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%。     

温度作用影响套管抗挤强度的定量评价方法——以页岩气水平井大型压裂施工为例

目前通常采用大规模水力压裂的方法对页岩气储层进行改造,由于施工排量大、施工时间长,造成井筒温度下降速度快且幅度大,由温度作用而产生的拉应力会降低套管抗挤强度,不利于安全生产。针对页岩气水平井压裂施工工艺及工况条件,建立了水力压裂时的热传导控制方程,并利用有限差分法对其进行求解,分别探讨了不同井口温度下常规水力压裂和大规模水力压裂时井底温度的变化情况;然后再根据API套管挤毁压力计算公式求得了不同钢级套管在不同温度变化时套管抗挤强度的变化值。结果表明:①较之于常规水力压裂,大型水力压裂时,井底温度变化对套管抗挤强度影响较大且对不同钢级的套管抗挤强度的影响程度也有所不同,其中高钢级套管的抗挤强度受影响较小,而低钢级套管抗挤强度受影响则较大;②当在冬季进行施工及水平井垂深更深时,这种由于温度作用造成套管抗挤强度的降低更为明显。结论认为,在对页岩气水平井大规模水力压裂时,必须考虑因为井底温度变化所造成的套管强度降低的问题,并进行合理的套管设计。     

威荣区块深层页岩气井体积压裂技术

威荣区块页岩气储层埋藏深(3550～3880 m),地应力高(垂直地应力86.0～97.7 MPa),水平地应力差大(7～17 MPa),岩石脆性指数低(小于0.50),天然裂缝不发育,压裂面临施工压力高、压力窗口窄、敏感砂比低、加砂难度大的难题.大型物理模拟实验表明,威荣区块深层页岩气井压裂裂缝形态以主缝+分支缝为主...     

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。     

弯曲井眼中套管抗挤强度计算

目前弯曲井眼中套管抗挤强度计算时没有考虑井眼弯曲的影响,无法确保固完井作业及生产过程中套管的安全。为此,根据弹性力学理论建立了井眼曲率和不均匀外挤力综合影响下的套管抗外挤强度公式。直接建立三维的套管模型,模型长度取10倍的套管外径,在套管的一端施加约束,另一端加弯矩来模拟井眼的弯曲。计算结果表明,在井眼曲率较大时,弯曲井眼中大尺寸厚壁套管抗外挤强度下降较为明显;理论计算的抗外挤强度通常小于模拟值,按照理论设计的套管是偏安全的,但不均匀度较大时需考虑模型计算的误差是否满足要求。     

页岩气藏大规模体积压裂后井筒快速排液方法优选

页岩气藏孔隙度低,地层压力低,经过大规模体积压裂后,返排率低一直是试油工艺的一个难题。压裂后,流体在产层中停留时间过长,会损害产层,很难达到预期的压裂效果。如何高效快速排液对页岩气藏的开发具有十分重要的意义,文章探讨了目前常用的几种页岩气体积压裂后快速排液方法,为页岩气储层改造后快速排液提供了科学依据。     

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。     

基于三重介质模型的体积压裂后页岩气储层数值模拟方法

页岩气储层渗透率极低,基本无产能,须进行体积压裂改造形成裂缝网络才能开采。一般采用双重介质模型进行页岩气储层数值模拟,但该模型无法准确模拟远井地带由于压裂开启并相互连通的天然裂缝。为此,针对压裂后的页岩气储层,建立三孔双渗页岩气储层体积压裂模型来描述不同区域渗透率变化与气体吸附解吸过程。新建模型考虑了页岩气的吸附机理,将基质作为气源,将二级次生裂缝与一级次生裂缝视为2个等效的多孔连续体,压裂主裂缝则作为离散裂缝予以描述。对比新建模型与传统的双重介质模型模拟结果后发现,所建三孔双渗页岩气储层体积压裂模型计算的日产气量和累积产气量均高于双重介质模型,结合双重介质模型模拟产量一般低于实际产量的情况,认为采用考虑天然裂缝的三孔双渗页岩气储层体积压裂模型能够更准确地描述水力压裂井的产量变化。各级裂缝渗透率和初始吸附气含量对生产动态的影响结果表明:二级次生裂缝渗透率对累积产气量影响较大,在生产中应当采取措施提高二级次生裂缝渗透率;而初始吸附气含量对累积产气量影响并不明显。     

