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。     

温-压耦合作用下断层滑移对套管应力的影响

页岩气水平井段在压裂过程中容易诱发天然断层滑移,进而导致套管产生失效变形,影响页岩气生产。为研究断层滑移对水平段套管应力的影响机制,采用数值模拟的方法,借助ANSYS软件,建立了断层滑移有限元模型,研究在温-压耦合作用下的断层夹角、注液温差和水泥环弹性模量对套管应力的影响。研究结果表明：考虑温-压耦合作用会提高断层滑移对套管应力的影响;断层夹角越大,套管应力的增长幅度越小,且断层夹角越大,温-压耦合效应越明显;注液温差提高了断层滑移对套管应力的影响,当注液温差超过100℃时,套管应力会出现较大增幅;套管应力随水泥环弹性模量的增加呈现出先减小后增大的趋势,当滑移距离超过4 mm后,水泥环对套管的保护作用将大幅下降。研究结果可为预防页岩气井水平段套管失效变形提供一定参考。     

页岩气井多级压裂过程中地应力变化对套管载荷的影响

近年来,页岩气水平井多级压裂过程中的套管变形问题日渐突出,导致后续压裂施工发生大量丢段、弃段,严重影响了页岩气井产量.考虑到页岩气井变形点普遍分布在套管跟端位置,因此认为多级压裂过程中的应力累积可能是导致套管变形的主要原因,针对该观点对多级压裂过程中的近井筒地应力变化规律及其对套管载荷的影响展开研究.首先,统计分析了威...     

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。     

温-压作用下水泥环缺陷对套管应力的影响

在页岩气水平井多级分段压裂施工中,由于压裂段固井质量较差,当井筒温度和压力急剧变化时,套管失效风险会大大增加。在现场完井和压裂施工数据基础之上,综合考虑压裂压力和井底温度变化,建立了不同水泥环形态的套管-水泥-地层组合体模型,研究压裂过程中水泥环缺失、压裂压力和温度变化对套管应力的影响。计算结果表明:压裂施工中,当以大排量向井筒内泵入压裂液时,井底温度显著降低;如果施工压力较大、水泥环出现窜槽缺失,则套管会产生应力集中,这将急剧增加套管应力,大大增加套管失效风险。固井质量对井筒完整性至关重要,同时必须将压裂液温度、排量和施工压力控制在合理范围,从而保证压裂过程中套管的安全。     

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。     

瞬态力-热耦合作用下水泥环形态对套管应力的影响

基于页岩气水平井压裂工程实际,采用解析法与数值法结合的方式,建立了压裂过程中井筒温度场计算模型和套管偏心、水泥环缺失有限元模型,据此研究瞬态力-热耦合作用下的水泥环形态对套管应力的影响。结果显示:1)页岩气井压裂过程中瞬态力-热耦合作用显著提高了套管应力;套管应力呈先升高后降低的动态变化,最大应力值出现在压裂初期。2)水泥环完整或套管偏心时,瞬态力-热耦合作用降低了套管应力周向分布不均匀差异;水泥环缺失时,套管应力随着缺失角、偏心距的增大而提高。研究结果对于精确计算页岩气井压裂过程中的套管应力具有重要意义。     

力-热耦合作用下套管应力瞬态变化研究

页岩气井压裂压力高、排量大、时间长,力-热耦合作用明显,力-热耦合作用下套管瞬态应力变化研究较少。基于页岩气水平井压裂工程实际,利用热流固耦合数值算法,对压裂过程中套管温度瞬态变化及力-热耦合作用下套管应力瞬态变化进行计算。计算结果表明:压裂过程中,套管温度迅速降低至近恒值温度T_(min),压裂结束后缓慢回升;温度瞬态变化与排量存在显著关系,排量越大,T_(min)越低;力-热耦合作用下,套管瞬态最大应力先升高后降低,最高值出现在压裂初期;套管瞬态应力变化与排量存在显著关系,排量越大,最大应力值越高,套损风险越大。研究结果可为页岩气水平井压裂过程中套损问题影响因素分析提供参考和借鉴。     

