水平井压裂裂缝起裂和延伸规律研究

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4
1.前 言
在不同的地应力状态和井筒方位下,水平井压裂形 成的裂缝形态也不同。

横向裂缝


纵向裂缝

裂 的
转向裂缝


扭曲裂缝
5
1.前 言
(1) 横向裂缝
横向裂缝是沿着垂直于井筒的方向起裂的裂缝,它一般产生在水平井井
筒水平段平行于最小主应力方向的水平井。 横向裂缝可以改善低渗透油层
渗流状况,有利于增加油层泄油面积。多条横向裂缝能大大提高采油速度,
2 1
2
( ' ( '
z) z)

( '

z )2

4
2 z
( '
z )2

4
2 z
23
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
2.2.2 射孔完井起裂压力和起裂角的计算
由弹性力学理论,其最大拉伸应力的表达式为:
3
max( ' )

1

Pw pp


z

cPw
zz

2
xx
yy
cos
2


1 2

1



Pw pp
r 0


z

2 yz
cos
rz 0
17
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.1.2 射孔完井水平井井筒周围应力分布
40
裂缝起裂压力(MPa)
30
20
10
0 0
σv=30MPa σv=35MPa σv=40MPa σv=45MPa σv=50MPa
15
30
45
60
75
90
水平井方位角(度)
正断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系
28
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
b.平移断层
裂缝起裂压力(MPa)
70 60 50 40 30 20 10 0
在坐标系下射孔完井水平井井筒应力与裸眼完井水平井应力一 致,根据迭加原理,将井筒内压、地应力和压裂液渗流效应引起的 应力迭加,便可得到水平井射孔完井时井筒壁处的应力场分布:
r Pw (Pw p p )




2Pw (1
cos2 ' )

(
பைடு நூலகம்xx

yy

z)
34
3.水平井压裂裂缝延伸规律研究
3.1 裂缝延伸数学模型
二维模型(2D)
1.设缝高为常数 ;
2.忽略压裂液在缝横截面方向的流动, 压裂液沿缝长方向一维流动 ;
向转向井轴时为正),如图所示。
20
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
2.2.1 裸眼完井起裂压力和起裂角的计算
井筒壁处岩石的三个主应力分别为压力:
1 r
2

3

1
2 1
2
( (
z) z)
(
z )2

4
2 z
(
13
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
水平井压裂中裂缝的起裂压力和起裂方位因素: (1)水平段井筒的方位; (2)岩石性质、井筒周围应力分布; (3)施工作业条件、井筒结构、射孔条件。
计算裂缝起裂压力、预测起裂方位角通常有两个步骤: (1)计算水平井井筒周围的应力分布; (2)根据岩石破裂准则,当井筒应力大于岩石强度,裂 缝起裂。
11
汇报提纲
前 言
水平井压裂裂缝起裂规律
水平井压裂裂缝延伸规律 结论与认识
12
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 水平井压裂裂缝起裂规律研究
建立水平井井筒应力分布模型; 进行了裸眼完井水平井裂缝起裂压力计算,并构建了 裂缝起裂方位预测模型; 进行了射孔完井水平井裂缝起裂压力计算,并构建了 裂缝起裂方位预测模型; 分析了裂缝起裂压力的影响因素。
7
1.前 言
(3) 转向裂缝
8
1.前 言
转向裂缝又叫‘S’型裂缝,一般是裂缝从井筒起裂后在近 井筒位置延伸一段距离,再转向另一个平面的方向延伸。如图 所示,在图中所示的应力分布状态下,该裂缝在起裂时是沿着 水平方向延伸,而在沿着水平方向延伸一段距离后,裂缝发生 转向,转向垂直于最小主应力的方向延伸,所以导致了转向裂 缝的形成。许多因素都可以引起裂缝转向,最主要的因素是在 裂缝起裂时的近井筒应力分布状况以及射孔状况。裂缝转向会 引起更大的施工泵压,严重情况下可能会引起砂桥和过早的近 井筒出砂。
15
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
水平井井筒应力分布模型的建立要考虑诸多因素:
(1)水平井井筒周围的岩石受井筒内压引起的应力 (2)岩石原地应力 (3)压裂液渗流效应引起的应力变化 (4)射孔对井筒应力分布的影响 (5)分隔器对水平井井筒轴向应力也有一定的影响
根据假设条件,以上在水平井井筒处产生的应力满足迭加原理,水平 井井筒处的总应力分布可以通过各个因素产生的应力迭加得到,(在所 有的受力分析中,将压应力取正,拉应力取负)。
(1 cos2 ' )