页岩气井体积压裂技术在我国的应用建议

页岩气因其储层渗透率超低、气体赋存状态多样等特点,决定了采用常规的压裂形成单一裂缝的增产改造技术已不能适应页岩气藏的改造,必须探索研究新型的压裂改造技术,方能使其获得经济有效地开发。为此,在总结分析美国页岩气储层的岩性、物性、天然裂缝与力学性质特征的基础上,依据复杂裂缝形成机理,提出了压裂形成复杂缝网、增大改造体积的基本地层条件的观点,归纳了直井和水平井体积压裂改造工艺技术方法等。实践表明:页岩气储层获得体积压裂后不仅初期产量高,而且更有利于长期稳产;在我国压裂增产改造将是开发页岩气最重要的技术手段。建议分海相、陆相两大类型开展体积压裂适应性、体积压裂优化设计技术与实施工艺技术、压后监测与评估技术等攻关研究。     

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。     

JY1HF井筇竹寺组页岩气体积压裂实践

井研-犍为区块筇竹寺组页岩气为页岩气勘探突破的有力区块,储层埋深3 500~4 000 m,资源量为4 658.1×10~8m~3。JY1HF井为区域内第一口水平井风险探井,储层表现为水平应力差异大(32 MPa)、脆性矿物含量中等(56.2%)等特征。针对储层特征,通过体积压裂改造形成复杂裂缝网络,将大通径压裂技术、变排量控缝高技术、水平井分段优化技术、高砂比体积压裂技术等先进技术进行集成创新,并成功应用于JY1HF井。该井压后在油压18.5 MPa下,测试产量5.9×10~4m~3/d,获得较好的增产效果,证实该套技术在井研-犍为区块具有较好的适应性。     

页岩气井体积压裂条件下的水泥环界面裂缝扩展

射孔会对井筒完整性造成局部损伤,尤其是导致水泥环本体破坏以及第一界面(套管-水泥环界面)、第二界面(水泥环-围岩界面)的胶结脱离、微环隙等,在后期页岩气水平井体积压裂过程中,由于高压流体的注入,界面微环隙将会加剧甚至发生裂缝扩展,影响封固性能。针对这一问题,建立了界面裂缝扩展数学模型,通过流体连续性方程、泊肃叶定律和净压力与缝宽弹性关系以及边界条件联立得到非线性偏微分方程组,利用对控制方程无因次化的方法求得自相似解。使用该模型对现场算例进行了计算,并分析了各参数对界面裂缝长度的影响。研究结果表明:适当提高水泥环弹性模量,适当降低井口压力和压裂时间有利于减小界面裂缝扩展长度,有利于保障水泥环长期有效封固。研究结果能够对页岩气井体积压裂条件下的水泥环封固性能进行评价和预测,同时在满足油气开采要求的前提下,对相邻射孔段间距的优选,也具有一定的指导意义。     

蜀南页岩气藏体积压裂效果预测新方法

针对四川长宁—威远地区龙马溪组页岩储层特点,在完善现有的总有机碳质量分数、渗透率和吸附气体积分数评价方法的基础上,采用灰色关联分析方法修正了储层含气性分类评价标准。综合岩石力学参数、脆性特征、地应力和天然裂缝发育状况,对岩石可压性进行定量分析,应用层次分析法建立了岩石可压性评价标准。通过现场压裂测试分析和裂缝解释,给出了适应于该区的改造体积计算模型,并分别对含气性、可压性和改造体积这三者与产量的相关性进行了分析。结果表明,改造体积与压后产量的相关性最高,含气性次之,可压性最低。综合考虑含气性、可压性和改造体积的影响,建立了多因素压后产量预测模型,预测结果与已有生产井产量拟合较好。实例给出了新方法的计算过程,预测结果更准确。     

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。     

页岩气水平井压裂对井筒完整性的影响

以弹塑性力学为基础,借助复变函数与应力场分解,对页岩气压裂过程中水平段套管-水泥环-地层系统的力学行为进行分析研究,通过接触面上位移连续条件得到了系统各接触表面的受力表达式;以Drucker-Prager岩土屈服条件为破坏准则,得到了水泥环达到屈服时的最大套管内压力,并讨论了套管及水泥环参数变化对系统受力行为的影响规律。计算结果表明:水泥环内表面比套管更容易达到屈服极限,水泥环厚度对水泥环内壁受力影响较小;增加套管壁厚,有利于保护井筒的完整性;套管内径和水泥环弹性模量对水泥环内壁受力影响较大,套管内径和水泥弹性模量越小,则水泥环越安全。研究结果对于页岩气压裂过程中井筒完整性设计控制具有一定的参考价值。     

