天然裂缝对水力压裂的影响研究

在对石炭系天然裂缝发育地层进行水力压裂施工时，常会遇到异常高压及脱砂现象，有时导致施工的失败，而多裂缝是产生这些现象的根本原因。从裂缝的微观延伸出发，理论上剖析了井壁附近天然微裂缝在裂缝连接、裂缝延伸方面的作用：在水力裂缝延伸沿程的天然裂缝会改变水力裂缝的传播方向，从而导致裂缝的连接性能变差，产生多条水力裂缝；在射孔边缘的天然裂缝，虽然在方位上对裂缝连接极为不利，但仍可能成为水力压裂裂缝的最初通道，直接改变裂缝的延伸方向，使得裂缝自然连接的过程变缓或失败。针对上述情况，作为应对措施，一是加入细陶或微陶，封堵部分狭窄裂缝，兼降滤作用；二是，前置液中加入柴油，降低滤失：三是缩小射孔段的长度，减少裂缝的起裂点。     

多射孔压裂对水力裂缝扩展规律的影响

岩石水力压裂涉及到复杂的流固耦合过程,水力裂缝扩展规律及压裂液与岩体间耦合机理是目前研究的热点与难点。基于ABAQUS平台的扩展有限元法（XFEM）具有计算精度高和计算量小的优势,其中的Soil模块可用来模拟岩石水力压裂的复杂过程,分析水力裂缝的扩展路径、宽度、应力等基本参数。通过上述数值模拟方法,研究了单射孔压裂、两射孔异步压裂、两射孔同步压裂3种工况对水力裂缝扩展路径、裂缝宽度、裂缝长度、射孔眼孔压等参数的影响。模拟结果显示：(1)在两射孔异步压裂和两射孔同步压裂工况下,由于裂缝之间的干扰,最小水平主应力的大小和方向以及储层抗拉强度发生改变,进而改变了水力裂缝的扩展路径;(2)在3种工况下,单射孔压裂形成的水力裂缝宽度最小,储层岩石初始起裂压力最小;异步压裂形成的水力裂缝宽度最大,长度最大,储层岩石的初始起裂压力最大;两射孔同步压裂时形成的水力裂缝长度最短,宽度、初始起裂压力则位于前述2种工况之间;(3)射孔间距影响同步压裂和异步压裂时的初始起裂压力,缝宽最大值及裂缝长度等。模拟结果可为不同的场地条件及压裂需求下选取合适的压裂方法提供初步理论指导。     

天然裂缝对水力压裂的影响研究

从裂缝的微观延伸出发,从理论上剖析了井壁附近天然微裂缝在裂缝连接、裂缝延伸方面的作用:在水力裂缝延伸沿程的天然裂缝会改变水力裂缝的传播方向,从而使裂缝的连接性能变差,产生多条水力裂缝;在射孔边缘的天然裂缝,虽然在方位上对裂缝连接极为不利,但仍可能成为水力压裂裂缝的最初通道,直接改变裂缝的延伸方向,使得裂缝自然连接的过程变缓或失败.应对措施,一是加入细陶或微陶,封堵部分狭窄裂缝,兼降滤作用;二是在前置液中加入柴油,降低滤失;三是缩小射孔段的长度,减少裂缝的起裂点.     

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。     

定向射孔水力压裂复杂裂缝形态

在岩石力学试验测试和现场资料解释的基础上,建立了三维弹塑性有限元模型,通过大量计算研究了定向射孔水力裂缝形态的影响因素.研究结果表明,定向射孔水力裂缝起裂主要受相邻射孔之间应力干扰的影响,而影响定向射孔水力裂缝形态的主要因素为定向射孔方向与最大地应力方位的夹角和水平应力差.水力裂缝不一定沿着定向射孔的方位起裂;定向射孔形成的水力初始裂缝一般为锯齿状;在水平应力差和射孔夹角较大的情况下,容易形成由定向射孔和最大地应力方位起始的双裂缝.提高地应力测试和定向射孔的精度可以有效避免复杂形态水力裂缝的产生.图7参13     

水力压裂多裂缝产生机理及影响因素

在对某些复杂地层进行水力压裂施工时，常会遇到异常高压及脱砂现象，有时还会导致施工的失败，而多裂缝是产生这些现象的主要原因。本文从水力压裂的原理出发，采用机理剖析的方法，分析了导致多裂缝产生的主要因素。分析认为，多裂缝的格局取决于小裂缝能否顺利连接，地应力状况对裂缝的连接与起裂方位有重大影响；天然裂缝的发育程度是决定多裂缝起裂的重要因素；地层的倾斜与井眼斜度、起裂方位、射孔等对裂缝的连接起支配作用。搞清多裂缝的产生机理对水力压裂过程中预防多裂缝的产生有着重要的意义。     

