定向射孔水力压裂起裂压力的预测模型

目前水力压裂起裂压力的预测模型均针对螺旋射孔的情形,忽略套管对井周应力场的影响,已不适用于定向射孔水力压裂起裂压力的预测。定向射孔时,井周未产生微环隙,以此建立了套管井井周应力的解析模型。以渤海BZ25-1油田A1井为例,将该井周应力解析模型与有限元模型进行对比,其最大误差仅为2.3 % 。同时,结合Hossain模型和最大拉应力准则, 建立了套管井定向射孔时孔眼的起裂压力和起裂角的预测模型。考虑流体渗流和套管的共同作用,采用水力压裂的渗流与变形耦合的数值计算方法进行验证,该模型得到的起裂压力与数值计算的误差仅为2.9 % ,表明该模型准确可靠,可以用于指导定向射孔水力压裂的设计。     

高压水射流射孔井眼应力数值模拟研究

水力射孔技术是一种新型完井方式,利用深穿透水力射孔技术辅助定向压裂,可实现油层改造和油井增产。考虑套管水泥环的影响,采用有限元理论结合ANSYS软件计算了高压水射流水力射孔井眼周围的应力,重点分析了水力射孔参数对井周应力的影响规律,初步研究了直井水力压裂时水力射孔对裂缝起裂的影响。计算结果表明,沿最大水平地应力方向布孔时,孔眼根部的周向拉应力最大,裂缝将会在孔眼根部起裂;选择合理水力射孔参数可有效降低地层破裂压力。研究结果可为高压水射流水力射孔辅助定向压裂提供参数优选的依据。     

页岩储层射孔水平井分段压裂的起裂压力

目前,页岩储层水力压裂裂缝起裂和扩展机理研究已成为国内外水力压裂研究领域的重要课题,射孔水平井分段压裂技术是其高效开发的主要手段。针对目前部分裂缝起裂压力模型在计算射孔水平井横向裂缝起裂时破裂压力过低、严重偏离实际的问题,基于Hossain模型和Fallahzadeh模型,建立了新的水平井射孔孔道表面的应力分布模型;同时开展了水平井分段压裂的诱导应力分布研究和不同压裂工艺条件下复合地应力的分析;进而针对页岩储层的岩性特征,建立了考虑诱导应力条件下,页岩储层射孔水平井水力压裂在岩石本体起裂、沿天然裂缝剪切破裂和沿天然裂缝张性起裂3种方式下的起裂压力计算模型,提出了页岩储层水力裂缝起裂方式和起裂压力的判别方法。该成果对于页岩储层水力压裂裂缝起裂机理的研究和现场应用具有一定的指导意义。     

新井定向射孔转向压裂裂缝起裂与延伸机理研究

为了提高特低渗油藏新井的压裂效果,提出了采用定向射孔技术进行转向压裂从而形成双S型水力裂缝的新方法。基于有限元三维应力分析,研究了定向射孔下水力裂缝的起裂机理。考虑任意裂缝形态、地应力和缝内液体压力分布的影响,建立了任意形状裂缝应力强度因子的确定模型;同时考虑Ⅰ型和Ⅱ型断裂,建立了复合裂缝延伸准则。提出了定向射孔水力压裂裂缝的延伸轨迹计算模型和步骤,编制了裂缝延伸的模拟软件。采用地面微震进行了3口井的现场验证,地面微震检测结果与计算结果吻合。利用定向射孔压裂技术在单个层内可以形成双S型水力裂缝,可作为提高特低渗透油田产量的一种方式。     

挤水泥挤注压力计算方法研究

挤水泥是修补固井质量的重要措施,合理控制挤注压力是成功挤水泥的关键。目前,预测挤水泥挤注压力的方法只重视地层起裂压力,没有考虑水泥环的承载能力,这与挤水泥的实际情况不符。为此,采用弹性力学平面应变理论建立了综合考虑套管、水泥环、地层弹性组合体在挤注内压、地应力和射孔共同作用下对应的水泥环起裂和地层起裂模型,进而在此基础上提出了挤水泥的挤注压力计算方法。利用该方法进行模拟计算,结果表明,不同井况下水泥环起裂和地层起裂难易程度不同,挤注压力的确定应兼顾地层起裂压力、水泥环起裂压力以及套管破坏压力。     

