低渗透油藏水平井压裂理论及现场工艺探讨

水平井井筒应力分布和岩石破坏准则构成了水平井压裂裂缝起裂数学模型,利用迭代法对模型进行了求解.分析表明,井筒方位角不同,最小水平主应力和垂直主应力对裂缝的起裂压力影响规律不同,在井筒方位角为0时最不容易起裂,而在井筒方位角为90°时最容易起裂.现有的裂缝延伸模型中,全三维裂缝延伸模型计算结果与Fracpro-PT软件计算结果具有很好的一致性,适合水平井压裂裂缝延伸模拟,裂缝间距较长时,多条裂缝延伸模型可以在考虑裂缝之间干扰的基础上结合单裂缝延伸模型建立.现场多条裂缝压裂可以总结为限流法压裂和分段压裂两种,限流法施工相对简单,改造强度相对较小,分段压裂改造强度大,但工具设备和工艺要求高,现场水平井压裂作业时应根据现场情况选择合适的压裂工艺.图4表1参14     

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。     

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。     

综合钻井及水力压裂的水平井井眼方位优化

地应力是井眼失稳和裂缝起裂的直接控制因素,如何分析不同断层机制下的井眼稳定性和水力压裂随井眼方位变化的响应规律对页岩气钻完井显得更加重要。为此,基于线弹性力学原理、改进的摩尔库伦准则及张性破裂准则,建立了井眼稳定性和裂缝起裂的力学模型,计算分析了不同应力状态下井眼稳定性和水力压裂对井眼方位的设计要求。结果表明,对于正断层应力状态,钻直井或沿最小水平主应力方向的小斜度井有利于井眼稳定,且裂缝的起裂压力主要受射孔方位角控制;对于滑移断层应力状态,钻水平井有利于井眼稳定,安全钻井方位处于最大水平主应力与最小水平主应力之间,且起裂压力受井眼方位角和射孔方位角双重控制;对于逆断层应力状态,沿最大水平主应力方向钻水平井有利于井眼稳定,而起裂压力主要受射孔方位角控制。最后,结合井眼稳定性和水力压裂分析结果,提出了井眼方位优化方法,并针对性地分析不同断层机制下的最优井眼方位。该研究为矿场井眼方位优化提供了理论支撑。     

射孔水平井爆燃气体压裂裂缝起裂研究

爆燃气体压裂技术可实现水平井的经济高效开采,压裂过程中水平井方位、射孔相位与裂缝起裂密切相关,影响施工成败和压裂效果。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,根据弹性力学、线弹性断裂力学理论,基于两孔相交应力集中的力学模型推导了射孔完井方式水平井井壁处的应力场,得到了爆燃气体压裂井壁岩层动态起裂条件,通过设定与时间相关的井筒推进剂燃烧气体压力脉冲函数,可以实现水平井方位角与射孔相位角及裂缝起裂压力、起裂角及起裂时间关系的迭代求解。算例分析表明,与裸眼井相比,射孔完井裂缝的起裂压力和起裂角受水平井方位角和射孔相位角双重制约,射孔可有效降低爆燃气体压裂水平井起裂压力,不同的水平井方位角对应于不同的最优射孔相位角使起裂压力最低。     

不同构造地层水平井压裂起裂规律研究

水平井水力压裂时,由于井眼轨迹较长且钻遇地层复杂,使得井筒周围应力分布差异较大,从而无法准确预测起裂压力及起裂方位。利用Matlab软件三维可视化的优点,对储层构造为正断层、逆断层和平移断层3种情况下的压裂液侵入作用在井壁的应力分布状态进行模拟分析,并结合断裂力学理论对各种构造地层中压裂裂缝起裂压力和起裂方位进行研究。主要利用憋压时井眼周围三维应力分布直观地得到起裂方位规律,并对不同水平井方位角下的起裂压力规律进行了研究。结果表明:利用Matlab建立的水平井筒周围原地应力和压裂液作用下的综合应力三维图,能更好地阐述裂缝起裂方位和延伸趋势;不同构造水平井的起裂规律不同,水平井方位角为0～45°时,平移断层的起裂压力比正断层和逆断层的起裂压力要低一些;水平井方位角45～90°时,逆断层的起裂压力比正断层和平移断层低;正断层的裂缝延伸方位与逆断层和平移断层不同;水平井方位角为0°和180°时,起裂压力最大,90°时起裂压力最小;最小主应力是影响起裂压力最显著的因素。     

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°.     

