水平井分段压裂破裂压力计算

水平井分段压裂时,形成的初始裂缝会诱发井筒周围应力分布二次改变,产生诱导应力场。诱导应力场将会对后续裂缝起裂产生影响。在考虑原始井筒周围地应力分布状态的基础上,结合弹性力学理论和岩石拉伸破裂理论,建立了诱导应力场中井筒地应力分布模型和破裂压力计算模型。研究结果表明:诱导应力的大小和分布取决于裂缝间距、裂缝缝高及原始地应力。随着裂缝间距的增加,沿着井筒方向诱导应力逐渐变小;定间距时,随着裂缝高度的增加,破裂压力也随之增加;原始地应力分布与诱导应力场中破裂压力的变化规律无关,只决定着裂缝破裂压力增加的幅度。该结果对于优化水平井分段压裂设计具有一定的指导意义。     

水平井定面射孔条件下水力裂缝起裂机理

建立水平井定面射孔局部地应力计算模型,利用建立的模型分析水平井定面射孔条件下水力裂缝起裂机理,研究井筒位置、射孔参数等对起裂压力的影响规律。根据渗流力学理论建立了定面射孔岩体三维流固耦合地应力模型,采用最大拉应力理论给出了定面射孔起裂压力确定方法,并通过应用实例验证了模型的可靠性。采用模型进行计算分析后发现:对于正断层型和逆断层型地应力场,定面射孔时裂缝均在射孔壁面上起裂,正断层型地应力场易形成宽而短的垂直缝,逆断层型地应力场易形成长而窄的转向缝;对于正断层型地应力场,井筒方位角和井筒倾斜角越大,定面射孔的起裂压力越低;对于逆断层型地应力场,井筒方位角越大、井筒倾斜角越小,定面射孔起裂压力越低;射孔夹角越小、射孔直径越大、射孔深度越大,定面射孔起裂压力越低。     

裂缝干扰下水平井破裂点影响因素分析

为了解水平井分段压裂过程中先压开裂缝诱导应力干扰下后续裂缝破裂点位置的影响因素及其影响规律,指导水平井分段压裂射孔位置的选择,推导建立了非等裂缝半长、非等间距和任意裂缝倾角的水力裂缝诱导应力干扰数学模型,在此基础上形成了破裂点计算数学模型。结果表明包括裂缝条数、长度和净压力在内的先压开裂缝参数以及原始主应力状态、水平井方位角和完井方式等都会影响后续裂缝破裂压力大小,从而影响破裂点的位置,其中原始地应力、已压开裂缝条数和长度以及完井方式对破裂点位置存在较大影响,水平井方位角和已压开裂缝净压力对破裂点位置影响较小;对于原始水平主应力差较小的砂岩储层,裂缝间干扰严重会导致应力发生反转,增大后续起裂裂缝破裂压力,导致施工困难,因此应该尽量避免裂缝间干扰;对于页岩储层,目前采用的分段多簇射孔技术,段间距定为60 m左右破裂压力更低,更易于裂缝起裂。     

致密砂岩水平井多段压裂裂缝扩展规律

基于真三轴水力压裂模拟系统,开展已压裂缝内流体压力、段间距、射孔参数、水平应力差和水平井段固井质量对致密砂岩储集层多裂缝扩展形态影响的实验。通过岩样剖分和压力曲线特征的类比分析得到以下认识:已压缝处于临界闭合状态时,高水平应力差和小段间距将导致多裂缝合并,而已压缝内高净压力和缝宽不对称分布可能抑制后续裂缝扩展;较大段间距使得后续裂缝处于诱导应力递减区域,降低应力干扰程度;采用大密度深穿透射孔,有利于降低裂缝起裂压力;缝内净压力一定时,低水平应力差将增大水平应力反转程度,增大后续裂缝偏转角度;水平段固井质量较差时,裂缝在井筒与地层结合处起裂,形成纵向缝;各段裂缝起裂压力呈上升趋势,压力增长幅度可达30%;形成横切缝时,起裂后压力迅速下降,延伸压力低;裂缝发生偏转时,起裂后压力波动下降,延伸压力较高,为迂曲窄缝;形成纵向缝时,压力剧烈波动上升,呈现多峰值特征,起裂阶段和延伸阶段区别不明显。     

