定向射孔水力裂縫影響因素分析

定向射孔水力裂縫影響因素分析

0定向射孔控制水力裂縫在力壓裂過程中形成的裂縫曲線和多重裂縫不僅增加了施工壓力，而且支撐材料的傳輸變得困難。定向射孔技術(shù)在石油工程中應(yīng)用廣泛,如在壓裂防砂、水平井壓裂等方面,其特點是形成一條平整的規(guī)則裂縫,從而可以避免水力裂縫的彎曲。Van等通過室內(nèi)實驗研究了射孔對水力裂縫彎曲程度的影響。Mortia等采用定向射孔減緩斜井中的套管損害。Abass等認為定向射孔使得在水力壓裂中形成一條寬而平的裂縫,防止出現(xiàn)分支縫、T型縫和彎曲縫。Pospisil等研究了定向射孔對于壓裂施工過程的影響,發(fā)現(xiàn)在斜井中經(jīng)過定向射孔以后再進行水力壓裂,油井產(chǎn)能明顯增加。Tronvoll等研究了NorthSea的Varg油田采用定向射孔控制出砂的問題。于連俊、鄧金根等通過真三軸模擬試驗及數(shù)值模擬研究了斜井的定向射孔壓裂技術(shù)。田紅、鄧金根將定向射孔應(yīng)用于適度出砂管理中,取得了成功。鄧金根、蔚寶華等通過室內(nèi)真三軸水力壓裂模擬試驗,得到了定向射孔對裂縫起裂壓力、起裂位置及裂縫延伸的影響。一般認為采用定向射孔形成的水力裂縫,總是沿著定向射孔的方位起裂。但是,在定向射孔水力壓裂過程中也會發(fā)生破裂壓力過高、支撐劑傳輸困難的問題,這說明定向射孔時水力裂縫形態(tài)是平整規(guī)則的觀點并不全面,同樣會有復雜形態(tài)裂縫存在。同時由于種種因素的影響,定向射孔不可能嚴格沿著最大地應(yīng)力方向延伸,這就造成在定向射孔條件下水力裂縫不可避免地發(fā)生扭曲。這些影響因素包括地層非均質(zhì)性、井身結(jié)構(gòu)(方位角、井斜角)、地層傾角、定向射孔的偏差等。在三維地應(yīng)力狀態(tài)下,定向射孔完井時各種因素對水力裂縫形狀的影響程度多大?定向射孔方向與最大水平地應(yīng)力方向的偏差多大才對水力裂縫形狀有明顯影響?到目前為止,還未發(fā)現(xiàn)這方面的研究文獻。本文建立了基于彈塑性材料的有限元模型,研究定向射孔水力裂縫的形態(tài)和影響因素。通過研究發(fā)現(xiàn),水力裂縫可能不沿著定向射孔的方向起裂,形成的水力裂縫可能并非呈平整規(guī)則的形態(tài);并且有可能形成雙裂縫。最后對于完井和壓裂提出了一些工程建議。為了便于討論,本文暫不考慮巖性、井身結(jié)構(gòu)及壓裂液的影響。1理論模型1.1yyz+fy+zz+fy+zz+fz+bz+xy+zz+bz+bz+bz+bz+x的+紅字公式視巖石變形為靜態(tài)過程,作用于地層巖石微元的各應(yīng)力滿足如下應(yīng)力平衡方程:{?σxx?x+?σxy?y+?σxz?z+fx=0?σyx?x+?σyy?y+?σyz?z+fy=0?σzx?x+?σzy?y+?σzz?z+fz=0(1)??????????????σxx?x+?σxy?y+?σxz?z+fx=0?σyx?x+?σyy?y+?σyz?z+fy=0?σzx?x+?σzy?y+?σzz?z+fz=0(1)式中σxx,σyy,σzz,σxy,σyz,σxz——應(yīng)力分量(應(yīng)力分量的下標順序互換后大小相等),MPa;fx,fy,fz——體力分量,MPa/m。1.2功2,dp—本構(gòu)方程假設(shè)巖石為連續(xù)的彈塑性材料,則在應(yīng)變空間彈塑性本構(gòu)關(guān)系可表示為:dσ=(D-Dp)dε(2)dσ=(D?Dp)dε(2)其中,取塑性內(nèi)變量為塑性功時,即к=wp,有Dp=1AD?f?σ(?f?σ)ΤD(3)A=(?f?