水平井压裂起裂规律研究现状

水平井压裂起裂规律研究现状X冯彦田,王继波,胥元刚(西安石油大学石油工程学院,陕西西安　710065) 摘　要:介绍了国内外在水平井压裂裂缝起裂规律的研究进展,主要包括运用解析法和有限元法两种不同方法,研究了水平井井筒周围地应力分布对裂缝起裂的影响,破裂压力及起裂方位,指出了目前研究中的不足,并对未来的研究方向进行了分析和展望。

关键词:水平井压裂;地应力;破裂压力;起裂方位;研究现状 水力压裂油气井是增产的一项重要技术,利用地面的高压泵组将高粘度液体泵入井中,当目的层段的液体压力超过一定值后,岩石破裂,随着支撑剂的运移和沉降,逐渐形成一条高渗的填砂裂缝。

水平井压裂与常规直井压裂相比,水平井本身所具有的特殊性和复杂性,钻遇地层情况复杂。

因此,水平井压裂起裂与直井压裂起裂有很大的区别:水平井压裂裂缝的起裂与井筒周围的应力分布、射孔、完井方式、井筒压力以及天然裂缝都密切相关。

众所周知,水平井压裂方面的相关研究在国外一些发达的产油国得到了较早、较全面的认识、研究;而我国在近十年对水平井的开发利用以及压裂方面也做了很多工作并取得了可喜的成绩。

自从Gig er[1]首次提出水平井水力压裂的概念以来,水平井水力压裂的发展已经得到了广泛的认识和深刻的研究。

从那时开始,伴随着水平井技术的不断发展以及在水平井施工过程中各种外来因素的影响和地质构造方面复杂性、多变性的存在,为了提高水平井压裂的成功率,在进行水平井压裂设计时必须考虑各种因素的综合影响——如钻井、射孔后原始地应力在井筒以及孔眼周围的重新分布;起裂条件的分析以及起裂压力的计算以及裂缝的起裂形态研究等。

因此,对于水平井压裂裂缝起裂规律的研究分析无疑是后续工作的基础又是水平井压裂成功的关键。

1　地应力分布模型的发展现状在地应力场的研究方面,已经有许多学者专家做了大量的研究工作:M.M.Hossain[2]给出了斜井井筒应力分布的计算模型,并运用叠加原理在斜井周围应力分布的数学模型下经推导得出了柱坐标系下水平井井筒水平段任意一点处的应力分布;余雄鹰[3]等根据Yew[17]改进的坐标系统,利用三维弹性力学建立了斜井井筒应力分布模型;陈勉等[4]考虑到岩石介质孔隙压力、压裂液渗流效应及作业条件对裂缝起裂的影响,利用多孔弹性理论,采用叠加原理建立了斜井井筒周围的应力分布;程远方等[5]假设岩石是小变形多孔弹性体,利用叠加原理并考虑到钻井液渗流效应,建立了井眼围岩应力分布规律;徐严波[6]考虑了地层温度变化产生的热应力的影响,建立了新的水平井筒周围应力分布的数学模型;王培义等[7]初步研究了水平井水力压裂机理,建立了水平井井眼的应力分布模型;刘翔[8]运用解析方法研究了射孔后孔眼围岩的地应力分布;而胡永全等[9]首次将射孔井套管和岩石化为两种不同性质的材料,按线弹性有限元方法计算近井地带应力场。