水力压裂裂缝应力场变化规律

水力压裂过程中裂缝周围应力场对裂缝的转向、扩展有重要影响,研究裂缝周围应力分布影响因素对压裂参数优化设计具有指导意义。基于裂缝扩展有限元方法,建立了裂缝扩展的数学模型,利用Abaqus软件研究了不同裂缝倾角（裂缝与最小水平主应力方向夹角）、主应力差（最大水平主应力与最小水平主应力之差）对裂缝壁面正应力和剪应力的影响;不同射孔角度（射孔方向与最小水平主应力方向夹角）对裂缝延伸轨迹和裂缝壁面剪应力、切向位移的影响;不同射孔簇间距对裂缝几何形态、剪应力、孔隙压力的影响。研究表明：当裂缝倾角增加时,裂缝壁面的正应力逐渐减小,剪应力呈先增大后减小的趋势,且在裂缝倾角为45°时达到最大;当裂缝倾角不变时,裂缝壁面正应力和剪应力随主应力差的增加而增加;裂缝转向半径随着射孔角的增加而减小;在主应力差高于6MPa时,45°射孔角有利于裂缝入口岩石产生剪切破坏;在多裂缝同时扩展过程中,当裂缝间距减小时,应力干扰区域内的剪切应力逐渐变大、裂缝周围流体分布逐渐减少;对于高应力差储层改造,采用缩小簇间距和45°方向射孔的密切割射孔方式有利于岩石产生剪切破坏。     

偏心射孔对水平井压裂的影响

针对水平井在固井和射孔过程中由于重力作用引起射孔枪偏心和水泥环偏置导致井筒上下方向射孔不均匀的问题,研究了偏心射孔对水平井射孔孔径和穿深的影响.偏心射孔实验结果表明,水平段井筒上部和下部的孔径和穿深差异大.在射孔完井水平井筒应力模型理论计算基础上提出了定量表征水平井偏心射孔影响的射孔非均匀指数并给出计算方法,定量分析了偏心射孔对水平井压裂裂缝启裂及延伸的影响.当射孔穿深小于3倍井筒半径时,会出现难以压开的情况;当射孔非均匀指数小于0.3时,上下孔眼破裂压力差将大于2 MPa,致使上部孔眼难以压开,即使能够压开上部裂缝,也会产生严重的上下裂缝面非均匀延伸、上部裂缝口狭窄、易出现砂堵风险.     

射孔参数对水力压裂效果的影响实例分析

低孔低渗储层需要通过压裂改造才能获得产能,而射孔参数的选择直接影响到低孔低渗储层压裂改造的效果及成功率。通过研究射孔参数对压裂施工影响及现场应用实例对比,得出：射孔深度对施工压力有一定影响,但是影响较小;射孔方位影响到施工压力、裂缝转向以及裂缝形态,它影响到施工的成败;射孔高度影响压裂改造效果．尤其是对有底水的复杂储层。     

人工压裂形成多裂缝的可能性研究

人工裂缝形太对压裂效果至关重要，压裂设计中首先要考虑的就是裂缝裂态。随着固井质量提高和射孔深度加大，井周应力集中变得复杂，射孔壁的应力集中已不容忽视，每一个射孔都能成为一个独立的破裂源，射孔方位不同，应力集中也不同，这可能影响人工裂缝的形成与形态，并存在出现多条人工裂缝的可能性，分析套管射也壁的应力集中状态，讨论裂缝延伸的阻力和每一次射孔诱发人工裂缝的优先顺序，并讨论应力状态对裂缝形态的影响和初裂缝缝态与射孔方位的关系。依据大庆喇萨杏油田应力测试结果，分析深射孔条件下的人工裂缝裂，结论是：若射忆方位随机，800－1200m深度出现人工直立初裂缝或水平初裂缝的概率大体相同，所需破裂压力也相近，一次压裂可能出现多条裂缝；控制射孔方位可以控制人工初裂缝形态；由于该水平最小主主应力与垂向主应力相近，初裂缝可以保持原来的形态独立延伸。图3表2参5（刘建中摘）。     

水力喷砂射孔、压裂优化设计

为解决低渗致密油藏、薄油层和有污染的井的射孔作业,套管完井、筛管完井及裸眼井的射孔压裂作业及低渗油藏及水平井的压裂改造,采油工艺研究院自主研发了水力喷砂射孔技术。促进了新型射孔、分级压裂改造技术的发展。进行了水力喷砂压裂工艺设优化设计,通过实验和理论计算给对油管排量、砂比、套管排量等参数优化,为现场施工提供参考依据。     