COMPUTATING MODEL OF TOTAL STRESS FIELD OF THE STAGED FRACTURING FOR HORIZONTAL WELL

当多条裂缝依次压开时,裂缝间存在着相互干扰,随着压裂液性质、注液量、压开裂缝条数和裂缝位置的不同,裂缝的起裂压力也不同.针对长庆油田分段压裂水平井裂缝起裂压力计算问题,综合考虑了井筒内压、原始地应力分布、压裂液渗滤效应、现有水力裂缝的诱导应力等影响因素,根据叠加原理及弹性力学理论,建立了水平井分段压裂总应力场计算模型,分析了水力裂缝的起裂规律.计算了实际油田区块1口压裂水平井的各条裂缝起裂压力,理论计算值与现场实测值吻合较好.该计算模型不仅能够定性研究先压裂缝对后续裂缝起裂压力的影响趋势,而且能够定量计算出各条裂缝破裂压力值,进而用来指导压裂施工设计.     

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。     

水平井分段多簇压裂各射孔簇破裂压力分析

为了提高水平井分段多簇压裂射孔簇的起裂效率,针对段内多条裂缝同步扩展的特点,考虑裂缝间的应力阻隔效应以及缝内有效净压力的变化,根据待压段的诱导应力建立了不同射孔簇破裂压力计算模型,并分析了各射孔簇破裂压力的变化规律。通过研究得出认识:水平井分段多簇压裂多条裂缝同步扩展时存在应力阻隔效应,待压段受到的诱导应力为之前各段最后一簇裂缝缝内有效净压力产生的诱导应力的叠加;距离上一段压裂位置最远的射孔簇破裂压力最低,段内多射孔簇间的破裂压力差异随着时间的延长而增大,多簇起裂的最好时机是在施工初期,可在短时间内迅速提高排量,利用射孔孔眼的节流效应提高井底压力,实现多簇裂缝的依次起裂;段内较小的应力变化会引起较大的破裂压力差异,诱导应力引起的各射孔簇破裂压力的变化在射孔参数设计和压裂参数优化时必须得到重视。     

水平井压裂裂缝局部应力场扰动规律

压裂裂缝形成复杂裂缝网络是非常规储层改造成功的关键,而裂缝的起裂和扩展又受控于地层中应力场的分布,所以研究水平井压裂裂缝局部应力场的扰动规律十分必要。为此,建立水平井井筒集中应力与裂缝诱导应力叠加的水平井压裂裂缝局部应力场计算模型,利用有限元数值分析软件Comsol Multiphysic,模拟分析裂缝净压力、裂缝长度、裂缝条数和裂缝间距对水平井压裂裂缝局部应力场的扰动情况,并揭示各影响因素对应力场的扰动规律。结果表明,水平井压裂裂缝对最小水平主应力的扰动程度更为显著,其中裂缝净压力和裂缝条数与局部应力场的应力扰动幅度呈正相关关系,裂缝长度的增加会引起应力扰动距离的增大,而裂缝间距的增加则会使裂缝间应力扰动程度降低。     

基于页岩各向异性的裂缝起裂数值模拟分析

页岩层理在水平方向上有序地定向排列结构导致了页岩较强的弹性各向异性。基于岩石横观各向同性本构关系以及渗流与变形耦合数值方法,建立了水平井裂缝起裂的三维有限元数值模型。考虑页岩弹性力学参数各向异性差异,进行了射孔参数和非均匀地应力对水平井裂缝起裂压力和起裂位置的敏感性研究分析。研究结果表明:裂缝起裂点对射孔方位角有较强的敏感性,随射孔方位角的增大易出现复杂的裂缝起裂形态;裂缝起裂压力随射孔方位角的增大而增大,随射孔密度的增大而减小;弹性模量各向异性对起裂压力有较大的影响,弹性模量各向异性比值越大,起裂压力越小;无论是均质地层还是各向异性地层,水平地应力比值对起裂压力的影响较大,初始水平地应力比值对起裂压力的影响较小。计算结果可为页岩储层的裂缝起裂压力预测以及裂缝扩展机理深入研究提供参考。     

