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。     

河南油田地应力场变化趋势研究

初次人工裂缝和孔隙压力的变化产生的诱导应力将改变油气藏中的应力分布状况，当这种变化超过地层中的初始应力差时，即产生应力反转，水平最小主应力方向可能转变为水平最大主应力方向，那么重复压裂时，裂缝可自然转向，生成不同于原裂缝方向的新裂缝，而大幅度提高压裂增产置。针对长期开发的河南油田稀油油藏，应用断裂力学理论，通过建立流固耦合数学模型，预测研究了一次裂缝存在及长期生产对地应力变化的影响，为河南稀油油田重复压裂技术方案优化选择提供了重要依据。     

重复压裂气井三维诱导应力场数学模型

重复压裂新裂缝的重新定向分析是具有相当难度和应用价值的核心问题,也是制约重复压裂优化设计的关键。重复压裂产生的裂缝方向取决于地应力状态,垂直裂缝井重复压裂前储层中的应力分布,尤其是水平主应力方向控制着重复压裂裂缝的起裂方位和延伸方向。系统研究了垂直裂缝井重复压裂前应力场的分布特征及影响应力大小和方向变化的主要因素,在此基础上应用弹性力学、流固耦合、孔隙弹性理论等建立了重复压裂气井诱导应力场的数学模型,实现了垂直裂缝气井重复压裂前应力场的定量分析与模拟。     

考虑气井生产影响的重复压裂裂缝重定向研究

生产引起的地层流体压力变化和原有的人工裂缝都将引起储层应力变化，其迭加结果共同决定了重复压裂裂缝方位。首先基于孔隙介质渗流的质量平衡、达西定律和状态方程建立了流体运动模型，并根据小变形弹性介质的应力平衡、应力-应变关系和应力-应变-压力方程，得到基于位移和孔隙压力控制的三维流固耦合数学模型和计算模型，从而得到孔隙压力变化引起的地应力变化；然后将压裂裂缝简化为平板中央的直线贯穿裂纹，根据弹性力学原理结合Fourier变换，导出了计算压裂裂缝在重复压裂时产生的诱导应力场模型；再结合最小主应力原理，确定重复压裂裂缝方位。计算结果表明：重复压裂井的确可能发生应力重新定向，并在距井轴一定距离处（应力各向同性点）应力再次重新定向，逐渐恢复到初始应力水平。重复压裂裂缝重新定向是完全可能的。     

榆树林油田扶余油层重复压裂裂缝转向研究

确定裂缝是否转向及其主要影响因素是目前榆树林油田重复压裂问题之一。通过Fracpro PT软件拟合分析了现场压裂数据,施工过程净压力7.8~17.0 MPa,目前最大最小主应力差为9.6~20.6 MPa,平均14.4MPa;采用重复压裂应力分析软件计算了油水井在不同生产压差和裂缝缝长与缝宽条件下生产时不同位置处的最大最小应力差的演变,5 mm缝宽比1.6 mm缝宽最大最小应力差小1.0 MPa;120 m缝长比60 m缝长最大与最小应力差小0.5 MPa;22 MPa比17 MPa的油水井生产压差的最大最小应力差小2.0 MPa。初始最大最小主应力差16MPa对该油田部分井重复压裂实现裂缝转向具有较大难度,不易形成新缝;目前最大最小应力差小、初次压裂形成宽和长的裂缝、压后油水井生产压差较大及重复压裂过程中净压力较高的井层有利于重复压裂时发生裂缝的重定向而产生新裂缝。     

水力压裂裂缝应力场变化规律

水力压裂过程中裂缝周围应力场对裂缝的转向、扩展有重要影响,研究裂缝周围应力分布影响因素对压裂参数优化设计具有指导意义。基于裂缝扩展有限元方法,建立了裂缝扩展的数学模型,利用Abaqus软件研究了不同裂缝倾角（裂缝与最小水平主应力方向夹角）、主应力差（最大水平主应力与最小水平主应力之差）对裂缝壁面正应力和剪应力的影响;不同射孔角度（射孔方向与最小水平主应力方向夹角）对裂缝延伸轨迹和裂缝壁面剪应力、切向位移的影响;不同射孔簇间距对裂缝几何形态、剪应力、孔隙压力的影响。研究表明：当裂缝倾角增加时,裂缝壁面的正应力逐渐减小,剪应力呈先增大后减小的趋势,且在裂缝倾角为45°时达到最大;当裂缝倾角不变时,裂缝壁面正应力和剪应力随主应力差的增加而增加;裂缝转向半径随着射孔角的增加而减小;在主应力差高于6MPa时,45°射孔角有利于裂缝入口岩石产生剪切破坏;在多裂缝同时扩展过程中,当裂缝间距减小时,应力干扰区域内的剪切应力逐渐变大、裂缝周围流体分布逐渐减少;对于高应力差储层改造,采用缩小簇间距和45°方向射孔的密切割射孔方式有利于岩石产生剪切破坏。     

