页岩气直井体积压裂过程套管失效的数值模拟

页岩气等致密油藏开发过程中常采用分簇射孔和复合桥塞分段大型水力加砂压裂的方式来改造储层,在作业过程中出现了大量的油层套管失效现象,导致正常的完井增产作业无法进行,严重影响了增产效果,降低了完井质量。为此,运用ABAQUS有限元分析软件建立地层-水泥环-套管的三维有限元模型,模拟计算压裂后套管Mises应力及变形分布。通过对有限元结果分析和对比压裂后MIT多臂测井曲线,认为套管失效原因为压裂后局部地层岩石强度非均匀降低,套管受挤压变形,致使套管截面椭圆度和弯曲曲率过大,导致井下工具下入遇阻遇卡。最后提出压裂过程中应该根据地层岩性和地应力参数选择合理的完井方式、压裂层段或分段方式和长度,加强随压裂监测技术,实时优化压裂分段、分簇工艺和施工压力参数,为页岩气压裂引起套管失效的防治提供理论依据。     

页岩气井多簇压裂套管应力影响因素分析

页岩气井储层改造多采用多簇压裂技术实现增产目的，同时也引发了套管失效问题。为研究多簇压裂对套管应力的影响，基于理论公式和有限元分析方法，建立套管应力力学计算模型和多簇裂缝-地层-水泥环-套管三维有限元模型，借助力学模型验证有限元模型的可行性，模拟裂缝簇数、岩石弹性模量、水泥环弹性模量、套管内壁压力和地应力变化对套管应力的影响，并针对威荣区块某井压裂段进行实例分析。研究结果表明：套管应力随着裂缝倾角θ的增大而减小，θ=15°为套管应力风险值；套管应力随着压裂簇数的增加整体呈现先小幅增大后减小的趋势；套管应力随着岩石弹性模量的增大而减小，当岩石弹性模量低于45 GPa时，套管应力随着水泥环的硬度增强而增大；套管应力随着水泥环弹性模量的增大而增大，变内压不会改变套管应力变化趋势；套管应力随套管内壁压力的增大而增大，地应力差值的变化不改变套管应力变化趋势；随着地应力差值的增大，套管应力呈现增大的趋势。研究成果对多簇压裂套管的损坏防治具有一定的指导意义。     

压裂工况对页岩气套管应力分布的影响

页岩气所处的页岩地层具有多孔低渗透的特性,开采方式具有压力大和排量高的特点,因此,在实施压裂施工过程中,页岩气套管较普通套管更容易损坏。为研究压裂工况对页岩气套管应力分布的影响规律,采用有限元方法,借助ANSYS软件,以实际参数建立了有限元模型,模拟了页岩气压裂施工过程,分析了地层岩石弹性模量、水平地应力场和施工压力对套管应力分布的影响。研究结果表明:垂向地应力与水平地应力的差异越大,套管内壁上的等效应力值越大;岩石弹性模量的下降会导致套管应力上升,当岩石弹性模量下降超过10 GPa后,套管应力值会大幅度上升;套管内壁上的最大等效应力值随井口施工压力的增大而呈线性增加;可通过优化井眼轨迹、避免重复压裂施工以及合理预算井口施工压力等方法来预防和降低套管损坏。研究成果可为页岩气的开采工作和页岩气套管的损坏防治提供一定的指导。     

页岩气井压裂套管变形机理及物理模拟分析

页岩气压裂开发诱发断—裂剪切滑移导致套管剪—压变形的套变机理较合理地解释了各种套变现象，但一直缺乏物理模拟实验的验证。为此，利用自主研制的压裂套变物理模拟实验系统，建立了含裂缝面露头岩样压裂套变物理模拟实验方法，对含裂缝面的露头岩样在不同地应力状态类型和天然裂缝倾角条件下进行了物理模拟，并分析了压力变化和声发射特征，明确了压裂过程中水力裂缝与天然裂缝交互作用规律，验证了天然裂缝面滑移剪切套管变形的机理。研究结果表明：(1)在有天然裂缝存在的情况下，不同应力状态会改变水力裂缝扩展方向。走滑断层地应力状态下，水力裂缝容易发生偏转，产生剪切破裂；正断层地应力状态下，水力裂缝容易发生偏转和穿透，主要以扩张破裂为主。(2)地应力状态和天然裂缝倾角是影响天然裂缝面滑移错动的主控因素。走滑地应力状态类型下天然裂缝面容易发生滑移剪切套管发生变形；天然裂缝与库伦破裂面越接近，越容易发生滑移错动造成套管变形。结论认为，页岩气井压裂套管变形的物理模拟分析揭示了页岩气井压裂套变机理，为套变预测和防治提供了理论依据，对指导页岩气工程技术实践具有重要意义。     