威荣页岩气田压裂实践与认识

相比于中浅层,威荣深层页岩气工程地质特征更复杂,具有地应力高、水平应力差高、塑性高、地层压力高的“四高”特征,复杂的工程地质特征带来难以形成复杂缝网、人工裂缝难以支撑与保持及套变异常情况频发三大挑战,具体表现结果就是气井压后单井最终可采储量低。为解决上述难题,经过坚持不懈的探索和实践,压裂工艺在不断发现问题、解决问题过程中持续进步,探索形成了一套基于均衡压裂理念的“精细优化+实时预警+控运行节奏+W型井网”的预防套变及提高压后产量的系列措施。采用该工艺推广应用39井次,压裂效果不断提升,单井平均最终可采储量提高了500×10⁴ m³,套变率从2022年的42.4%降低至目前的16.67%。由于邻井老井生产影响新压裂投产井,导致新井压后产量低于前期,现有400 m(一期)/300 m(二期)井距,压裂规模有下降优化的空间。后续新井应该在剩余储量基础上差异化优化,持续做好压裂技术攻关,实现威荣深层页岩气效益开发。     

页岩油气水平井压裂技术进展与展望

通过对"十三五"以来国外页岩油气储集层水平井压裂技术进展的系统总结,阐述了水平井压裂技术在页岩油气储集层多层叠置立体开发、小井距密井网布井、水平井重复压裂、施工参数优化与降低成本方面的新特征;结合中国页岩油气水平井压裂技术需求,论述了水平井压裂技术在多裂缝扩展模拟、水平井压裂设计、电驱压裂装备、可溶化系列工具、低成本入井材料与工厂化作业方面的新进展。在此基础上,结合非常规页岩油气"十四五"规划对水平井压裂改造技术的需求分析,提出了7个方面的发展建议:(1)强化地质工程一体化联合研究;(2)深化页岩储集层改造基础理论及优化设计技术研究;(3)完善大功率电驱压裂装备;(4)研发长井段水平井压裂工具及配套作业装备;(5)加强水平井柔性开窗侧钻剩余油挖潜技术攻关;(6)发展长井段水平井压裂后修井作业技术;(7)超前储备智能化压裂技术。     

页岩气井产能影响因素分析

以室内实验为基础,运用数值模拟方法,研究了页岩储层性质和压裂后裂缝性质对页岩气产能的影响规律,得到了各影响因素与页岩气产能之间的关系。研究表明,单翼裂缝并不能达到页岩气增产的目的,页岩气压裂后改造体积的大小是影响产能的关键,压裂过程中支裂缝条数越多,改造体积越大,增产效果越明显。     

页岩气井压裂过程中套管损坏的机理

页岩气井大排量压裂过后,在近井筒地带会形成局部圈闭,由于温差较大局部圈闭热膨胀产生轴向力,对套管产生附加应力,有可能引起套管屈曲或变形,甚至诱发套管损坏。为了研究该类套管损伤,以热力学原理、能量守恒定律及流体瞬态传热机理为理论指导,建立局部圈闭附加压力模型,研究了压裂排量和总的注液量对井筒温度场的影响,并通过计算压裂导致的产层段局部圈闭附加压力,开展了油层套管抗挤安全状态评价。研究结果表明:①在大排量压裂条件下,井筒的温度随注液量和排量的变化而改变,排量越大井筒的温度降低的幅度越大;②排量一定时,注液量越大、注入时间越长,井筒温度会逐渐降低,但是变化量逐渐减小;③随着压裂液的注入,在0.5 h内井底温度快速降低,其后井底温度稳定在某一值附近;④流体的热膨胀系数和等温压缩系数也是影响热膨胀压力大小的重要因素。结论认为,对于特定材料套管,如果压裂作业时温差达到某一阈值,会导致考虑局部圈闭的外挤载荷大于套管的抗外挤强度,产生安全隐患,建议提高套管钢级或增加套管壁厚。