水平井压裂裂缝起裂及延伸规律模拟实验研究

应用水平井多级压裂技术对油气储层进行体积压裂缝网改造,已经广泛应用于非常规油气资源开采中,但较少研究水平井井筒走向与地应力方位的关系对压裂裂缝起裂及延伸的影响,以及主应力差对裂缝复杂程度的影响等问题研究。根据现场水平井压裂施工要求,通过物模压裂实验模拟了低孔低渗砂泥岩地层水平井在裸眼完井与套管射孔完井2种完井方式下,主应力差为10MPa和4MPa,水平井井筒方位角分别为0、30、45、60、90°时的裂缝起裂和延伸规律。结果表明：主应力差对裂缝起裂影响很大,应力差越小起裂压力越高,裂缝起裂和延伸越复杂;裂缝沿井筒轴向起裂,在井筒两端裂缝最终转向垂直于最小水平主应力方向延伸;水平段井筒沿最小水平主应力方向时,压裂能够形成横断缝。该研究对理解不同方位角的水平井压裂裂缝的起裂及裂缝延伸规律具有重要意义。     

燃爆诱导水力压裂多裂缝耦合起裂规律

为了明确多相位裂缝组合下的应力干扰作用及其对后续水力压裂裂缝起裂压力的影响,基于原有预存单条诱导裂缝的应力场计算模型建立预存多条诱导裂缝的耦合应力场计算模型,分析诱导应力影响下的井周周向应力场变化规律,再结合断裂力学判据计算后续水力压裂预存裂缝的起裂压力,并对预存裂缝长度、相位、水平主应力差异系数及预存裂缝条数等4个因素对预存裂缝起裂压力的影响进行了分析。研究结果表明:(1)预存裂缝后近裂缝区域周向应力差明显增大,甚至出现水平主应力反转;(2)随新增预存裂缝长度增加,原预存裂缝起裂压力先增后降,在新增预存裂缝长度增加到原预存裂缝长度时,原预存裂缝起裂压力迅速降低,而后下降趋势变平缓;(3)高相位裂缝的起裂压力大于低相位裂缝的起裂压力;(4)随着裂缝条数的增加,新增预存裂缝起裂压力逐渐降低,但起裂压力差减小的趋势不明显;(5)多相位裂缝的应力干扰作用影响裂缝的起裂压力,较长高相位裂缝和较短低相位裂缝均有利于多相位裂缝的同时起裂;(6)多裂缝同步延伸会产生更为复杂的应力干扰作用,激发水力压裂复杂缝网的演化,实现均衡的压裂改造。结论认为,该研究成果可为燃爆诱导压裂射孔相位、诱导裂缝规模及后续水力压裂施工泵压等压裂施工设计提供理论指导。     

双向受压载荷具内压斜裂缝的起裂与扩展

基于力的平衡原理及断裂力学理论，针对射孔方位与最大主应力方向不重合的情况，建立了裂缝模型，推导了双向受压具内压斜裂纹的应力场，提出了裂纹开裂与延伸的最大应力强度准则。根据现场实际情况，应用有限元法对水力压裂初裂缝的应力强度场进行了计算，分析表明，该准则具有很高的精度。通过模型计算可以看出，当射孔方位与主应力方位不匹配时，初裂缝将转向，形成一条曲折的裂缝，给水力压裂施工带来很多困难；应用定方位射孔技术可以有效地解决该问题。     

水力喷射分段压裂裂缝起裂模型研究

优化设计水力喷射分段压裂施工方案时,需要较为准确地预测不同位置的起裂压力。基于Westergaard理论,建立了考虑裂缝诱导应力场的水力喷射分段压裂起裂模型,分析了受第一条裂缝诱导应力影响的后续裂缝起裂压力,并与现场实际压裂数据进行对比;同时,分析了不同裂缝高度、裂缝净压力、原地最小水平主应力和与第一条裂缝的距离对第二条裂缝起裂压力的影响。计算结果显示,模型计算值与压裂试验数据吻合较好。在实际施工参数条件下,裂缝面净压力每增大5 MPa,后续压裂起裂压力增大3 MPa;第一条裂缝高度每增加10 m,后续裂缝起裂压力增加2 MPa,诱导应力场影响范围增加30 m;与第一条裂缝距离越近,后续裂缝起裂压力越高,最大增幅可达21%;原地最小水平主应力增大,诱导应力场的影响范围并不会增大。研究结果对优化设计水力喷射分段压裂施工方案具有一定的指导作用。      

