（1－11）可看到，它决记了垂直上覆有效应力作用下水平有效应力的大小。砂岩的泊松比取范围一般为0．15～0．35。 3．断裂韧性
在模拟裂缝的延伸过程中，一般假定裂缝的延伸是在一个水平面内，大多数裂缝模型在判别裂缝延伸的条件时都利用了线弹性断裂力学中Ⅰ型应力强度因子的概念，它反映了裂纹尖端附近区域内各点应力的强弱。当应力强度因子增大到某一临界值时，岩石的裂缝将发生急剧的不稳定扩展。岩石应力强度因子的临界值称为岩石的断裂韧性，它决定了裂缝在延伸过程中所需的力。因此岩石断裂韧性是目前水力压裂设计中一个很关键的参数，可以在实验中求得。常温常压下求得的砂岩断裂韧性值一般在0．5～3．0MPa·m1／2范围内。
4．孔隙弹性系数
孔隙弹性系数反映了孔隙压力对岩石变形的影响，也是求取水平地应力的一个重要参数。孔隙弹性系数α定义为：
另一种方法是实验室利用现场取得的岩心加工制成标准岩样，进行实验测试求取岩石力学参数。为获得地层条件下岩石的力学参数，实验室在进行实验时应模拟岩层实际承受的地应力与孔隙压力状况，否则不同的条件其结果将有较大的差别。 （三）水力压裂造缝 1．裂缝的起裂
水力裂缝起裂从点源开始，逐步连接成线源缝，井筒周围裂缝起裂可能是多条缝，在裂缝延伸过程中逐步形成一条主缝。地层破裂形成裂缝，首先要克服地应力及岩石的抗张强度。一般来说，岩石的抗张强度比抗压强度低得多，而且由于节理或天然裂缝的作用，在一些地层破裂的模式中，也采用岩石抗张强度为零的假说。较常用的预测地层破裂压力的模式为： 2．裂缝延伸
裂缝的延伸是指岩石破裂形成裂缝后，在缝内液体压力作用下继续向前扩展的过程，主要研究侧向（长度）与垂向（高度）上的延伸，它的延伸平面总是垂直于最小主地应力方向，也即沿着最大主地应力方向。地层破裂在近井筒地带形成裂缝的几何形态是较复杂的，也可能是多条缝。随着裂缝的延伸，逐渐形成一条主缝，在天然裂缝发育等条件下，将会出现多裂缝。裂缝的延伸压力是指扩展裂缝所需要的压力，一般低于破裂压力，但有些天然裂缝发育的地层，地层破裂压力并不明显。实测得到的裂缝延伸压力往往高于利用模型预测的裂缝延伸压力，这是由于模型的一些假设条件，如裂缝延伸准则等并不一定符合实际的地层条件。目前许多模型在这些假设条件方面作不同的修正，以便数值模拟的结果更能代表实际情况。裂缝垂向上的延伸主要受地应力控制，一般认为，隔层与储集层的应力差达到5～7MPa 便可有效地控制裂缝的垂向延伸。在层与层之间水平地应力相差不大的情况下，岩石的力学性质差异如弹性模量差异、断裂韧性差异等，也可成为控制裂缝垂向延伸的重要因素。 3．裂缝闭合
压裂施工停泵后，使裂缝逐渐闭合的压力称为闭合压力。由于施工期间高压液体从裂缝壁面向地层滤失，使缝周围的孔隙压力增高，也引起周围地应力场变化，因此裂缝的闭合应力要高于水平最小主地应力。在小型压裂测试中，由于注入液量较少，裂缝周围孔隙压力的变化有限，因此可以认为从小型压裂测试压降曲线分析中得到的裂缝闭合应力即为最小主地应力。 （四）裂缝中支撑剂的输送
压裂施工过程中，支撑剂和压裂液混合形成的携砂液在裂缝中运动，支撑剂的运动方向一是向裂缝端部，另一方面由于重力作用将逐渐在裂缝中下沉。目前在支撑剂输送模拟中，主要考虑两种情形：第一种是一维输送模拟，认为缝中支撑剂砂子是全悬浮的，支撑剂铺置在整个缝壁面上，这种考虑简单但不符合实际情况。第二种是二维输送模拟，即考虑缝中支撑剂的沉降，对低粘液体，支撑剂的沉降速度较高，容易在裂缝底部形成砂堤。对高粘液体，支撑剂沉降速度较低，可以认为是全悬浮，支撑剂也可在裂缝中运移相当长距离。支撑剂在缝中的输送受很多因素影响，如携砂液的粘度、浓度的变化、支撑剂的粒径及密度等。压裂液在缝中运移的过程中，由于滤失造成浓度增高，加之温度、剪切速率、剪切时间的变化，携砂液的特性（包括粘性和弹性）也随时间和空间位置不断变化，导致支撑剂的输送及沉降速率也在不断变化。因