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。     

局部载荷对页岩气井套管变形的影响

对四川盆地长宁区块页岩气水平井固井质量的分析结果认为:压裂过程的温度应力及由套管内压周期性变化导致的局部载荷是页岩气井套管变形的主要因素。为此建立了套管在局部载荷作用下应力计算模型,借助有限元数值方法分析了该区块目前使用的套管在局部载荷作用下的受力与变形情况,并讨论了在局部载荷线性增加时,局部载荷范围、套管壁厚、套管外径对现场使用的P110套管受力与变形的影响。结果表明:①载荷范围为45°时的套管变形最大,增加套管壁厚及减小套管外径有利于减小套管变形;②局部等效载荷为40 MPa时的套管径向变形量为4.8 mm,且套管壁厚应大于13 mm才能保证套管不发生屈服变形。通过对现场页岩气井数据的分析,考虑局部载荷作用,认为该区块目前使用的套管壁厚不能满足要求,需要增加壁厚。结论认为,为防止局部载荷的产生、减小套管变形,需要优化井眼轨道设计以合理钻遇天然裂缝发育的岩层,提高固井质量。该研究成果对于页岩气水平井套管设计具有参考价值。     

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。     

套管压裂井不压井完井工艺技术研究及应用

针对非常规光套管压裂井放喷后关井压力高,采用压井液压井并上修井机进行完井作业,存在污染储层及降低压裂效果的问题,研究开发了套管压裂井不压井完井工艺技术,解决了套管压裂井带压完井的问题。通过通孔桥塞、滑套阀与压控开关阀三者之间的有效配合,调控采油的流通通道,使井口处于安全受控保护状态,有效避免了压井液压井,对油层无污染,保证了压裂效果,满足了非常规油井套管压裂后不压井完井作业的需要。现场应用结果表明：下入完井工具串后可多次暂闭油层,并使井口处于安全受控状态,实现了使用修井机下泵或后期小修检泵作业时的不压井作业,满足了低成本不压井完井技术的需要,单井缩短施工周期4～6 d;应用的4口井中,井口最高压力5.2 MPa,最大井斜91.2°,桥塞最大入井深度5 073 m,不压井工艺成功率100%。该工艺可有效提高采油时率,不仅适用于有杆泵完井工艺,还适用于电泵完井工艺,具有良好的推广应用前景。     

高温高压高应力页岩气井丁页2HF井成功压裂

<正>丁页2HF井位于贵州省习水县寨坝镇,构造位置处于川东南地区林滩场-丁山北东向构造带丁山构造北西翼,完钻井深5 700.00m,垂深4 417.43m,水平段长1 034.23m,是中国石化勘探南方分公司为在深层海相页岩气勘探领域取得战略突破而部署的一口页岩气重点预探井。该井采用177.8mm套管完井,储层埋藏深,破裂压力高达92.8MPa,闭合压力高达109.0MPa,温度高达145℃,施工泵压81.0~95.0MPa。施工压力窗口很窄,加砂非常困难,国内外无成功经验借鉴。中国     

压裂过程中瞬态井简-地层耦合温度场半解析模型

压裂过程中,井筒温度的变化会影响压裂液到达井底时的流变性以及在地层中的滤失性,准确预测井筒及地层温度分布可以指导施工方案的设计.关于压裂过程井筒温度场的研究主要集中在数值模型方面,目前还没有合适的解析模型.文中在Hasan采气井筒瞬态传热解析模型的基础上建立了压裂过程井筒瞬态传热方程,通过Laplace变换进行求解,消除了Hasan采用稳态假设求解温度梯度所引起的高排量时的误差,使之能够准确地模拟压裂过程的瞬态井筒温度.通过与Hasan模型和数值模型的对比,验证了该方程的准确性.结果显示,在相同精度下Hasan模型计算效率远高于数值模型.之后,通过将井筒瞬态解析解与地层二维瞬态传热数值解结合,建立了压裂过程瞬态井筒-地层耦合温度场半解析模型,并应用该模型分析了排量及注入温度对压裂井筒-地层温度场的影响.     

