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。     

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     

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。     

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°.     

页岩储层各向异性对裂缝起裂压力的影响

页岩储层水平方向上的层理性结构导致了页岩较强的非均质性和各向异性。基于岩石横向各向同性本构关系以及渗流与变形耦合数值方法,建立了页岩水平井裂缝起裂的三维有限元数值模型,对射孔方位角、弹性力学各向异性以及地应力各向异性对水力裂缝起裂压力的敏感性进行了研究。研究结果表明：随射孔方位角的增加,起裂压力增大,起裂压力应力分布云图呈部分“椭圆状”且倾向于最大水平主应力方向;弹性模量各向异性较大和泊松比各向异性较小时,岩石表现出在水平方向上较强的刚性特征,裂缝起裂的可能性较大;弹性模量各向异性较小和泊松比各向异性较大时,岩石表现出在垂向方向上较强的刚性特征,岩石不易起     

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。     

射孔水平井分段压裂起裂压力理论研究

综合考虑井筒内压、原始地应力分布、先压水力裂缝的诱导应力等因素,根据叠加原理及弹性力学理论,建立了射孔水平井分段压裂起裂压力计算模型,分析了初始及后续裂缝的起裂规律。研究结果表明,初始裂缝产生的诱导应力分布受裂缝间距影响。当初始裂缝缝长一定时,沿井筒方向诱导应力逐步降低,直至地应力场趋于原始地应力场;射孔水平井裂缝起裂受射孔方位角的影响,最佳射孔方位由井筒周围地应力分布决定;先压裂缝产生的诱导应力场会导致后续裂缝的起裂压力增大,这种影响会随着裂缝半缝长的增大而增强;半缝长一定时,起裂压力的增加幅度随着裂缝间距的增加递减。      

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。     

压裂水平井人工裂缝起裂规律与施工对策

通过对水平井筒受力状态和应力分布的分析,建立了水平井筒井壁受力模型和起裂角的计算模型,利用模型对不同井眼方位角水平井人工裂缝起裂角的进行了计算,并与小型压裂测试近井筒扭曲摩阻结果、井下微地震人工裂缝监测结果和现场施工数据曲线压力变化规律进行了对比分析,验证了模型计算结果的可靠性,并针对不同井眼方位角水平井压裂施工难度进行了分析,给出了压裂施工优化设计方法,保证了不同井眼方位角水平井压裂改造的成功率。     

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。     

提高地层承压能力的钻井液堵漏作用机理

应用线弹性岩石力学和岩石断裂力学基本理论,揭示了钻井液堵漏阻止诱导裂缝延伸并提高裂缝重启压力从而提高地层承压能力的作用机理。通过分析承压堵漏后缝内压力分布,建立了封堵诱导裂缝的断裂力学模型,并给出承压堵漏阻止诱导裂缝延伸的必要条件;基于井周围岩裂缝诱导应力场的数学模型,提出了堵漏提高诱导裂缝重启压力的力学实质。理论研究表明,堵漏材料在裂缝入口后一定距离封堵为封堵诱导裂缝的最佳位置形式;裂缝尖端部分流体压力必须低于水平最小主应力,且该压力越低,越有利于裂缝的阻裂;诱导裂缝重启压力的提高依赖于周向诱导应力,堵漏材料必须支撑裂缝以维持周向诱导应力;承压堵漏作用机理包含密封和支撑裂缝两方面,堵漏材料应同时具有封堵性能和机械强度。     

煤岩水力压裂裂缝形态实验研究

水力裂缝形态的正确判断是压裂施工设计和产能预测的重要部分,针对煤岩进行真三轴水力压裂,研究水平裂缝、垂直裂缝和复杂裂缝之间的转换条件,得出判断依据。实验证实:应力差(最小水平地应力减去垂向应力)为4～6MPa时,水力裂缝形态在垂直裂缝和水平裂缝间转变;在等应力差状态下,高围压状态会使水力裂缝形态趋于复杂;天然裂缝和割理对水力裂缝起裂与延伸过程产生不同影响;煤岩应力状态主导水力裂缝走向,当应力差异系数K_v在0.6~0.7之间时,煤岩内部天然裂缝和割理对水力裂缝形态有显著影响;并且在不考虑井眼附近天然裂缝时,需要苛刻的应力条件使水力裂缝的起裂阶段表现为水平裂缝。     

Study on Mechanisms of Borehole Instability in Naturally Fractured Reservoir During Production Test for Horizontal Wells