页岩气井温压耦合下固井质量对套管应力的影响

四川地区部分页岩气井在采用大排量分段压裂工艺施工过程中出现套管变形的现象,严重影响了页岩气井的正常生产。为此,运用ABAQUS软件建立了温压耦合下的套管-水泥环-地层受力有限元模型,模拟压裂过程中套管应力以及组合体温度场分布特征,分析了不同注液温度下,套管偏心及水泥环缺失对套管应力的影响规律。研究结果表明:大排量压裂施工中,套管应力随着偏心距的增加而减小,温降对套管应力的影响较大;不同注液温度下,套管应力随水泥环周向缺失的变化规律基本一致,温降对套管应力的影响呈先降后增趋势;水泥环径向缺失位置以及深度的变化对套管应力的影响较小,温度变化是主控因素;套管偏心下,水泥环缺失以及温降的共同作用均会增加套管应力。研究成果可为页岩气开发提供理论指导。     

页岩气井分段压裂套损影响因素分析

四川盆地长宁—威远页岩气示范区分段压裂过程中出现的套管变形、挤毁问题已经严重影响到页岩气井的井筒完整性以及勘探开发效果。考虑非均匀地应力、套管偏心、页岩各向异性、地层岩性非均质性等多因素的逐级耦合作用,利用有限元数值方法建立了偏心套管-水泥环-地层耦合的全尺寸数值模型,对页岩气水平井分段压裂过程中套管损坏机理进行研究分析。研究发现:套管偏心不是套管先期损坏的主控因素;随着非均匀地应力比增大,套管内壁应力极值及周向应力不均匀程度明显增大;页岩各向异性比越大,偏心角径向位置对应的套管内壁应力越大,此处承载风险也越高;套管内壁应力最大值出现在岩性交替变化界面,非均质性差异对套管内壁应力极值有较大的影响。研究结果可为页岩气井分段压裂过程中套损预测提供理论依据。     

压裂参数对页岩气井产量递减典型曲线影响分析

为研究页岩气井产量与完井压裂参数之间的关系,通过对美国地质条件相似的某区块27口页岩气井产量递减典型曲线预测,获取典型曲线参数。分析了水平段长度、压裂级数、支撑剂用量、压裂液用量、总射孔数、总簇数等完井压裂参数对典型曲线中初始产气量、递减指数、递减率等的影响。结果表明:初始产气量随完井压裂参数增加而增加,但增加幅度逐渐变小;递减指数随完井压裂参数增加而增大;递减率则随完井压裂参数的增加先快速降低后缓慢降低。研究结果对国内页岩气的压裂有一定参考作用。     

页岩气压裂过程套管失效机理有限元分析

在页岩气压裂作业过程中,套管容易出现变形、破裂、错断等破坏性形式。为此,运用ABAQUS有限元分析软件建立套管的二维平面应变模型,模拟计算压裂后套管Mises应力及变形分布,找到套管损坏的主要影响因素。然后利用ABAQUS中关键字*Field实现地层岩石的性能随压裂进行不断降低,从而对四川某井套管失效问题进行了三维模型的实例分析。通过对有限元结果分析和对比压裂后MIT多臂测井曲线,认为套管失效是压裂过程中地层岩石性能降低、改造区域不对称、施工压力大以及地应力场重新分布共同作用的综合结果。最后提出压裂过程中套管失效的应对措施。该项研究结果可为页岩气压裂引起套管失效的防治提供理论依据。     

四川页岩气井套管变形特征及受力模式

套管变形是制约四川盆地页岩气高效开发的工程难题。鉴于此,对威远、长宁和昭通区块9口井的37处24臂井径测井数据进行统计学处理,分析了套管变形特征,总结了套管变形类型;结合野外露头、地震和测井数据,分析了页岩岩体结构特征;通过对比套管变形特征及层理页岩岩体裂缝特征,建立了套管与页岩岩体的相互作用模式。研究结果表明:剪切类型的套管变形占60%,呈现剪刀差形态,变形长度(半波长)主要在1.5~2.5 m范围,变形量(波峰)主要在5~15 mm范围;层理页岩被多组裂缝切割为块状岩体,岩体宽度介于1.2~3.1 m;地层与套管相互作用表现为多断块岩体滑动模式。研究结果为进一步定量研究套管受力大小和变形量等提供了依据,也为分析和解决套管变形问题提供了参考。     