2　地应力对裂缝起裂的影响从上面的研究情况可以看出:研究地应力分布时考虑的因素在逐渐增多,运用的方法更加成熟、完善,这为研究地应力对裂缝起裂的影响提供了基础。

Skoczylas F等[10]的研究结果表明,裂缝起裂时受到井壁围岩应力集中的影响,将在垂直于局部最小主应力的方向破裂;而在井壁应力集中区以外,裂缝主要受主应力场控制;Z.Chen等[11]通过具体实例计算研究了水平井井轴与最大水平主应力之间的夹角对裂缝起裂的影响:得出当井眼轴向与最大水平主应力平行时,裂缝起裂压力最小,井眼轴向与最大水平主应力垂直时,裂缝起裂压力最大的结论;金衍、陈勉等[12]根据地层地应力状态及天然裂缝的产状,建立了裂缝性地层斜井水力裂缝3种起裂方式下起裂压力的计算模型,提出了水力裂缝起裂方式和起裂压力的判别方法,现场实例表明:该模型能成功地解释天然裂缝性地层的破裂压力;付永强等[13]基于线弹性断裂力学结合岩石的抗拉破坏准则(C.H.X收稿日期:2009-06-23作者简介:冯彦田,现为西安石油大学油气田开发工程专业工程硕士,主要从事采油气工程理论与技术方面的研究工作。

Yew等[17]提出的应力模型),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位的研究。

3　起裂压力国内外发展情况以上介绍国内外专家学者们对于水平井周围地应力的分布情况以及地应力对于裂缝起裂影响的一些研究状况。

总之,随着有限元方法的引入,可以说对于地应力重新分布的理论研究已经迈入了一个新的台阶。

这样,我们就可以在考虑水平井井筒周围更多的影响因素的条件下完成解析法无法完成的工作来对地应力的认识做的更加完善、清楚。

这些都是确定起裂压力的基础。

3.1　解析法的研究状况在水平井裂缝的起裂以及起裂压力的计算方面,解析法的运用比较早,且现在已经达到了相当成熟的地步,基本上都是建立相应的数学模型,运用叠加原理得出井筒附近的地应力分布,进而在此基础之上得出破裂规律,推出起裂压力的计算公式:黄荣樽[14]对地层的破裂模式和破裂压力进行了探讨,给出了裂缝起裂压力计算公式;C.H.Yew[15]模型中,仍然利用前人的井筒应力场计算模型,忽略了孔隙度、孔隙压力和岩石抗张强度对裂缝起裂的影响,从而得到了简化的垂直井筒和水平井筒起裂结果; Wolfgang F.J.Deeg[16]通过坐标变换,建立了裸眼斜井和水平井的裂缝起裂压力计算模型,分析了井斜角和方位角对裂缝起裂压力的影响;同时,余雄鹰等根据Yew改进的坐标系统,利用三维弹性力学建立了斜井井筒应力分布模型,根据最大拉应力破裂准则建立裂缝起裂压力和裂缝方位的控制方程,用逼近法求解并编制了相应的程序,认为地层起裂压力存在一个临界井斜角和临界方位角;C.H.Yew 等[17]详细的提出了斜井水力压裂设计的技术概念和方法,改进了以前的坐标系统,提出了一种新的坐标变换,分析了裸眼井复合裂缝相互连接所要求的孔眼间距以及套管井中套管对孔位和孔密的影响,建立了裂缝相互连接的判据;Bernt S.Aadno y等[18]考虑井眼附近存在的塑性带,建立了裸眼井眼的弹塑性模型研究裂缝的起裂。

张广清、陈勉[19]基于最大拉伸应力准则和拉格朗日极值法,建立了水平井筒附近水力裂缝空间转向模型,在该模型中考虑了远场三维地应力和井筒压力的作用,可用于研究水平井筒任意方位下水力裂缝的空间起裂和延伸规律。

通过模拟计算和物理试验所得到的结果表明,水平井井筒附近水力裂缝确实存在空间转向现象,裂缝在转向前与井筒的距离随井筒方位角增大而增加,但增加幅度不大,大致发生在3倍井筒直径的范围内;郭建春等[20]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裂缝起裂压力。

将垂直井和水平井作为特倒,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;罗天雨、赵金洲等[21]根据射孔孔眼处的实际受力状态建立了套管射孔斜井的破裂压力计算模型,可用于计算破裂压力大小与起裂位置;同时利用空间几何知识建立了斜井裂缝的总转向角度的计算公式,用于判断裂缝的总的转向程度。