水平井交替压裂裂缝间距优化及影响因素分析

为使水平井交替压裂在非常规油气储集层中形成大规模高效复杂体积缝网,需对交替压裂裂缝间距进行优化分析。 从相邻 2 条压裂裂缝诱导应力叠加效应对初始水平主应力差的影响出发,建立了裂缝高度不同且缝内净压力也不同的物理模型,提出了交替压裂第一次压裂裂缝和第二次压裂裂缝临界裂缝间距及中间裂缝最佳起裂位置的确定方法。 分析发现：前两次压裂裂缝临界裂缝间距随储集层岩石泊松比增大而减小,随裂缝高度和缝内净压力增大而增大;中间裂缝最佳起裂位置距第一次压裂裂缝的距离随储集层岩石泊松比增大而减小,随裂缝高度增大而增大,而缝内净压力对中间裂缝最佳起裂位置的影响较小。 通过实例,将改进后的方法与已有方法进行对比分析后发现,改进后的临界裂缝间距和中间裂缝最佳起裂位置较已有方法能更准确地计算出诱导应力场,对非常规油气储集层交替压裂形成高效复杂体积缝网具有指导意义。     

重复压裂前的地应力场分析

重复压裂是低渗透油藏增产稳产的重要措施之一,井眼周围和初次压裂裂缝附近的应力场分布对重复压裂裂缝的起裂和延伸有重要的影响。运用弹性力学和流固耦合理论,建立了原始地应力作用下的垂直井围岩应力、初次压裂裂缝诱导应力和孔隙压力诱导应力计算模型,实现了对重复压裂前井眼和裂缝附近地应力的定量研究;通过计算,得出了应力场和孔隙压力随空间和时间的变化特征。研究认为:孔隙压力变化和初次压裂裂缝在2个水平主应力方向产生的诱导应力,将改变初次压裂后井周的应力分布,并可能引起2个水平主应力的重定向;2个水平主应力的初始差值是决定应力是否发生重定向以及应力反转发生时间的关键因素。     

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。     

基于位移相关法的重复压裂裂缝尖端应力场研究

重复压裂技术是低渗透油田、非常规油气藏增产增效的重要措施,利用再加压打开储层的油气通道,可获取更高的开采量。新裂缝的起裂及延伸规律对重复压裂效果评价至关重要。从力学角度分析,裂缝的起裂及延伸与裂缝尖端应力强度息息相关。在饱和多孔介质固体骨架的平衡方程、流体力学和地质力学控制方程的基础上,考虑初始流体密度和孔隙度、地应力、初始孔隙压力等因素的影响,建立了适用于目标油井的储层流固耦合数学模型。以单元节点位移和单元节点孔隙压力为未知量,对该模型进行时间域有限元离散,导出了储层流固耦合的非线性有限元增量方程。根据求解的位移值、应力和应变,基于有限元软件平台利用位移相关法求解裂缝尖端应力强度因子,进行实例分析,验证了所建模型的有效性。     

水平井压裂裂缝起裂数学模型及敏感性分析

假设岩石处于线弹性状态,根据应力迭加原理,考虑井筒方位,井筒周围的岩石性质、井筒周围应力分布以及作业条件的因素,建立了水平井压裂裂缝起裂数学模型;在迭代求解数学模型的基础上,分别分析了在不同应力状态、不同水平井井筒方位角的情况下,最小水平主应力和垂向应力对裂缝起裂压力的影响规律;计算结果表明,地层构造应力、最小水平主应力和垂向主应力对裂缝起裂压力都有显著的影响,水平井井筒方位角是影响裂缝起裂压力大小的主要因素。     

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。