页岩气“井工厂”不同压裂模式下裂缝复杂程度研究

为了不断优化页岩气"井工厂"的压裂模式,通过建立多裂缝相互干扰诱导应力数学模型,在考虑多井多缝的前提下,建立了多裂缝影响下的诱导应力场有限元模型,对单井逐次压裂、跳跃式压裂、两口水平井同步压裂、拉链式压裂以及改进的拉链式压裂等5种压裂模式进行模拟,对比分析了不同水平路径下诱导应力的变化情况以及最小水平主应力方向的变化规律,并重点讨论了由于压裂次序不同所导致的诱导应力场差异。研究结果表明:(1)裂缝周围的近井筒地带产生的诱导压应力最大,裂缝尖端处产生的诱导拉应力最大;(2)对于两口水平井压裂,靠近补偿井一侧的裂缝尖端诱导拉应力更大,两井的中间位置主要受到诱导拉应力的作用;(3)最小水平主应力方向偏转主要集中在裂缝尖端区域,裂缝数量增多,最小水平主应力的偏转范围和偏转幅度均增大;(4)改进拉链式压裂在各条路径上产生的诱导应力均为最大,对于靠近两口井中间区域各点的诱导应力值影响尤其大,可以有效增加压裂裂缝的复杂程度。结论认为,该研究成果可以为页岩气"井工厂"压裂的复杂裂缝网络预测和压裂模式优化提供帮助。     

页岩气老井重复压裂时机优化方法

基于多孔介质弹性理论、嵌入式离散裂缝模型及有限体积法,考虑页岩气微观渗流机制,建立适用于裂缝性页岩气储集层的渗流-地质力学全耦合模型,并提出了重复压裂时机优化方法,采用四川盆地涪陵页岩气井资料分析了重复压裂时机的影响因素。研究表明：受地层压力衰竭影响,最大水平主应力反转面积占总面积的百分比随时间的延长先增加后减小,且距人工裂缝越近的区域,应力反转面积百分比曲线出现峰值的时间越短,最终归零（恢复到初始状态）的时间也越短。重复压裂的最佳时间受基质渗透率、初始应力差、天然裂缝逼近角的影响：基质渗透率、初始应力差越大,应力反转面积百分比曲线出现峰值、恢复到初始状态的时间越短,采取重复压裂措施的时机越早。天然裂缝逼近角越大,裂缝附近越难发生应力反转、重复压裂最佳时间越早,人工裂缝末端以远区域越易发生应力反转、重复压裂最佳时间越晚。对于基质渗透率很小的储集层,其单井产能递减快,为保证经济性,可采取关井或注气补能等措施恢复应力,提前实施重复压裂。     

同步体积压裂对井间裂缝特性的影响

针对多井同步体积压裂优化设计的要求,在假设岩石为均质、各向同性材料的条件下,基于弹性力学理论,建立了同步体积压裂过程中的二维诱导应力场计算模型;考虑到井间裂缝诱导应力对原始水平主应力的影响,结合裂缝转向机理,得出压裂裂缝转向形成网状裂缝的力学条件。研究结果表明：可通过改变同步体积压裂的裂缝施工参数,改变诱导应力场,调整井间地层的最大、最小水平主应力差值,诱导裂缝转向形成网状裂缝;改变与设计转向裂缝相邻或距离较近裂缝的参数时,诱导应力场变化明显,利于裂缝转向。     

射孔相位及地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展影响的实验研究

为了深入研究射孔相位、地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展的影响,采用大尺寸真三轴模拟实验系统进行水力压裂实验,通过扫描裂缝断面描述了水力裂缝扩展和分布状态,分析了射孔相位及地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展的影响,并进行初步的机理分析,为压裂设计和施工提供支持。实验结果表明：①岩心在射孔末端沿射孔方向开裂,随后裂缝转向,沿垂直于最小水平主应力方向扩展;相同地应力下,射孔相位60°时岩心起裂压力最小,初次开裂及压裂过程用时最短,且裂缝扩展或产生新缝数量多、形式复杂。②当垂向主应力与最大水平主应力差较大且水平主应力差较小时,岩心起裂压力较小,裂缝扩展过程平稳,受岩石断裂韧性影响微弱;当垂向主应力与最大水平主应力差较小时,水平主应力差越大,则起裂压力越大,裂缝扩展次数越少,压裂过程用时越短。③当水平主应力差较大时,裂缝沿垂向扩展明显,断裂面平直且垂直于最小水平主应力方向;当水平主应力差较小时,裂缝扩展方向难控制,易产生偏转或横向裂缝。④水力裂缝与结构面相遇时产生支裂缝,以及出现分叉、转向、穿层等现象是形成复杂裂缝网络的必要条件。层理影响裂缝穿层,微裂隙与微空隙对起裂压力和裂缝扩展均有影响。     