此在实际压裂施工中，支撑剂的输送表现在最后支撑剂沿缝长和缝高的浓度分布上是极为复杂的。得到合理的支撑剖面是极为重要的。 （五）水力裂缝数值模拟 1．基本数学模型
目前用于描述水力压裂过程中裂缝起裂、延伸及最终几何形状、尺寸大小的数学模型主要包括以下一些基本组成部分。
（1）岩石的受力与变形的关系 模拟的基本关系可以用下式表示：
⑽p＝f1（W ，Ω，E，ν） （1－16）
式中 ⑽p———缝内净压力，定义为缝内流体压力减去裂缝闭合压力；
W ———造缝宽度；Ω———裂缝的各种不同截面面积，包含了缝长、缝高等因素； E，ν———分别为岩石的弹性模量和泊松比。 （2）液体在裂缝中的流动
根据不同情况可考虑一维流动和二维流动。 （3）压裂液滤失 基本关系式可表示为：
qL＝f3（CL，S，t） （1－18） 式中 CL———综合滤失系数； S———裂缝面积； t———滤失时间； qL———滤失量。
此外，也可利用达西定律，通过油藏模拟的方法求取液体的滤失量。（4）物质平衡关系考虑注入液体总量与造缝体积和滤失进地层液体之间的平衡关系。 ⑽q＝f4（qL，⑽Vf） （1－19） 式中 ⑽q———注入量的变化； qL———液体滤失量； ⑽Vf———裂缝体积的变化。 （5）裂缝延伸准则
目前在处理裂缝延伸的条件通常是借助于描述金属内部微裂缝扩展的各种准则，如用应应强度因子、裂缝前缘的张开位移等来建立判断地层内水力裂缝延伸的准则。 2．二维裂缝模拟及其应用
在研究裂缝的几何形状时，假定裂缝的高度不变，在此基础上的裂缝数值模拟称为二维裂缝模拟，裂缝面的外轮廓线接近矩形，有时也称为矩形模型。这种模型运用于油层的上、下界层应力较高的情形。模型根据油层与界层接触面上有无滑移而分成两种类型：一种是由Christionove 和Zheltov 提出的是由Geertsma，De Klerk，Doneshy 加以发展的CGD 模型。他们研究的裂缝在边界层上产生滑移，因此裂缝的横截面是矩形，横截面的面积S＝W （x，t）。裂缝是在无限大的、均匀的、各向同性的弹性介质中扩展，考虑在水平面上承受一个平面应变的弹性问题。另一种是由Perkins 和Kern 提出，后由Nordren 加以发展的PKN 模型。他们研究的裂缝在边界层上不产生滑移，因此裂缝横截面的形状是椭圆的，横截面的面积是S＝π／4HW （x，z，t）。平面应变问题是在每一垂直平面上考虑，而且不考虑两个垂直平面之间的相互影响。对CGD 模型和PKN 模型，岩石的受力与变形关系式（1－16）可分别表示为： 3．三维裂缝模拟及其应用
当油层和上、下界层之间的应力差较小，不足以阻挡裂缝在高度上延伸时，裂缝就可能向上、下扩展，这时裂缝的长、宽、高都是随时间变化的量，裂缝的几何形状称为三维的。原则上裂缝的长、宽、高可由解三维非线性弹性方程、连续方程、流动方程和裂缝扩展准则得到，这时的裂缝模拟称为全三维裂缝模拟，
但这样耦合问题的解是相当复杂的，有时为了避免解的复杂性，在裂缝长、宽、高的变化及解法上给以某种假设条件，这样的裂缝模拟就称为拟三维裂缝模拟。
压裂液及其添加剂