σ)ΤD?f?σ-(?f?σp)ΤD?f?σ-?f?κσΤ?f?σ(4)Dp=1AD?f?σ(?f?σ)TD(3)A=(?f?σ)TD?f?σ?(?f?σp)TD?f?σ??f?κσT?f?σ(4)式中D——彈性本構(gòu)關(guān)系系數(shù)矩陣;σ——應(yīng)力矢量;ε——應(yīng)變矢量;Dp——塑性本構(gòu)關(guān)系矩陣;f(σ,σp,к)——應(yīng)力屈服函數(shù);wp——塑性功;σp——塑性應(yīng)力。1.3材料zzj2本文采用DRUCKER-PRAGER屈服準則描述巖石的剪切破壞,剪切屈服函數(shù)(F):F(Ι1,J2)=αΙ1+J1/22-Η=0Ι1=σxx+σyy+σzzJ2=16[(σxx-σyy)2+(σyy-σzz)2+(σzz-σxx)2+6(σxy2+σyz2+σxz2)](5)F(I1,J2)=αI1+J1/22?H=0I1=σxx+σyy+σzzJ2=16[(σxx?σyy)2+(σyy?σzz)2+(σzz?σxx)2+6(σxy2+σyz2+σxz2)](5)其中α=2sinφ√3(3-sinφ)Η=6csinφ√3(3-sinφ)(6)式中α——材料參數(shù);c——內(nèi)聚力,MPa;φ——摩擦角,(°)。1.4拉伸破裂機理采用最大拉應(yīng)力準則描述巖石的拉伸破壞。分別在幾何模型上施加三向地應(yīng)力,在井筒內(nèi)壁和射孔孔眼內(nèi)作用液體壓力后,經(jīng)過計算找出第一主應(yīng)力最大的部位,并認為第一主應(yīng)力最大的部位首先發(fā)生拉伸破裂。2參數(shù)和模型的計算暫不考慮地下巖石力學性質(zhì)的非均質(zhì)性,并假定地層水平,井筒垂直。2.1孔密度和射孔尺寸根據(jù)室內(nèi)巖石力學參數(shù)試驗、測井資料解釋、小型水力壓裂測試資料以及射孔參數(shù),確定計算中采用的所有參數(shù)。井眼直徑140mm,射孔方位角180°,射孔彈直徑12mm,射孔穿透長度70cm,定向射孔相位角180°,射孔密度8～12孔/m。彈性模量40GPa,泊松比0.231,抗拉強度5MPa,內(nèi)摩擦角11°,內(nèi)聚力3MPa,水平最大地應(yīng)力45.9MPa,水平最小地應(yīng)力40.9MPa,垂向地應(yīng)力56.5MPa。2.2單元類型劃分圖1和圖2是方位角為60°時的有限元幾何模型,共劃分為88748個單元,128808個節(jié)點。其余條件下的有限元模型類似,僅定向射孔與水平最大地應(yīng)力方位的夾角發(fā)生變化。3定向射孔角度為了對比水平應(yīng)力差和定向射孔角度對第一主應(yīng)力分布的影響,水平應(yīng)力差在0～15MPa內(nèi)每隔1MPa取值,同時定向射孔的角度在0～90°內(nèi)每隔10°取值,對每一個組合進行模擬計算,共進行了320次計算。以定向射孔的角度為橫坐標,分別提取每次計算結(jié)果中兩個位置處的第一主應(yīng)力值,比較兩個應(yīng)力值的大小,當兩個應(yīng)力值的相對誤差小于10-3時對應(yīng)的角度為臨界角度。3.1孔眼主應(yīng)力分析選取定向射孔方向與最大地應(yīng)力方向一致的情形來說明定向射孔水力裂縫的起裂機理。圖3為第一主應(yīng)力分布(正值表示受拉,負值表示受壓)情況。由圖3可以看出,第一主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在射孔孔眼的上下部位,且在兩個孔眼連線區(qū)域相對較高。這說明水力裂縫首先會在孔眼的上下部位起裂,而后貫通擴展,最終形成垂直的初始裂縫。