四川长宁页岩气套管变形井微地震特征分析

针对四川页岩气井套管变形问题,利用通过的小桥塞尺寸和多臂井径测井（MIT）数据计算了H19平台套管变形的变形量,同时分析了套管变形点处微地震事件点的时空分布和矩震级大小特征。然后在识别出的天然裂缝空间分布特征基础上建立了裂缝面模型,并利用该模型分析了套管变形量、天然裂缝尺度和微地震地震矩之间的定量关系。该平台共测得9个套管变形点的变形量,最小变形量为6.10mm,最大为50.43mm,平均为28.03mm,分析后得到天然裂缝的微地震时空特征：①微地震事件关于井筒不对称; ②不同压裂段的微地震事件点大部分重叠,呈线性分布; ③出现了较多的大矩震级事件; ④时间上,大矩震级事件点出现在压裂中后期的频率较高。根据裂缝面模型,计算出引起长宁地区页岩气套管变形的裂缝面积为40000~70000m²,地震矩为2.57×10⁹~7.57×10¹⁰N·m,矩震级范围为-1.16~0.79。研究结果对利用微地震实时监测、预警套管变形和判断天然裂缝尺度、预防套管变形具有指导作用。     

断层滑移对套管剪切变形的影响规律及防控措施

威荣深层页岩气区作为中石化页岩气开发的重点突破区块，开发以来一直面临着严重的套管变形问题，而水力压裂诱发的断层滑移正是导致套管变形的主要因素之一。因此，明确断层滑移与套管剪切变形的关系，对套管变形的防控具有重要的意义。文中考虑了2种断层触发机理，采用Mohr-Coulomb准则，建立了三维断层滑移计算模型；在此基础上，建立套管剪切变形有限元模型，以断层滑移量为边界条件，研究了不同断层参数对套管变形程度的影响；最后，提出了断层滑移精细化防控理念。研究结果表明：摩擦因数越大，套管变形量越小；随着断层长度增大，套管变形量也逐渐增大；随着水平地应力趋于均匀，套管变形量逐渐减小；断层夹角为0°，15°，30°时，套管变形量较大，而后迅速减小。     

基于改进三线性流模型的多级压裂页岩气井产能影响因素分析

页岩气多级压裂形成的复杂裂缝网络会改变其原有的气体渗流模式,形成多个独有的流动阶段。因此,常规的产能模型不能有效模拟其压力、流量变化规律。为了增加页岩气产能模拟精度和对压裂施工优化做出指导,在耦合三线性渗流和球形双重介质渗流模型的基础上,考虑解吸和滑脱等机理,建立了改进的三线性流产能预测模型,并进行了解析求解和数值反演。计算结果表明,页岩气的解吸对提高单井产能,延长稳产期具有重要意义;储层中的微裂缝能够通过控制气体在基质与人工裂缝之间的窜流最终影响页岩气井产能;人工裂缝导流能力对页岩气井产能的影响覆盖了整个生产周期的中前段,然而随着人工裂缝导流能力的增加,产能的增长幅度变缓,证明了页岩气藏不需追求高导流能力裂缝的理论,缝间距主要影响线性流时间的长短;汇聚效应在投产初期对产能具有不可忽视的影响。研究结果对于深化页岩气井生产动态认识和提高页岩气藏开发效率具有重要意义。     

体积压裂套管温度应力计算分析

体积压裂过程中大量压裂液经套管持续注入使井筒温度产生较大变化,温度变化引起的套管热应力对体积压裂过程中井筒完整性有较大影响。以我国南方某页岩气井体冬季、夏季体积压裂中井筒降温情况为例,文中对体积压裂过程中井筒降温情况进行了计算,计算结果表明,体积压裂过程中井筒降温幅度较大,最大温度降低值近76℃。针对体积压裂中套管温度应力问题,文中基于热传导理论及热弹性力学理论,建立了体积压裂中套管温度应力计算模型。同时,推导了体积压裂中温度影响下套管抗外挤强度计算公式。依据推导的公式,对体积压裂过程中套管抗外挤强度进行了校核分析,计算结果显示,温度应力对套管抗外挤强度有较大影响,冬季施工过程中温度应力使套管抗拉强度降低23%,内压与温度应力联合作用下,套管抗外挤强度降19%。     

多级压裂页岩气水平井的不稳定生产数据分析

页岩气藏因其储层具有超低渗透特点,使得多级水力压裂水平井（MFHW）完井技术用于开发这些非常规资源变得经济可行,从而降低了天然气成本。所提出的多级压裂水平井不稳定生产数据分析方法有别于常规的页岩气藏分析方法,在气藏的孔隙度（φ）、渗透率（K）、储层厚度（h）和井的泄流面积（A）不确定的情况下,也能计算压裂气体体积（SRV）直线流的孔隙体积（V_p）和原始地质储量（OGIP）。该方法利用生产数据m(p_i)-m(p_wf / q_g和时间t的双对数曲线计算分析多级压裂水平页岩气井的V_p和OGIP。研究表明：该方法适用于单相气体流动,如果有两相以上流体流动,则需要对模型进行修改。     