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。     

页岩气水平井固井质量对套管损坏的影响

四川盆地西南部长宁—威远国家级页岩气示范区采用水平井方式开发页岩气藏,部分井由于套管损坏导致压裂过程中不能顺利下入桥塞、连续油管不能顺利钻磨桥塞等问题,甚至部分井段被迫放弃压裂作业,直接影响了气井产量的提高。为此,以WH1井为例,在分析该井压裂过程中套管损坏问题的基础上,认识到固井质量差是该井套管损坏的主要原因。然后,应用ABAQUS有限元软件,结合现场实际参数建立模型,对水泥环窜槽缺失、套管偏心和井径变化等3种固井质量差的形式,进行了数值计算,得出了固井质量对套管应力的影响规律:①水泥环缺失时会在套管内壁上产生较严重的应力集中,且套管应力随缺失角度的增加而增加;②套管偏心和水泥环缺失同时作用会极大增加套管应力,甚至达到套管屈服值;③井径变化对套管应力影响较小。该研究成果可对今后页岩气开发提供有益的指导作用。     

压裂参数对水平页岩气井经济效果的影响

采用产能模拟方法将净现值和内部收益率作为评价指标,对不同压裂参数下页岩气井的经济效果进行评价,研究不同压裂间距、压裂级数和加砂量对页岩气井经济效果的影响,结果表明：压裂的间距、级数和加砂量对开发的效果影响显著;压裂间距并非越长越好,当压裂级数和加砂量较少时,短水平段密集压裂反而更易获利;压裂级数通过改变单级压裂的控制体积和支撑剂密度影响产能和收益情况;加砂量通过支撑剂密度改变渗流通道环境,影响最终产量,存在最优铺砂密度并与前2项因素共同影响最终经济效果。实际钻、完井方案制订时,应考虑上述3种工程因素的综合影响,制订最优开发方案。     

页岩气体积压裂压后试井分析与评价

经过体积压裂后的页岩储层,其压后评估和产能预测目前均缺乏相对成熟准确的分析手段,而单一的微地震监测、停泵压降测试等方法在应用上又具有一定的局限性。为此,在充分分析体积压裂所形成的裂缝网络形态和预期改造效果的基础上,采用"较短有效裂缝半长+改造体积内较高的有效渗透率"的方法,对页岩气井体积压裂的改造效果进行分区描述,突出近井地带的主裂缝通道形态,还利用平均有效渗透率概念对中远井地带由复杂、密集的裂缝系统切割破碎的压裂体积的改造效果进行等效描述,解决了传统多长直平面缝模型不能描述改造体积内部拟径向流的问题,更加合理地评价了体积压裂对于改造体积内部渗流能力改善的效果,提高了产能预测的准确性和稳定性。四川盆地威远区块页岩气水平井压裂实践表明:(1)体积压裂所形成网络裂缝的渗流特征与面源缝大不相同,而更近于以射孔孔眼或近井地带一定范围内主裂缝通道为中心点源流动;(2)从试井动态上呈现的是径向或拟径向流特征,而非线性流;(3)利用较短的主裂缝长度和高于页岩基质若干数量级的有效渗透率,可对改造体积进行描述。     

页岩气井套管内测井技术分析

页岩气储层特有的地质特性与开采工艺,使得传统的油气井套管内测井工艺与技术必须改进才能适应。首先分析了普通油气井套管内测井技术,然后从页岩气井井身结构、地质特征、开采工艺等方面分析页岩气井井况特征,有高位垂比井身结构、超低孔隙度和渗透率、页岩储层改造裂缝网等特性,有针对性地提出了部分页岩气井套管内测井工艺与技术。通过对页岩气储层地质测井特性、页岩气井套管内测井技术分析及页岩气储层体积改造效果评价测井的论述,能够对页岩气井套管内测井有所参考与帮助。