水力喷砂定点射孔力学机理

为了解决目前水力喷砂射孔施工设计准确率较低的问题,寻找实用可靠的水力喷射力学参数设计方法,进行了水力喷射与储层岩石力学作用的机理研究。根据能量守恒原理和冲量定理,建立了水力喷砂定点射穿套管、水泥环及地层系统能量方程,推导了水力喷砂定点射穿套管、水泥环及地层各阶段临界冲击力、临界冲击速度和射孔时间等关键力学参数计算模型,据此建立了水力喷砂定点射孔工艺力学分析图版。研究结果表明,水力喷砂定点射穿套管、水泥环及地层所需能量大幅度增加,射孔时间随之增大,但冲击力和冲击速度却相应降低,降低幅度比最大值分别为5.7%和8%。分析认为,建立的水力喷砂定点射孔工艺力学图版能较好地反映水力喷砂定点射孔过程,射孔时间误差为6.8%,为水力喷砂定点射孔力学参数设计与优化、水力压裂起裂基准提供了新的力学模型和理论依据。     

压裂“X”形裂缝提高单井措施效果的新方法

为了提高特低渗透油藏新井的压裂效果,提出了采用定向射孔技术进行转向压裂从而形成"X"形水力裂缝的新方法。基于有限元三维应力分析,研究了定向射孔下水力裂缝的起裂机理。根据断裂力学理论,建立了基于复合应力强度因子的裂缝延伸和转向判据模型,推导确定了缝内压力分布、复合应力强度因子及裂缝扩展方向角的计算公式,编制了定向射孔转向压裂裂缝延伸形态的模拟软件,分析了射孔方位角、最大水平主应力和最小水平主应力差值对转向裂缝形态的影响程度,采用定向射孔和限流法压裂的施工方式,形成了在单个油层中压开"X"形裂缝的改造方法。现场试验了6口井,通过裂缝监测,证明该技术是可行的。     

煤层气直井地层破裂压力计算模型

为了高效开发煤层气、成功实施水力压裂作业,针对射孔完井条件下,对水力压裂时煤层的破裂压力进行预测。提出将套管、水泥环的影响纳入到井筒周围应力场计算中,运用坐标转换和线性叠加原理,建立了考虑套管、水泥环影响的煤层直井井周应力场解析模型。结合最大拉应力、张性破坏、剪切破坏3种破裂准则,建立了考虑套管、水泥环影响的煤层气直井破裂压力预测模型,分析了射孔径向深度、割理走向倾角、地应力差对破裂压力的影响。以云南地区X井为例,模型计算结果误差在7%以内,证明了该模型的正确性。研究结果表明：套管、水泥环会引起应力集中效应,使得破裂压力降低;在最大水平主应力方向射孔时,煤层更容易本体破裂;射孔周向角在一定区间时,本体破裂和割理张性破裂同时发生;中等割理走向倾角有较低的张性破裂压力,地应力差较小时,不易发生剪切破裂。     

水力压裂近井裂缝转向延伸轨迹模拟

室内实验和现场实践已经证明射孔方位对水力致裂裂缝延伸转向有极其重要影响,但尚无定量化的理论预测模型。针对均匀各向同性线弹性多孔材料,考虑射孔井水力裂缝起裂的原地应力场和孔隙压力、孔眼内压、压裂液向地层渗滤附加应力等多种机理,基于弹性力学和孔隙介质流体渗流理论,建立了孔眼深度任意位置的应力分布计算模型;基于孔眼末端最大周向拉应力判据,首次建立了压裂裂缝转向模拟的理论计算模型。结合长庆某气田参数进行模拟分析,揭示了垂直井射孔方位对压裂裂缝转向规律:水平主应力差是影响水力裂缝转向半径最主要因素,且随水平主应力差增加,射孔深度减小;射孔方位小于30°时对裂缝转向半径影响较小。     

多分支缝水力压裂近井筒起裂机制研究

针对多分支缝水力压裂井筒起裂效果差的问题,基于弹性力学理论,考虑初次压裂诱导应力对近井地带应力场的作用,建立多分支缝起裂角及起裂压力的力学计算模型。在此模型的基础上,计算并分析了多分支缝起裂角的影响因素和多分支缝的延伸情况。研究结果表明:在低水平应力差及高闭合应力条件下,形成分支缝的起裂角越大,分支缝水力压裂效果越好;在低水平应力差,初始裂缝缝长越短的条件下,分支缝偏转程度高,更易重新定向。根据力学模型计算7口井分支缝的起裂压力,并对比现场施工起裂压力,验证了模型的准确性。该研究成果为多分支缝水力压裂工艺提供了理论基础,对优化分支缝压裂施工具有一定的指导意义。     