水平井筒应力分布特征数值模拟研究

对水平井筒应力分布进行了系统研究,采用FLAC3D数值模拟软件建立三维模型,综合考虑地层构造应力和储层岩石力学影响,模拟研究了不同原岩构造应力差和水平段深度对水平井筒附近应力分布特征的影响,为计算水平井压裂破裂压力、裂缝起裂方位角、优化射孔等工程优化提供理论依据。     

重复压裂裂缝起裂角模型研究

考虑流固耦合下重复压裂井周围注/采孔隙压力分布,建立重复压裂井周围孔隙压力诱导最大主应力和主应力方位角数学模型;考虑初次人工裂缝内充满弱可压缩流体,引入流体影响因子,建立初次人工裂缝诱导应力场模型;根据线性叠加?理,建立重复压裂井周围应力场分布模型;根据裂纹破裂准则,建立了重复压裂裂缝起裂角数学模型,得出重复压裂裂缝起裂角范围,并通过两口重复压裂井计算结果与生产结果进行对比,表明模型计算结果准确,且计算方法实用。     

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.     

水平井定面射孔近井筒的破裂形态

水平井定面射孔是致密油气藏体积压裂的一种新型射孔技术,但以往的研究较少考虑射孔对近井区域裂缝起裂位置、破裂形态的调控作用,并将定面射孔的各孔道空间位置均简化为平面,忽略了定面射孔角度参数对水平井破裂压力与近井筒裂缝形态的影响。为了弥补上述不足,建立了流固耦合形式的近井筒破裂力学模型,采用基于连续损伤力学的裂缝单元表征射孔局部三维破裂位置、形态变化,开发了耦合模型有限元数值求解程序以研究裂缝起裂与扩展规律,并运用长庆油气田现场水平井射孔完井参数,定量分析了射孔转角、射角参数变化对初始破裂压力、起裂位置的影响,对比了水平井定面射孔、螺旋射孔近井筒破裂形态的差异。研究结果表明:①射孔可调控水平井破裂压力及初始破裂位置,随射孔转角、射角改变,孔道破裂压力变化显著,初始破裂会产生于射孔—井筒界面、孔道中部等不同位置,定面射孔器材应控制射孔射角介于15°～30°;②定面射孔通过改变孔道射流方向,增加了孔道间应力干扰,能够有效降低水平井破裂压力2.0～3.5 MPa;③定面射孔能够引导和调控近井筒裂缝走向,形成垂直于水平井筒的初始破裂面、避免螺旋射孔导致的近井筒裂缝扭曲,提高了水平井近井筒裂缝系统的完善程度。结论认为,所建立的近井筒破裂力学模型可以模拟水平井射孔—近井筒动态破裂过程,模型计算结果与现场测试数据具有较好的一致性。     

定向井压裂前的射孔方位优化设计

针对定向井压裂过程中破裂压力高、易发生裂缝转向等问题,基于坐标变换,建立了任意轨迹定向井的井周三维应力场计算模型。在此基础上,综合考虑原地应力、孔隙压力、井底流体压力、井眼条件（井斜、方位）及其他物理力学性质等因素,确立了定向井的射孔方位优化设计方法,分析了不同井斜角、井眼方位角组合下的最佳射孔初始方位。通过现场应用,验证了模型的合理性。应用结果表明,经过射孔方位优化设计,能有效降低破裂压力,改善压裂措施效果。     

定向井压裂射孔方位优化

为了解决定向井压裂过程中存在的破裂压力高及易发生裂缝转向等问题,基于坐标变换,建立了定向井的井周三维应力场计算模型。在此基础上,综合考虑原地应力、孔隙压力、井筒液柱压力、井眼条件(井斜角、方位角)及其他物理力学性质等因素,建立了定向井射孔方位优化设计方法,分析了不同井斜角、方位角组合下的最佳射孔方位。现场应用表明,利用定向井射孔方位优化设计方法对射孔方位进行优化,能有效降低破裂压力,提高压裂改造效果。      