1 2 1




Pw

pp

r 0
z 2 yz cos
rz 0
19
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2 起裂压力和起裂角的计算 裂缝起裂压力:井壁发生破裂时的井筒内压力; 裂缝起裂角:裂缝面与井眼轴线之间的夹角 (规定从裂缝面沿顺时针方
井筒方位角为45度
井筒方位角为60度
井筒方位角为90度
35
20
25
30
35
40
垂向应力(MPa)
逆断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系
30
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
(3)射孔对起裂压力的影响分析
射孔参数会对压裂作业产生影响,选择合适的射孔参数可以降 低地层破裂压力、降低裂缝的扭曲程度。
破裂压力(MPa)
14
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.1 水平井井筒周围的应力分布
基本假设: 水平井井筒的应力分布状态受井筒周围岩石介质和
施工力学环境的影响。为了便于分析井筒周围应力分 布状况,做如下假设:
(1)岩石为均质各向同性多孔弹性介质; (2)岩石处于线弹性状态; (3)不考虑岩石与压裂液的物理化学作用。
为了求出最大拉伸应力,对式上式求导,得:
d max( ) 0 d
满足该式的角度0即为裸眼完井时裂缝的起裂方位角
22
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
2.2.2 射孔完井起裂压力和起裂角的计算
射孔完井条件下水平井井筒三个主应力为:
1 r
2

3

1

2(
xx

yy

z ) cos2
2( xx yy ) cos2 (1 2 cos2 ' )