压裂液按泵注顺序和所起作用不同分为预前置液、前置液、携砂液和顶替液。目前，国内外有各种压裂液体系以适应不同油气藏和不同施工工艺的要求。现代压裂液按配制材料化学性质和压裂液体最终性状的不同而分类命名，包括水基压裂液、油基压裂液、乳化压裂液、泡沫压裂液、醇基压裂液、表面活性剂胶束压裂液和浓缩压裂液等。 一、水基压裂液体系
水基压裂液是以水为分散介质，添加各种处理剂，特别是水溶性聚合物，形成具有压裂工艺所需的较强综合性能的工作液。一般水溶性聚合物与添加剂的水溶液被称为线性胶或稠化水压裂液。而线性胶一旦加人交联剂，则会形成具有粘弹性的交联冻胶。水基压裂液以其安全、清洁和容易以添加剂控制其性质而得到广泛的应用。除了极少数特别对水敏感性地层，水基压裂液几乎可以应用到所有的油气储集层，是压裂液技术发展最快也最全面的体系。 （一）水基压裂液添加剂 1．稠化剂
水溶性聚合物作为稠化剂，可以应用植物胶（如饥肽香豆胶、日奔胶、皂仁胶、槐豆胶、魔芋胶和海藻胶）及其衍生物、纤维素的衍生物（如梭甲基纤维素、羟乙基纤维素等）、生物聚合物（黄胞胶〕以及合成聚合物（如聚丙烯酸肽甲叉基聚丙烯酸胺、按甲基聚丙烯酸胺等）。不同水基压裂液稠化剂分子结构示意图。 （1）植物胶及其衍生物。
目前，植物胶及其衍生物是水基压裂液系统的主要稠化剂，占总使用量的90％以上。大多数植物胶均属于半乳甘露聚糖，具有相似的结构和不同的组成与分子构象，表现出不小的物理和化学性质。国外普遍使用的是脱胶及其羟丙基化或按甲基化的衍生物。国内的植物胶包括香豆胶、田着胶和皂仁胶及其衍生物。 （2）纤维素衍生物。
纤维素是一种不溶于水的非离子型直链多糖。常用纤维素衍生物有接甲基纤维素（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）和核甲基羟乙基纤维素（CMHEC）等。 （3）生物聚合物。
黄胞胶是以黄单孢杆菌与1％～5％的碳水化合物以及磷源和镁源在一定条件下发酵生成的水溶性轻度阴离子型聚糖衍生物，水不溶物含量在0．5％以下。黄胞胶用量少（0．05％～0．1％），增调性好，水不溶物和冻胶残渣量低对地层伤害小。但制备工艺的技术性高，价格也较高，国内尚未进行压裂工业性应用。 （4）合成聚合物。
目前国内应用的三种稠化剂性能指标对比，其他详细性能和具体实验方法可以参照中国石油天然气行业标准SY／T6074—1994 植物胶及其改性产品性能测定方法、SY／T5766—1995 压裂用香豆胶、SY／T 5764—1995 压裂用脱胶和羟丙基抓胶等。 2．交联剂
交联剂是能通过交联离子（基团）将溶解于水中的高分子链上的活性基团以化学链连接起来形成三维网状冻胶的化学剂。聚合物水溶液因交联作用形成水基交联冻胶压裂液。 （1）两性金属（或非金属）含氧酸的盐。
由两性金属（或非金属）组成的含氧酸根阴离子的盐，如硼酸盐、铝酸盐、锑酸盐、钛酸盐等，一般为弱酸强碱盐。在水溶液中电离水合后溶液呈碱性。这些两性金属离子以羟基化合物酸根阴离子的形式存在，在pH 值为7～11 （锑酸盐在3～6）下，其羟基化合物阴离子通过极性键和配位键与含有邻位顺式羟基的
各种非离子型半乳甘露聚糖植物胶及其衍生物交联。典型实例为硼砂，其化学名称为十水合四硼酸钠，分子式为Na2B4O7·10H2O，是一种坚硬结晶或颗粒。交联机理为硼砂在水中离解成硼酸和氢氧化钠，硼酸继续离解成四羟基合硼酸根离子与非离子型聚糖中临位顺式羟基络合形成冻胶。一般交联浓度为0．4％～0．8％的半乳甘露糖植物胶水溶液，硼砂的用量在0．01％～0．1％左右。现场中将硼砂配成水溶液作交联剂使用，其水溶液与线性胶溶液的比例称为交联比，交联比常根据现场泵人交联剂的能力确定，按交联比配制不同浓度的硼砂。其特点是清洁无毒、交联的压裂液破胶彻底对储牌层伤害小，但其交联速度快、交联的压裂液耐温在90℃以下，使其应用受到一定限制。 （2）有机硼。