射孔完井方式下大位移井压裂裂缝起裂压力研究

压裂改造技术是实现大位移井经济高效开采的重要技术手段。大位移井压裂裂缝的起裂位置、裂缝初始方位和起裂压力是影响压裂施工成败和压裂效果的重要因素，近年来国内外对斜井和水平井的裂缝起裂机理研究较多，但对大位移井在射孔完井方式下的裂缝起裂研究未见报道。大位移井筒周围岩石实际受力状态非常复杂，裂缝起裂方向与最终扩展方向不尽相同，目前使用斜井或水平井甚至直井的破裂压力计算公式来设计计算偏差很大。文章利用广义平面应变理论和多孔弹性理论，综合考虑了孔隙度、孔隙压力和岩石抗张强度对压裂裂缝起裂的影响，基于两孔相交应力集中的力学模型建立了射孔完井方式下大位移井井壁处的应力场及起裂判断依据，获得了大位移井压裂缝起裂压力。将垂直井和水平井作为特例，所提供的大位移井压裂缝起裂压力通过数学简化，与文献公布的垂直井和水平井起裂压力计算公式完全一致。     

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在低渗透油气藏的加砂压裂施工中，经常出现实际井口施工压力比设计方案所预测的压力偏高，这很大程度上归因于井筒和裂缝间的连通性差，引起井筒和裂缝间的压力损失过大。孔眼摩阻计算的准确程度直接影响破裂压力的预测，裂缝扩展的几何形态，更是限流压裂的关键参数，对压裂施工的顺利实施和压后评估有重要的影响。文章在研究分析了目前孔眼摩阻计算公式适用性的基础上，提出了考虑不同压裂液类型、粘度、排量、砂浓度、孔眼直径等参数影响下孔眼摩阻的改进模型和算法。通过5口压裂井应用结果表明，此模型和算法与实际更吻合且易于现场应用。     

水力裂缝对二次采油动态的影响研究

本文以五点注采井网为例,利用黑油模型研究了二次采油中注采量及油藏面积波及系数随裂缝方位、压裂井别、裂缝穿透率及无因次裂缝导流能力等的变化规律,得出了规律性认识。它可应用于需经压裂开发的新区中注采井网的部署及给定注采井网下的总体压裂优化设计。     

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。     

水力压裂裂缝及近缝储层温度场

为了精确预测水力压裂过程中裂缝及近缝储层温度分布,对经典裂缝及近缝储层温度场模型进行了改进。加入了两相渗流场,利用达西定律建立新的滤失模型,改变了滤失速度仅为时间函数的局限性,不再使用原有裂缝扩展模型,改用耦合渗流场的裂缝延伸模型,然后使用有限差分方法、迭代法对新模型进行了求解,并与经典温度场模型求解结果进行了对比。研究表明,压裂初期温度变化较快,对压裂液性能要求较高,滤失模型和裂缝模型的改变对温度场的影响较大。新模型更符合压裂实际环境要求,可为现场操作和技术研究提供可靠依据。     

射孔参数对射孔-砾石充填井表皮系数的影响分析

射孔过程对油、气井的产能影响有利有害，它既能为油气流提供通道，又可对产层造成相当的伤害。如果工艺和射孔参数选择得当，就可以使射孔对产层的伤害最小，否则将适得其反。文章在通过建立射孔-砾石充填井表皮系数计算模型的基础上，分析了射孔-砾石充填井的孔深、孔径、孔密等射孔参数对表皮系数的影响及其程度。应用此模型计算官10井的表皮系数高达13.89，对该井优化了射孔方案，经过实施深部酸化增产作业后，成功地使官10井的产量由原来的709 m3/d增加到平均6.0×10⁴m³/d。相对于压力恢复试井解释表皮系数，文中提出的射孔-砾石充填井的表皮系数计算方法具有速度快，精度较好的特点，能有效地模拟出孔深、孔径、孔密等射孔参数对其的影响。     

压裂注入过程中产生的压力梯度、温度梯度及孔隙压力对地应力的影响

在文献[1]和[2]的基础上,根据热弹性力学和渗流力学理论,进一步探讨了在压裂施工过程中,由于高压注入所产生的压力场和温度场对井底附近地应力的影响,以及如何在压裂施工中利用这种影响以提高压裂施工效果,并保护套管和水泥环。     

射孔参数对套管强度影响的有限元分析

近年来,各油田套损的比例一直居高不下,已经严重影响了油气井的正常生产,因此能有效减少套损率,已成为目前各油田研究的重要课题。针对造成套损的几种主要因素的其中一项—射孔作业,通过ANSYS有限元软件,分析出不同射孔参数时的套管应力变化,得到了孔径、孔密和相位角与套管最大Mises应力之间的关系,并给出了Φ139.7mm×7.72mm套管的最优射孔参数,可为实际的射孔作业提供一定的参考。