李兆敏等[22]建立了水平井压裂裂缝起裂压力计算模型,通过分析求解模型可以得出: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;对比分析了现有裂缝延伸模型,得出全三维裂缝延伸模型适合水平井压裂裂缝延伸模拟,分析了产层和盖层的应力差对裂缝缝高的影响;计算结果表明:当隔层与产层的应力差大于5时,裂缝被限制在产层内。

3.2　有限元方法的研究状况有限元方法的应用在近几年来得到飞速发展,胡永全等首次将射孔井套管和岩石化为两种不同性质的材料,按线弹性有限元方法计算近井地带应力场,结合强度理论迭代求解射孔井的破裂压力;张广清[23]忽略了套管水泥环的影响,假设在研究的层段上,井筒和射孔内表面上作用着相同的液体压力,使用三维有限元模拟结合岩石的抗拉破坏准测,研究了垂直井中射孔对于地层破裂压力的影响。

得到射孔密度和射孔方位角是影响地层破裂压力的主要因素,射孔孔眼长度和射孔孔眼直径的影响不大的结论;刘建军等[24]将Curson损伤模型引入水力压裂分析中,建立水力压裂的损伤力学模型,给出储层损伤计算的基本思路,通过简单算例对二维单一射孔井眼水力压裂时的损伤情况进行数值模拟,结果表明损伤区主要集中在射孔附近,呈带状分布;李根生等考[25]虑到套管和水泥环的影响,假设地层岩石、套管和水泥环都为各向同性弹性体,建立了包括地层、水泥环和套管的水力射孔井的三维力学模型,运用有限元数值模拟方法结合弹性力学理论和岩石的破裂机理,分析了水力射孔参数对地层破裂的影响。

研究结果表明:沿着最大水平地应力方向进行交错布孔、选择射孔密度为14/m、增加射孔深度可以有效降低地层破裂压力;曲占庆等[26]提出了研究斜井射孔完井地层破裂压力的坐标变换方法,将几何复杂性化为载荷复杂性,大幅度提高了有限元计算的效率,建立了考虑压裂液渗流影响的三维弹塑性斜井射孔完井地层破裂压力分析模型。

分析认为:射孔密度增加,破裂压力明显减小;方位角在0°～30°范围内,存在破裂压力随井斜角基本不变化的方位角;方位角30°以上,随着方位角的继续增大,在相同的井斜角下,破裂压力逐步增大。

从上述的研究成果可以看出利用有限元方法来研究射孔完井压裂裂缝的起裂是目前的一个发展方向;张广清、陈勉[27]在岩石力学试验测试和现场资料解释的基础上建立了三维弹塑性有限元模型,通过大量计算研究了定向射孔水力裂缝形态的影响因素。

结果表明:定向射孔水力裂缝起裂主要受相邻射孔之间应力干扰的影响,而影响定向射孔水力裂缝的形态的主要因素为定向射孔方向与最大地应力方位的夹角和水平应力差。

水力裂缝不一定沿着定向射孔的方位起裂,在水平应力差和射孔夹角较大情况下容易形成由定向射孔和最大地应力方位起始的双裂缝;S.G.Cherny、V.N. Lapin和D.V.Chirkov[28]在考虑套管、水泥胶结的微环空及围岩的相互作用下运用二维数值模拟来研究近井地带的裂缝起裂现象。

Russell Roundtree、M ike Eberhard、Halliburton及Ro bert Barree等[29]提出了在连续的未胶结油管里使用表面封隔器的完井方法,而表面封隔器的目的就是为了隔离井筒便于压裂。

同时用有限元模拟了不同的物理性质对于模型系统的响应,提出了建立在井筒几何学、岩石物理性质、就地应力和常用封隔器基础上的裂缝起裂方案。