固井质量对页岩气井水平井段套管失效的影响

开采页岩气所使用的套管受力复杂,当固井质量不合格时,容易在套管上产生较大的应力集中,从而导致其变形失效。目前,专门分析固井质量对水平段套管损坏影响的研究还比较少,对压裂工程中造成套管损坏的研究则更少见。鉴于此,应用ANSYS有限元软件,根据实际页岩气井的参数和工况建立模型,对水泥环的缺失和偏心两种固井质量差的形式进行了数值分析计算,得到套管的Mises等效应力分布情况和套管应力受影响的规律。研究结果表明:水泥环缺失会在套管的内表面上产生较大的应力集中,套管应力会随着缺失角的增大而增大;水泥环缺失发生在水泥环变形最大位置时,缺失对套管应力增加的影响更大;水泥环偏心距越大,套管上的应力越大。研究成果可为页岩气的现场开采提供有益指导。     

体积压裂水锤效应对页岩气井屏障完整性影响及对策

体积压裂过程中井屏障完整性失效问题突出。基于页岩气井体积压裂技术特点和MIT24臂井径测井数据,分析了页岩气井压裂过程井屏障系统及其失效模式。根据水力学原理,体积压裂砂堵、停泵瞬间过程井筒内流体流速突变产生水锤效应,水锤压力在井筒内以斯通利波形式沿固?液界面传播。综合考虑水锤压力及流体压缩力因素影响,建立了水锤效应发生过程井筒流体最大波动压力计算模型;分析了压裂砂堵停泵瞬间水锤效应引起的井筒流体压力变化特征及其对套管安全强度系数的影响。研究表明:体积压裂砂堵停泵过程最大水锤压力达31.88 MPa;考虑水锤效应影响,套管的抗挤强度系数降低至0.95。综合考虑页岩气地层滑移错动、套管低温收缩导致抗挤能力降低等情况,体积压裂过程在不均匀外挤载荷影响下足以导致套管发生局部损坏。基于以上研究结果,提出井筒流体压力波动的施工对策,对基于体积压裂完井方式的页岩气井屏障完整性管理具有指导意义。     

复杂页岩气井无限级砂塞分段压裂先导性试验

滇黔北昭通页岩气示范区YSA井钻遇断层且存在3个水平井眼,考虑到压裂过程中可能产生套管变形等复杂问题,不宜采用常规的桥塞分段工艺,因此开展了连续油管无限级砂塞分段工艺进行分段压裂。该工艺分段数不受井筒条件限制,分段方式以砂塞封隔分段代替了常规的桥塞分段,配套的新型工具只需起下1次连续油管就能完成单段的冲砂、填砂和多簇喷砂射孔作业,整个施工过程中井筒全通径,能有效应对页岩气井套管变形对压裂施工的影响。YSA井在发生套管变形的情况下完成了13级分段压裂,解决了由于套管变形而无法使用桥塞分段的难题,压后测试产量达11.3×104 m3/d,增产效果显著。该工艺的成功应用为我国页岩气井提供了一种新的分段改造手段。     

四川盆地页岩气开发套管变形一体化防控技术

针对四川盆地长宁—威远国家级页岩气示范区开发过程中出现的套管变形问题,提出了地质工程一体化防控技术.在流体通道—断层激活模型的基础上,结合断层滑动力学条件和定量风险评估方法(QRA),对套管变形风险段进行预测;分析断层滑动和套管相互作用的规律,用"以柔克刚"的方法对套管变形进行预防;基于套管变形井微地震特征,压裂实时监...     

考虑近井流动的页岩气压裂水平井理论模型

以往应用双孔单渗模型预测页岩气压裂水平井产能,没有直接考虑裂缝中气体在近井地带流动的复杂性,准确性差或无法真实反映气体的流动规律。在考虑页岩气基质解吸作用及滑脱效应影响的基础上,建立并求解考虑气体近井流动的数学模型。绘制井底拟压力与拟时间之间的关系曲线,并对开发过程中出现的裂缝线性流、双线性流及基质线性流进行分析,发现弹性储容比、裂缝渗透率和基质渗透率分别作用于不同的时期,提出模型的适用性。     

页岩气井体积压裂井筒温度计算及套管强度变化分析

页岩气井体积压裂排量大、时间长,压裂过程中井筒温度变化剧烈,引起的温度应力对套管强度具有较大影响。在考虑压裂液摩擦生热以及排量与壁面换热系数关系的基础上,建立了页岩气井套管压裂过程中井筒温度场模型,对压裂过程中温度瞬态变化进行了计算。结果表明:页岩气井套管压裂过程中井筒降温幅度较大,储层温度为78.5℃时最大降幅达到64.7℃;跟端和趾端温度差最大值出现在压裂初期60~210 s。依据推导出的套管抗外挤强度计算公式进行强度校核分析,结果表明,温度应力对套管抗外挤强度产生较大影响,且随着压裂排量的不断增大,抗外挤强度降幅也不断增大,冬季施工压裂液排量为20 m~3/min时,套管抗外挤强度降低16.4%。