水平井射孔参数对压裂起裂压力的影响

水平井压裂起裂压力对压裂施工至关重要,其中射孔参数对压裂起裂压力的影响更为重要.为了弄清射孔参数对起裂压力的影响,优化射孔参数,改进水平井压裂设计,以水平井压裂起裂压力为研究对象,结合井筒应力分布模型,考虑射孔完井水平井的起裂压力,应用江苏油田某水平井压裂施工数据,分析了水平井井筒方位角、射孔方位角、射孔相位角、定向和非定向射孔对起裂压力的影响.研究结果表明:水平井井筒方位角和射孔方位角是影响压裂起裂压力的主要因素.优化出适合江苏油田水平井压裂的射孔参数,即沿着最小主应力的方向布置水平井井筒,采用定向射孔时,射孔方位角为0°～15°,射孔相位角为180°;采用非定向射孔时,射孔相位角为60°或120°.     

充气水泥在压裂作业中的优越性

本文叙述了低密度充气水泥在水力压裂作业过程中 ,在每个射孔层段间抵抗施加在水泥环上应力的原因。解释了由水力压裂过程引起的水泥环破裂方式 ,并给出了实例。水力压裂过程关键在于套管内、射孔孔道和地层内沿流程上的压力性质。由于充气水泥重量轻 ,强度相对高 ,顶替效率高 ,密度可变以及特殊的机械性质而被广泛使用。然而 ,由于它在高压下的可塑性和弹性 ,充气水泥在要求进行水力压裂的封隔层段仍具有经济可行性和有效性。     

水力射孔对套管强度的影响研究

水力射孔技术是一种新型的完井方式，深穿透水力射孔技术辅助定向水力压裂可以实现油气层改造和油气井增产。但是，水力射孔套管会在孔眼处造成应力集中，使得局部应力过大而削弱了套管和水泥环的强度，可能会影响套管的使用寿命。因此，文章利用有限元软件建立了射孔套管的三维有限元模型，分析了水力射孔后套管管体的应力分布，重点研究了水力射孔参数-孔密、孔径、孔深、射孔方位角等对套管强度的影响规律。分析结果表明，沿着最大水平地应力方向深穿透水力射孔，选择合适的孔密、孔径可将射孔对套管的损害降至最小。研究结果为提高水力射孔完井设计水平提供了一定的参数依据。     

水力射孔参数对油水井压裂影响的数值试验

利用RFPA(Rock Fracture Process Analysis)软件,数值计算了不同水力射孔参数及地应力等条件下的孔眼直径、射孔深度、射孔孔眼轴线与最大水平应力夹角、压裂液加载速度、模型尺寸、地层起裂压力以及裂缝二维扩展情况,计算过程中模拟的岩样物性基本保持不变。计算结果发现,增加射孔直径、深度可以显著降低起裂压力;沿最大水平应力方向射孔起裂压力最低;存在一个最优的压裂液加载速度。这些计算结果可为油水井的压裂设计提供参考。     

解析模型研究分段压裂水平井井筒附近起裂

正分段压裂水平井广泛应用于非常规油气藏,可最大限度地提高储层泄流面积,但是有相当部分的射孔簇并未见效。尽管已努力改善射孔完井效率,但是行业内仍缺乏多簇旋转射孔完井配置过程中裂缝起裂时的理论。在墨西哥湾岸区的完井与生产研究小组的一份报告中,翁小威研究了斯伦贝谢在近井裂缝起裂计算方面的发展,该计算基于套管射孔完井分析弹性解决方案。翁还谈到了一系列敏感问题,用于量化喷射率、构造背景、射孔簇间的应力变化对水力压裂裂缝形成与方位的影响。射孔起裂与随之而来的裂缝延伸是一个非常复杂的过程,会受到诸多外在因素影响,包括初始状态下井眼周围的环向应力、射孔起裂时流体渗透过水泥环、岩石破裂、流体进入首条裂缝的破裂压力峰值。     