纯41断块沙四段现今地应力场有限元模拟

梁家楼油田纯41断块位于东营凹陷的西南部，主要油气产层是沙四段。现今地应力对油田开发有重要影响。用岩心声速法和井斜统计法确定关键井的水平主应力方向，用声发射法测量关键井的水平最大主应力，用水力压裂法计算关键井的水平最小主应力。以关键井的地应力测量、计算结果为约束条件，采用弹性平面有限元法模拟该断块沙四段现今地应力场，结果是：水平最大主应力值为52—74MPa，断块内部为近东西向，断层带主要为北西向；水平最小主应力值为41—52MPa，断块内部为近南北向，断层带主要为北东向。图5表3参10     

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井壁的张性破裂和剪切垮塌，是钻井过程中经常遇到的井壁稳定性问题，严重地影响着钻井的速度、质量及成本，对部分新探区还会因井壁不稳定而无法钻达目的层，延误勘探开发的速度，影响其综合经济效益。文章基于线弹性力学模型计算分析了地应力场对直井、水平井井眼轨迹设计和稳定性的影响。结果表明，当垂向应力为原地最大主应力时，垂直井眼最不容易发生剪切垮塌，其次是沿着原地最小水平主应力方向的水平井眼；当垂向应力为原地中间主应力时，垂直井眼最不稳定、最容易发生剪切垮塌；当垂向应力为原地最小主应力时，平行于原地最大水平主应力方向的井眼最不容易发生剪切垮塌，平行于原地最小水平主应力方向的井眼最容易发生剪切垮塌。相同钻井条件下，与原地三个主应力的中间主应力平行的井眼比沿着原地最大、最小主应力方向的井眼更容易发生张性漏失。因此，为预防和减少井下复杂事故，井眼应尽可能避开原地中间主应力方向，原地应力大小及方向的准确确定对于优化钻井和降低钻井成本都具有重要的现实意义。     

蠕变地层水泥环特性对套管应力的影响

蠕变地层套管应力计算是采取套损预防措施的依据,目前采用非均匀地应力作为套管水泥环力学模型边界条件的套管应力计算方法与实际情况不符。提出了蠕变地层套管应力计算应将均匀地应力作为其边界条件的有限元力学模型,并分析了水泥环椭圆度和弹性模量对套管应力的影响:当水泥环弹性模量小于等于地层弹性模量时,套管最大应力出现在最小水平地应力方向,反之则出现在最大水平地应力方向;套管峰值应力随着水泥环椭圆度的增大而增加,套管由缩颈损坏转变为挤扁损坏;蠕变地层水泥环弹性模量与地层弹性模量和井眼椭圆度之间存在合理的匹配关系,改变水泥环弹性模量是降低蠕变地层套管应力的最有效方法。该规律的得出有助于加深套损机理的认识和套损预防措施的实施。（）     

储层溶洞对地应力分布的影响

碳酸盐岩储层大多发育溶洞,溶洞会影响附近的应力分布,而在储层压裂改造过程中,应力状态会影响水力裂缝的起裂与扩展。本文研究基于有限元软件ABAQUS建立溶洞附近应力场分析模型,研究椭圆形溶洞的长轴与最大水平主应力方向夹角对溶洞附近应力场分布的影响。研究结果表明,在溶洞附近,最大水平主应力方向趋于与溶洞壁面轮廓相切或平行,最小水平主应力方向趋于与溶洞轮廓边缘切线正交,自然条件下水力裂缝不能沟通溶洞;在椭圆形溶洞长轴方向上,最大水平主应力和最小水平主应力均大于原始水平主应力,在椭圆形溶洞短轴方向上,最大水平主应力和最小水平主应力均小于原始应力,且随着与溶洞距离的增加,水平主应力逐渐恢复至原始状态,研究结果对现场压裂施工具有重要的指导意义。     

水平井分段压裂射孔间距优化方法

为了使水平井分段压裂形成更为复杂的裂缝网络体系,提高油气井产量,以均质、各向同性的二维平面应变模型为基础,建立了人工裂缝诱导应力场数学模型,并结合诱导应力场中水平最大、最小主应力方向发生转向作为裂缝转向判断依据,形成了射孔间距优化方法。研究结果表明,随着裂缝间距的增大,诱导应力分量逐渐减小;裂缝间距一定时,在最小主应力方向附加的诱导应力比最大主应力方向附加的诱导应力大,两者之差呈现先增大后减小的变化趋势。对川西水平井射孔簇间距进行了优化,压裂后输气求产,与邻井选取较大射孔簇间距压裂求产对比,增产效果明显。该射孔间距优化方法对低渗透储层水平井分段压裂设计有一定的指导意义。      