考虑井壁稳定及增产效果的页岩气水平井段方位优化方法

针对页岩气水平井钻井过程中常见的井壁失稳垮塌问题,为提高井壁稳定性和为后期压裂增产提供良好的条件,分析了层理面产状和地应力类型对井壁稳定性的影响,并对压裂缝与水平井段夹角,以及与水平气井产量之间的关系进行了研究,进而提出了通过对水平井段方位的优化来提高井壁稳定性和改善压裂增产效果的技术思路:利用川南地区页岩气井的测井、地应力及岩石力学资料,通过页岩层理面破坏模型及本体破坏模型分析计算出不同方位角下的井壁坍塌压力,找出井壁稳定性最好时井眼与层理面产状和地应力类型之间的关系;通过对压裂缝延伸方向的分析,得出了压裂缝的一般延伸规律;利用产能公式计算裂缝与水平井段呈不同夹角时的产量,以此获得了裂缝与水平井段夹角影响压裂效果的规律。还以川南地区的W201-H3井为例,充分考虑页岩气井壁稳定及增产效果,提出了有针对性的水平井段方位优化设计,使该井能在保持良好井壁稳定性的前提下获得良好的增产效果。     

水平井水力裂缝延伸物理模拟试验研究

试验研究水平井裂缝扩展形态,对于正确认识水平井压裂机理具有重要的意义。根据水平井模拟压裂试验的要求,对中国石油大学(北京)岩石力学试验室组建的一套大尺寸真三轴模拟试验系统进行了改造和完善。研究共进行了2组模拟压裂试验,第1组试验研究水平井方位的变化对裂缝起裂和扩展的影响,而第2组试验研究水平主应力比由原来的1.5变为2.0时裂缝起裂和扩展的情况。结果表明:水平井水力裂缝并非发生在与最小地应力垂直的方向,在水平方向的2个主应力差异小时,水平井的水力裂缝的扩展方向具有随机性;在相同物理条件下,裂缝的起裂及近井裂缝形态除了与井筒方位角有关外,还受地应力大小比值的影响。     

复合油藏压裂水平井复杂裂缝分布压力动态特征

压裂改造是提高油田产量、改善井筒附近储层物性的重要方法,但在实际多段压裂体积改造过程中,由于地层条件复杂,导致井筒附近形成了复杂的缝网体积,因此,加强对水平井体积压裂改造试井模型的研究十分必要。基于体积压裂水平井复杂裂缝分布的渗流特征,建立径向复合多段压裂水平井试井解释数学模型,耦合储层与裂缝模型解求得Laplace空间井底压力半解析解,应用Duhamel原理得到考虑井储和表皮影响的Laplace空间井底压力解,利用Stehfest数值反演求得实空间井底压力,并绘制实空间压力动态特征曲线。根据压力导数曲线特征划分流动阶段,通过模型验证证明了该方法的正确性,进而分析了裂缝不对称、裂缝夹角、裂缝分布方式、内区半径和流度比对特征曲线的影响。结果表明,裂缝不对称交错分布有助于增大裂缝控制面积,从而减少流体流入井筒的压力消耗,早期阶段对应的压力曲线也越低;内区半径越大,压裂改造效果越明显,对应压力曲线越靠下。该模型可为多段压裂水平井所形成的复杂裂缝试井资料解释和压裂方案设计提供理论依据。     

斜井及水平井在不同构造应力场水力压裂起裂研究

水力加砂压裂是储层特别是低渗透储层改造的重要手段。压裂施工时,储层破裂压力直接决定水力压裂的成功与否。影响储层破裂压力的因素较多,例如射孔相位、密度、孔径等,但对于斜井或水平井,构造应力场及其与井身结构之间的匹配关系对破裂压力和初始起裂方向影响更为显著。在压裂施工中,由于缺乏对上述因素的认识,常常导致施工因压力过高而中止。基于线弹性断裂力学结合岩石的抗拉破坏准则,对构造应力场进行分类,展开了不同构造应力场下斜井和水平井压裂施工中破裂压力及裂缝起裂方向研究,为水力压裂起裂及优化设计提供参考依据。