充气水泥在压裂作业中的优越

本文叙述一低密度充气水尼在水力压裂作业过程中，在每个射孔层段间抵抗施加在水泥环上应力的原因。解释了由水力压裂过程引起的水泥环破裂方式，并给出了实例。不力压裂过程关键在于套管内、射孔地层内沿流程上的压力性质。由于充气水泥重量轻，强度相对高，顶替效率高，密度可变以及特殊的机械性质而被广泛使用。然而，由于它在高压下的可塑性和弹性，充气水泥在要坟进行水力压裂的封隔层段仍具有经济可行性和有效性。     

温-压作用下水泥环缺陷对套管应力的影响

在页岩气水平井多级分段压裂施工中,由于压裂段固井质量较差,当井筒温度和压力急剧变化时,套管失效风险会大大增加。在现场完井和压裂施工数据基础之上,综合考虑压裂压力和井底温度变化,建立了不同水泥环形态的套管-水泥-地层组合体模型,研究压裂过程中水泥环缺失、压裂压力和温度变化对套管应力的影响。计算结果表明:压裂施工中,当以大排量向井筒内泵入压裂液时,井底温度显著降低;如果施工压力较大、水泥环出现窜槽缺失,则套管会产生应力集中,这将急剧增加套管应力,大大增加套管失效风险。固井质量对井筒完整性至关重要,同时必须将压裂液温度、排量和施工压力控制在合理范围,从而保证压裂过程中套管的安全。     

定向射孔对水力压裂多裂缝形态的影响实验

定向射孔广泛应用于油气井完井措施,其对水力压裂的人工水力裂缝形态有很大影响,定向射孔方向与最大水平地应力方向的夹角、远场水平地应力的差值都会影响到裂缝的起裂部位和整体形态。为此,采用大型(试件尺寸300mm×300mm×300mm)真三轴水力压裂物理模拟实验系统,研究了定向射孔水力压裂人工水力裂缝起裂和形态的影响因素。结果表明:定向射孔方位角和水平地应力差影响很大;定向射孔水力压裂形成的人工水力裂缝可能不是理想的平直双翼裂缝,而是双翼弯曲裂缝,在水平应力差和定向射孔方位角较大的情况下,容易形成由定向射孔方向和最大水平地应力方向多点同时起裂的非对称多裂缝系统或穿过微环面的双翼裂缝;提高原场地应力测量的精度和定向射孔的定向精度,将定向射孔方位角控制在较小角度,有利于避免产生形态复杂的人工水力裂缝,降低压裂施工难度和砂堵风险,从而达到改进压裂增产效果的目的。最后,还对完井和压裂施工提出了建议。     

多级脉冲气体加载压裂技术

多级脉冲气体松弛岩层地应力、压裂地层的过程中，裂缝内爆燃气体压力分布影响裂缝起裂扩展。应用叠加原理将作用于油水井壁裂缝的复杂载荷分解为单个简单载荷，通过设定与时间相关的气体压力分布函数，根据弹性力学、线弹性．断裂力学理论推导油水井射孔后高地应力约束条件下裂缝尖端应力强度因子，得到了爆燃气体压裂井壁岩层起裂扩展条件，该条件可以反映裂缝内随时间变化的气体压力梯度对裂缝形态的影响。算例分析和现场对比试验结果表明，多级脉冲气体加载压裂与单级高能气体压裂相比，起裂压力升高，止裂压力降低，对地层作用时间显著延长，得到的岩层裂缝长度是后者的。2～3倍，与水力压裂联作可显著降低地层破裂压力，进一步提高和改善地层渗透性。图3表1参11     

定向射孔提高低渗透油藏水力压裂效率的模拟试验研究

水力压裂是低渗透油气田提高开采效益的最重要技术手段之一，但目前对水力压裂裂缝延伸的研究大多建立在数值模拟计算的基础上．特别是射孔对水力压裂影响规律的研究较少．使得压裂成功率较低(低于70%)。通过室内真三轴水力压裂模拟试验及数值计算，研究了定向射孔对裂缝启裂压力、启裂位置及裂缝延伸的影响规律，得到通过定向射孔可达到降低地层破裂压力，形成一条大而平整的水力裂缝，提高低渗透储层水力压裂效率及成功率的目的。