闭合压力

1. 概述

闭合压力是指已存在裂缝张开的最小缝内流体作用在裂缝面的平均压力（PFCP）。它有两种不同的定义，但其实质一样。

（1）开始张开一条已存在的水力裂缝所必须的流体压力。

（2）使裂缝恰好保持不至于闭合所需要的流体压力。

一方面，这一流体压力与地层中垂直于裂缝面上的最小主应力大小相等，方向相反。闭合压力小于开始形成水力裂缝所需要的破裂压力，并始终小于裂缝的延伸压力，即使产层存在天然裂缝也是如此。裂缝闭合压力是所有压裂压力分析的参考，或作为基准压力。该压力相当于油藏渗流分析中的原始地层压力。因此，它是压裂设计与压裂效果评价的重要参数。同时也是选择支撑剂类型、粒径尺寸、铺置浓度和确定导流能力的主要依据。 另一方面，它也有别于地层最小主应力，但是又与最小主应力有关。在均质、单层内进行压裂时，闭合压力就等于压裂层的最小主应力。当裂缝穿过无论在横向或纵向非均质的多层时，由于各层及其内部的最小主应力不同，作用于裂缝高度剖面上的应力也不相同，这时裂缝的闭合应力就是穿过各层的最小主应力的平均应力；因此，闭合应力是裂缝（在无支撑剂条件下）自由闭合的整体特性参数[1]。

2. 测试方法[1]

2.1阶梯注入测试

首先以阶梯变化的方式注入足够排量的液体以造成一条裂缝，紧接着以恒定的速率返排，返排率用油嘴、调节阀或速率控制器控制。阶梯注入测试中，各个注入阶段的持续时间应该相等而且可以相对较短，如图1所示。在整个连续注液阶段中，注液增量应该大致相同。当阶梯注入测试作为回流或递减测试的一部分时，最后的泵注阶段持续的时间应该较长（通常为5～10min），从而确保形成尺寸足够的裂缝。最后根据各泵入阶段末期的井底压力与注入速率的交汇曲线推断出裂缝闭合压力和延伸压力。

2.2回流测试

回流测试与阶梯注入测试相结合可以很好地确定闭合压力（见图2）。回流测试是指以恒定速率回流一段时间， 该速率为最后注入速率的1/6～1/4。由于阶梯注入结束时裂缝已经形成，回流期间裂缝正在闭合及闭合后的压力响应呈两条明显不同的剖面。闭合压力正是由表示这两个阶段的两条直线（或两条曲线的切线）的交点来确定。该测试方法的关键在于，压力下降期间保持稳定的回流速度。所以，需要有一个现场流量调节器测量并控制回流速度。

2.3平衡试验法

用于确定裂缝闭合压力的新型平衡试验是一种与常规泵注/关井/压力递减试验方法类似的泵注试验。 平衡试验不需要关井，而是连续地以一种低的泵注排量，泵注压裂液如同常规关井压力试验的情况一样，由于此排量远小于主压裂泵注排量，因此使得泵注排量小于滤失量，所以施工压力会开始递减。当压裂液的滤失量大于注入量时，裂缝体积和压力便会降低。 当裂缝体积降低到足够低时，缝长也会由于裂缝接近于闭合而可能缩减。压裂液的滤失量会随着时间的延续而降低，直至滤失量和注入排量相等。此时，由于在泵注排量保持恒定的同时压裂液的滤失量随时间的延续而连续降低，裂缝体积稳定，井筒压力则会达到平衡并开始提高。当泵注排量达到平衡时其最低压力便是平衡压力，达到平衡后便可关井完成试验。

2.4压后压降分析方法

常见的压降分析确定闭合压力的方法是作压力与时间平方根或G函数值的图，由这两条曲线图斜率的变化推出闭合压力。由于许多非理想因素的影响，这两种曲线可能会没有明显的斜度变化或者会有多重斜度变化；所以常规关井测试通常并不能反映真实客观的闭合压力值，可以用导数图来放大斜率的变化并增强识别斜度变化。然而某些情况下导数曲线也不能很好地确定裂缝闭合点，因此可使用GdP/dG曲线确定闭合点的方法（见图3）。GdP/dG曲线中间一段为直线，表示人工裂缝闭合过程。当GdP/dG曲线偏离直线段时，表示人工裂缝闭合，因此曲线偏离直线段的点即为裂缝闭合点，对应的压力值即为闭合压力。对比图3中的3条曲线，GdP/dG曲线对人工裂缝闭合更加敏感，更能清楚地指示出人工裂缝闭合点。GdP/dG方法较常见压降分析方法有明显优势不仅适用于常规地层，同时也适用于裂缝性地层。

3. 闭合压力的影响因素[2]

实验结果表明，在单轴压力下，裂缝初始纵横比和裂缝的倾向都会对闭合压力造成影响。

(1)初始裂缝纵横比越小，使裂缝闭合所需压力也越小，这种裂缝孔隙对应力作用也越敏感。

(2)当单轴压力与裂缝面夹角θ≠90°时，单轴压力需要分解，只有当θ大于Byerlee临界滑动角θc才能使裂缝闭合，且θ越大，闭合压力越大，此时裂缝对应力作用也越敏感。

4.应用方向

目前我国大部分油田已进入中后期开采阶段，用于勘探开发的砂岩等常规油气藏逐渐减少，而随着油田勘探程度的不断提高，泥岩裂缝油气藏将逐渐成为今后油气勘探的重要领域。泥岩中的油气主要存储在裂缝中，当裂缝中流体采出后，原来保持平衡的地应力条件发生改变，在应力作用下裂缝产生形变导致闭合，使地层渗透率下降、油气井产能迅速下滑。因此，泥岩裂缝闭合已成为近年来研究的热点问题，我们必须要深刻的了解泥岩裂缝储层的特征，以及如何表征及量化泥岩裂缝闭合程度及其对油气开采的影响，以指导此类气藏合理经济有效的开发[3]。

参考文献

[1]孙翠容,王怒涛,张文昌,刘延超,方诗杰.水力压裂闭合压力确定方法研究[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2010,12(02):60-62.

[2]邱浩,王子振,王瑞和,郭溢,李天阳.单轴压力下裂缝闭合压力及其影响因素实验研究[J].岩石力学与工程学报,2015,34(S2):3915-3921.

[3]朱贺.泥岩裂缝性储层闭合压力及应力敏感性研究[D].东北石油大学,2012.