z
4 z
sin
2


2
1 2 1




pw

pp
cPw zz 2 xx yy cos2
b. 平移断层 H v h
60
50
σ v/σ H =0.9
裂缝起裂压力(MPa)
40
σh=40
30
σh=35
σh=30
σh=25
σh=20
20
0
15
30
45
60
75
90
水平井井筒方位角(度)
平移断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系
26
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
c.逆断层 H h v
水平井压裂裂缝起裂 及延伸规律研究
单位:中国石油大学(华东) 曲占庆 温庆志 齐 宁
单位:胜利油田采油工艺研究院 张波 2008.9
1
2
汇报提纲
前 言
水平井压裂裂缝起裂规律 水平井压裂裂缝延伸规律 结论与认识
3
1.前 言
水平井作为一门先进的技术,在国内外得到了越来越广 泛的应用,由于水平井轨迹不同,钻遇地层复杂,水平井 应力分布、裂缝起裂、裂缝延伸规律、裂缝内的温度场、 产能预测方法、压裂设计与直井有很大不同。 对水平井水力压裂的理论研究还不够深入,没有一套成 熟的理论来指导水平井的压裂优化设计和现场施工,使得 水平井水力压裂成功率不高而且风险也比较大。
40 35 30 25 20 15 10 5 0
0
射孔 裸眼
15
30
45
60
75
90
水平井井筒方位角(度)
射孔对起裂压力的影响
31
汇报提纲
前 言 水平井压裂裂缝起裂规律
水平井压裂裂缝延伸规律
结论与认识
32
3.水平井压裂裂缝延伸规律研究 3.1 裂缝延伸数学模型 3.1.1水力裂缝应力强度因子计算
9
1.前 言
(4) 扭曲裂缝
10
1.前 言
扭曲型裂缝与转向裂缝类似,但扭曲裂缝的上半缝和下 半缝是向着两个不同的平面发生转动,而转向裂缝的上半缝 和下半缝是向着两个平行的平面发生转动。在图2-4所示的应 力状态下,水平井井筒方向垂直于最大水平主应力方向,起 裂的纵向裂缝从井筒延伸出来在远井筒地应力状态下会转向 于横向裂缝的方向。这样就会导致裂缝在离开井筒附近后的 扭曲。如同转向裂缝一样,扭曲型裂缝也会造成裂缝在近井 筒附近的快速收聚。而且其收聚的程度比转向裂缝更大,所 造成的产量和压裂施工上的负面影响也较大。
并有利于提高采收率。其主要缺点是流体将聚集在裂缝中以向心流流入井底,
这将导致裂缝中流动压降的增加。
6
1.前 言
(2) 纵向裂缝
纵向裂缝是沿着水平井井筒起裂的,形成纵向裂缝时井筒方向应该与 最大水平主应力的方向一致。纵向裂缝有时可以把油层泄油面积向油层的 上下边界扩展,在某些情况下纵向裂缝还可以解除深度井筒伤害,改善油 层的各向异性,降低井筒周围汇流的影响。
70
裂缝起裂压力(MPa)
60
σ v/σ H =0.4
50
40
30
σh=45
σh=40
20
σh=35
10
σh=30
σh=25
0
0
15
30
45
60
75
90
水平井井筒方位角(度)
逆断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系
27
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
(2)垂向应力对起裂压力的影响分析
a.正断层
50
σH/σh=1.25
假设条件: (1) 岩石均质各向同性; (2) 岩石为处于线弹性状态的多孔介质; (3) 不考虑岩石与压裂液的物理化学作用而引起的力学性质的变化; (4) 孔眼与井壁垂直相交,井筒和孔眼间的连通性良好,作用在井壁和 孔壁处的流体压力相等。
射孔井筒几何模型和应力重分布图
18
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
16
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
2.1.1 裸眼完井水平井井筒周围应力分布
水平井井筒原地应力分布
+
井筒内压引起的应力
+
压裂液渗滤效应引起的附加应力
r Pw (Pw pp )


1 2
Pw ( xx yy ) 2( xx yy ) cos 2
(1)最小水平主应力对起裂压力的影响分析
a. 正断层 v H h
70
60
σv/σH =1.11
裂缝起裂压力(MPa)
50
σh=40
40
σh=35
σh=30
30
σh=25
σh=20
20
0
15
30
45
60
75
90
水平井井筒方位角(度)
正断层应力状态下最小主应力与破裂压力关系
25
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
1 2
( '
z)

( '
z )2

4
2 z
对上式求导,确定出裂缝的起裂方位:
d max( ) 0 d
根据裂缝起裂准则,当井壁处最大拉伸应力达到岩石的抗拉强度σt 时,岩石破裂:

m
ax(
' 0
)


t
24
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
2.3 裂缝起裂压力的影响因素分析
在水力压裂中I型裂纹是最常见的
33
3.水平井压裂裂缝延伸规律研究
3.1 裂缝延伸数学模型
对于二维裂缝来说,I型张开型的裂缝应力强度因子以下式
表达:
KI pN

L
2

arcsin(
a L
)
裂缝扩展准则: K I K Ic
内压(或通常所说的破裂载荷)在裂缝边缘某一点上诱发应 力强度因子,当它大于岩石的断裂韧性时,裂缝将向前扩展。
0
σH/σh=2.5
σv=25 σv=30 σv=35 σv=40 σv=45
15
30
45
60
75
水平井井筒方位角(度)
平移断层应力状态下垂向应力与破裂压力关系
90
29
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
c.逆断层
60
55
σH/σh=1.1
裂缝起裂压力(MPa)
50
45
40
井筒方位角为0度
井筒方位角为30度
z )2

4
2 z
根据张性破裂准则,上述的三个应力中只要任意一个主应力超过岩石 抗张强度时,裂缝就会在井筒壁处起裂。
3
max( )

1 2
(
z)
(
z )2

4
2 z
21
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.2.1 裸眼完井起裂压力和起裂角的计算
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