水力封闭能力评价方法#

水力破裂准则#

目前，岩石力学中评价水力破裂主要采用复合的Mohr-Coulomb(下图a)和Griffith准则(下图b)。Mohr-Coulomb准则一般预测的是发生剪切破裂的临界应力状态，实验证实它不能很好地预测张破裂，将它用于压性区域内，而Griffith准则预测的应力在压性区域内又偏低，不符合实验数据，将它用于张性区域内(下图c)。同时，孔隙流体压力是导致水力破裂发生的关键因素，根据Hubbert提出的有效应力原理来研究水力破裂的作用机理，即将正应力\(\sigma\)分解为有效正应力\(\sigma'\)和孔隙流体压力\(P\)两部分，则剪应力和正应力的关系可以改为与有效正应力\(\sigma\)的关系(下图d)，并将复合的破裂包络线应用于充满孔隙流体的岩石，确定出岩石发生水力破裂的临界有效应力

根据岩石发生张性破裂的孔隙流体压力和有效差应力条件，可以得到水力破裂的判别准则。

随着孔隙流体压力的增加，岩石所受的最大和最小有效主应力都减小，但是有效差应力保持不变，在剪应力和有效正应力关系图中表现为应力莫尔圆逐渐靠近破裂包络线，位移量等于孔隙流体压力的增加量(\(\Delta P=P_2-P_1\))。当应力莫尔圆与破裂包络线相切于点(-T，0)时，发生水力破裂(上图a)，形成的水力裂缝与最小主应力σ3方向垂直(上图b和上图c)。因此，水力破裂准则表示为:

\[ P=\sigma_3+T\]

或者

\[\sigma_3'=−T\]

其中，T为岩石的抗张强度(MPa)；\(\sigma\)为最小主应力(MPa)；\(\sigma'\)为最小有效主应力(MPa)，规定张应力为负值。

也就是说，当孔隙流体压力增加到大于等于最小主应力与岩石抗张强度之和，即当最小有效主应力表现为张力且大于等于岩石抗张强度时，发生水力破裂。Gaarenstroom等人系统研究了北海盆地内盖层发生水力破裂的风险，提出了保持力这一参数定量评价水力破裂的风险，保持力也就是水平最小主应力与孔隙流体压力的差值，也就是水平最小有效主应力。当水平最小主应力一定时，孔隙流体压力越大，则保持力就越小，盖层发生水力破裂的风险就越大。

保持力(RetentionCapacity)#

参见：断层稳定性评价方法

盖层水力封闭能力可通过临界附加流体压力求得。据此，Gaarenstroom提出了利用保持力(RetentionCapacity)方法来评价盖层的水力封闭能力

如上图A所示，保持力是盖层的水力破裂压力与附加流体压力(additionalporepressure)之差，其中盖层的水力破裂压力为水平最小主应力与岩石抗张强度之和，即在无外界流体压力扰动的统一压力系统下，盖层的保持力为水平最小主应力与岩石抗张强度之和。

随着埋深增加，水平最小主应力往往较岩石的抗张强度高十几甚至几十倍，同时考虑泥岩抗张强度在平面上分布的不均一性，在部分情况下可以忽略岩石的抗张强度的影响，仅将盖层水力破裂保守估算为水平最小主应力(评价结果一定程度上高估了盖层的水力破裂风险)。

从以上盖层水力封闭评价模型中可以看出，盖层的水力破裂风险是建立在张性破裂前提之上的。从水力封闭机理研究中得知，在不同埋深条件下，盖层发生水力破裂的形式具有明显差异。因此首先需掌握盖层段的埋深，来明确盖层可能发生的破裂方式，一般来说，张性破裂采用保持力方法，剪切破裂可以采用FAST方法。