有机硼是用特定有机络合基间（如乙二醛等）在一定条件下和硼酸盐作用的络合产物，是一种略带黄色的液体。其交联机理为与硼砂类似，但由于有机络合基团的引入，使四羟基合硼酸根离子的生成是有控制的缓慢生成，即具有延迟交联作用。同时，由于有机络合基团的引入可以在高温下缓慢释放需要的硼离子而使其具有耐高温特性，而引入的有机络合基团在长时间高温作用下可以转化为有机酸，使压裂液降解减少对地层的伤害，因而具有自动内破胶机制。一般交联浓度为0．4％～1％的聚合物，有机硼的用量在0．5％以下。它克服了无机硼交联压裂液耐温性能差（小于90℃）、快速交联（小于10s）、适用范围小、施工摩阻高等不足；同时也达到或接近了有机钛、错交联压裂液的耐温能力，克服了有机金属交联压裂液破胶困难，对支撑裂缝导流能力伤害大的缺点。目前，国内已成功地将其应用于温度153℃、井深超过5800m 的高温深井，并取得了良好的施工参数和增产效果。 （3）无机酸酯（有机钛或锆）。
无机酸分子中的氢原子被炸塞取代牛成龙机酸酯，用作交联剂的宪机酸酯l 要是一些高价两性金属含氧酸酯，如钛酸酯、锆酸酯。用钛盐、铝盐制取的钛酸酯、铅酸酯俗称有机钛和有机锆则是非离子型植物胶理想的高温交联剂。常见的有机钛和三乙醇胺异丙基钛酸酯，有机锆如乙酰丙酮锆酸酯。一般交联浓度0．4％～1％的聚合物，有机钛锆的用量在0．5％以下。其耐温能力远高于硼砂，可达到180℃，且能延迟交联。但往往带来压裂液的破胶困难。 3．粘土稳定剂
清水将引起粘土颗粒膨胀或迁移。在水基压裂液中，常加入粘土稳定剂防止粘土膨胀、分散和运移。氯化钾是压裂液中常使用的粘土稳定剂，使用浓度一般为1．0％～2．0％。 4．杀菌剂
用于抑制和杀死微生物，使配制的基液性质稳定，防止聚合物降解，同时阻止储集层内的细菌生长。甲醛（HCHO）、乙二醛（OHCCHO）、戊二醛（OHCCH2CH2CH2CHO）及其复配物具有良好的杀菌防腐作用，用最根据地表气温和配制水质而定，一般浓度为0．5％～1．0％，是水基压裂液常用的杀菌剂。它们均为液体，有刺激性气味，对人体有害。对于压裂液杀菌剂的杀菌效果，最简单的评价方法为在不同条件下压裂液放置不粘度的变化，防止粘度下降的能力一般就表现为杀菌剂的杀菌能力。
D—580 百宜压裂液专用杀菌防腐剂。植物胶属于聚糖类高分子化合物，极易受微生物的侵蚀而降解。特别是腐生菌对植物胶的危害最大。D—580百宜压裂液专用杀菌防腐剂是我单位采用国外先进技术和生产工艺专门针对此而研制的。它是以阳离子长链聚合物、表面活性剂、稳定剂复合而成的广谱杀菌防腐剂，对杀灭腐生菌、硫酸盐还原菌、铁细菌有特效。是目前国内植物胶压裂液防腐剂的换代产品。它不仅提高压裂液冻胶的运动粘度，而且可以延长压裂液的保存时间。 5．表面活性剂
水基压裂液中表面活性剂常用于压后助排和防乳破乳作用，有时也用作配置压裂液时的消泡剂。乳化压裂液用表面活性剂做乳化剂。泡沫压裂液又用表面活性剂做起泡剂。表面活性剂还用于防止和处理井眼附近的水锁，即所谓的压裂液助排；影响压裂液返排的主要因素是地层压力降、粘滞力和毛细管力等。地层压力降越慢，排液压差越大，即具有排液的动力越大；粘滞力与地层孔隙大小、压裂液破胶液粘度、残渣含量、颗粒大小以及油水乳化的“贾敏效应”有关；毛细管力按下式确定： pc＝2σcosθ／r （1－27）