富台潜山凤山组现今地应力场数值模拟及 有效裂缝分布预测

为明确富台潜山凤山组现今地应力特征,根据钻井诱导缝走向及井壁崩落方向对其现今地应力方向进行判断,并通过测井资料及经验公式计算得出关键井现今地应力。通过确定岩石力学参数并建立有限元模型,以关键井地应力为约束条件,对研究区凤山组现今地应力场进行数值模拟,分析现今地应力场对裂缝有效性的影响,进而预测有效裂缝分布。研究结果表明,富台潜山凤山组水平最大主应力为90.6~181 MPa,为北东东—南西西方向;水平最小主应力为61.9~110 MPa,为北北西—南南东方向。断裂带为应力低值区,东、西两侧低洼地带为应力高值区,背斜核部为应力分布稳定区,背斜两翼存在应力变化梯度带。北东东—南西西方向为研究区凤山组有效裂缝优势走向,有效裂缝发育最有利地区为背斜核部,其次为背斜两翼,东、西两侧低洼地带则不利于有效裂缝的保存。     

Stresses around horizontal boreholes drilled in sedimentary rocks

The main purpose of this paper is to present the anisotropic stress equations that can used to analyze fracturing or collapse problems for horizontal boreholes, and to show how anisotropy in the elastic properties of the rock affects the stress field around a horizontal borehole.This paper gives the complete equations to determine stresses around boreholes in transverse isotropic, but linear elastic sedimentary rocks. The equations to determine the effective stresses are also given. It is shown that the stress fields and their direction is affected by the anisotropic material properties of the rock. Also shown is the deformation pattern of the borehole, which for anisotropic rocks is elliptical rather than cylindrical. Finally, a hydraulic fracturing example is given to show the effect of elastic anisotropy on the fracturing pressure.     

基于井壁稳定控制建立井眼轨迹优化预测模型

通过线性规划最优解理论及井壁剪切破坏条件,建立了井眼轨迹优化的控制方程及提出相应的数值求取方法。研究表明：当地应力大小关系满足控制方程的临界条件时,正断层作用应力区域钻直井或沿水平最小地应力方位钻水平井时,两者井壁稳定性相同,该情形也发生在逆断层作用应力区域钻直井或沿水平最大地应力方位钻水平井,此外,走滑断层作用应力区域,水平井沿水平最大或最小地应力方位钻进时,其井壁稳定性 也存在相同的可能性;另外,当水平最大地应力与上覆岩层压力比一定时,水平地应力比值（σ_h/σ_H）越大,正断层作用应力区域沿水平最小地应力方位,及逆断层作用应力区域沿水平最大地应力方位钻进的最优井斜角越小,反之,走滑断层作用应力区域,水平井的最优钻进方位与水平最大地应力方位夹角越 大。研究成果有助于指导现场施工高效钻进。     

高温高压下地应力对电阻率影响实验研究

塔里木盆地克深地区白垩系巴什基奇克组致密砂岩储层具有高温高压和高强地应力特征,地应力对地层电阻率影响显著,导致电阻率测井曲线识别储层流体性质常存在多解性。开展岩样在高温高压下,围压大于轴压和围压小于轴压2种加载方式下的电阻率及其各向异性系数随水平应力差变化的实验研究。在弹性形变内,岩石电阻率随水平应力差的增大呈e的指数形式增大;电阻率随压力的变化呈明显的方向性特征;沿加压方向电阻率变化幅度小,垂直加压方向电阻率变化幅度大;不同加载方式下的电阻率各向异性系数随水平应力差变化关系不一样。为山前盆地高陡地层处于强挤压状态下,用地应力校正电阻率测井曲线值提供了可靠的实验理论依据和途径。     

成像测井技术在车镇凹陷地应力研究中的应用

根据成像测井和偶极声波测井资料,研究了车镇凹陷的地应力。研究表明,电成像图解释的钻井诱导缝走向与最大水平主应力方向一致,井壁崩落方向和崩落椭圆井眼长轴方位指示最小水平主应力方向,偶极声波横波各向异性成像图的快横波方位指示最大水平主应力方向。根据5口井成像测井和偶极声波测井解释成果,编制了钻井诱导缝井壁崩落和快横波方位指示的最大水平主应力方位频率图,其优势方位表明,车66井区现今最大水平主应力.方向为北西西-南东东向,与井区周围盆倾断层走向基本一致,反映了地应力场的继承性。