During the production test for horizontal wells, down-hole pressure will drop down significantly to induce the crude oil flowing out of the wellbore, which always leads to wellbore collapse problems, especially in naturally fractured reservoirs. Hence, some special researches on this problem were carried out. Based on the mechanisms of wellbore stability and failure criterion of weak plane, the authors established the stress state around the horizontal wellbore and mathematical model of minimum down-hole pressures required to maintain the wellbore stable. This model is complex nonlinear equations, which involves several variables, including natural fracture occurrences, wellbore orientation, in situ stress, and rock strength. The combination impacts of these variables on the minimum down-hole pressure were quantified by solving this nonlinear model. The study helps deepen the understanding of the mechanisms of wellbore stability in naturally fractured reservoir.     

定向井坍塌压力上限对钻井安全密度窗口的影响

一般钻井安全密度窗口通过计算坍塌压力与破裂压力确定,钻井液密度过低会引起井壁坍塌。实际钻井情况反映,钻井液密度超过坍塌压力上限也会造成井壁坍塌。结合井壁成像测井,分析了高密度钻井液下的井周应力状态,建立了σ_z'＞σ_r'＞σ_θ'模式的坍塌压力上限计算模型,推导得出了直井的解析表达式与定向井的数值计算方法。结果显示:不论直井或定向井,对于强度低于某一临界值的地层,以传统的破裂压力作为安全密度窗口的上限将会低估井壁失稳风险;地层强度临界值的大小取决于主地应力、孔隙压力、有效应力系数。对定向井而言,坍塌压力上限随井斜角和方位角变化的敏感性较高,沿水平最小地应力方向钻进的井眼坍塌压力上限较高;随井斜角增大,坍塌压力上限与破裂压力值逐渐趋于接近。研究结果可防范高密度钻井液引起的井壁损伤和井塌现象。     

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。     

基于相场法的井壁微裂缝扩展规律及坍塌机理研究

文章建立了基于相场法的微裂缝扩展模型,通过数值模拟发现了井壁微裂缝的起裂、扩展和转向等现象,分析了钻井液液柱压力和天然裂缝对井壁微裂缝扩展的影响规律,预测了防止微裂缝扩展的坍塌压力。结果表明：当钻井液液柱压力较小时,井壁经历了微裂缝的萌生、扩展、分支缝产生和交叉贯通等阶段;随着钻井液液柱压力趋近坍塌压力,井壁上产生的微裂缝数量减少、缝长变短、扩展速度降低;具有天然裂缝的基岩起裂所需能量比完整基岩破坏所需能量更低,微裂缝扩展速度更大,增大了井壁的坍塌压力。此外,天然裂缝位于最小水平地应力方向、夹角45°且与井壁连通时,最容易起裂和扩展,此处的井壁坍塌失稳风险最大。基于相场法的模型不仅能够可视化模拟井壁微裂缝扩展及坍塌过程,且坍塌压力预测结果与实钻情况相吻合。此研究为裂缝性地层井壁坍塌机理分析及防治提供了基础理论支撑。     

含多组弱面的页岩水平井坍塌失稳预测模型

目前,水平井穿越长段硬脆性页岩储层过程中的井壁坍塌失稳问题很突出。为此,结合页岩露头、岩心、SEM和FMI资料分析了弱面的产状特征,基于弱面强度理论,建立了含多组弱面页岩的强度分析方法,对均匀分布多组弱面页岩的强度特征进行分析,再综合考虑各组弱面产状、井壁应力状态、井眼方位、原地应力方位等因素,最终建立起了含多组弱面页岩水平井坍塌失稳预测模型,并以川南地区某页岩气水平井开展了实例分析。结果表明,页岩中层理和构造缝之间的交角较大(接近正交);随着页岩岩体中弱面数量的增加,岩体强度大幅度下降,强度受弱面控制作用越显著,当含有4组以上弱面时,强度趋于各向同性,且整体强度大大削弱,使井壁坍塌失稳风险显著增加;随着弱面数量的增加,维持水平井井眼稳定所需的钻井液密度(坍塌压力当量密度)也逐渐增加,不含弱面时坍塌压力当量密度为1.04g/cm3,含1组弱面时坍塌压力当量密度为1.55g/cm3,含2组弱面时坍塌压力当量密度为1.84g/cm3。实例水平井计算结果与实际情况吻合较好,较之传统模型更加准确、实用,有效提高了页岩水平井井壁坍塌压力预测的精度。