3.2測力面為第一主應(yīng)力的最大部位—鋸齒狀裂縫形態(tài)當定向射孔的角度與最大地應(yīng)力的方向不一致時,如當夾角為30°,水平應(yīng)力差為6MPa時,第一主應(yīng)力的分布見圖4。此時第一主應(yīng)力的分布與圖3明顯不同:第一主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在射孔的上下邊緣部位,但在兩個射孔連線偏向最大主應(yīng)力方向上第一主應(yīng)力相對較高,分布呈現(xiàn)彎曲的形狀。這說明水力裂縫首先會在射孔的上下部位起裂,而后沿著最大地應(yīng)力的方向貫通擴展,最終形成鋸齒狀的初始裂縫。這是在定向射孔水力裂縫起裂分析中首次注意到的現(xiàn)象。根據(jù)計算結(jié)果,隨著定向射孔密度增加,相鄰兩個孔眼之間的影響程度加大,裂縫的鋸齒狀減弱。因此,為避免產(chǎn)生鋸齒狀裂縫,可適當增加定向射孔的射孔密度。3.3最小地應(yīng)力方向射孔的角度分布根據(jù)上述定向射孔水力壓裂起裂機理分析及鋸齒狀裂縫形態(tài)的分析,可以發(fā)現(xiàn),無論定向射孔是沿著最大地應(yīng)力方向還是與最大地應(yīng)力方向有一定的夾角,水力裂縫總體上沿著定向射孔的方向起裂。這與以往的一般認識相吻合。但隨著定向射孔方向與水平最大地應(yīng)力方向夾角的增加,情況會有所不同。圖5為在最小地應(yīng)力方向射孔時的第一主應(yīng)力分布,可以發(fā)現(xiàn),第一主應(yīng)力的最大值不在定向射孔方位,而是在最大地應(yīng)力的方向,說明水力裂縫起裂不會沿著定向射孔的方向,而是沿著最大地應(yīng)力的方向。這一點與以往的一般認識有所不同,即使在水平地應(yīng)力差很小的情況下也是如此。3.4水平應(yīng)力差的影響定向射孔時水力裂縫不一定沿著射孔方向延伸(見圖5),出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是在射孔部位和最大地應(yīng)力方向的第一主應(yīng)力均較大;兩個部位的第一主應(yīng)力哪個更大,水力裂縫就會在哪個部位起裂。顯而易見,遠場地應(yīng)力的差值、定向射孔方向與最大地應(yīng)力方向的夾角會影響到起裂的部位,即在遠場地應(yīng)力一定的情況下,隨著定向射孔與最大地應(yīng)力方向夾角的增加,均會存在一個臨界夾角,在這一夾角下,第一主應(yīng)力在定向射孔處和最大地應(yīng)力方位處大小相等。在定向射孔處和最大水平地應(yīng)力方向處,第一主應(yīng)力的大小相等,這說明裂縫可能會同時在這兩個位置起裂。圖6為水平應(yīng)力差為6MPa的情況下第一主應(yīng)力的分布,定向射孔角度為50°,則50°即為此情況下的臨界角度。這樣,在定向射孔處和最大地應(yīng)力方向處分別形成一條水力裂縫,其中定向射孔處形成的水力裂縫類似于鋸齒狀;而在最大地應(yīng)力方向形成的裂縫為比較規(guī)則的垂直裂縫。因而,在這種情況下形成了整體上形狀復雜的雙縫,非常不利于水力壓裂施工的順利進行。實際上,由于巖石材料的強烈非均質(zhì)性會大大影響應(yīng)力場的分布,在兩個部位同時形成水力裂縫具有較大的隨機性,這樣就使得實際形成的水力裂縫形狀更加復雜。根據(jù)上述分析,在保持其他條件不變的情況下,改變水平應(yīng)力的差值,采用有限元模型確定每一個應(yīng)力差值下定向射孔與最大地應(yīng)力方位的臨界夾角,并給出兩者的關(guān)系曲線。給定水平應(yīng)力差后,通過有限元計算可得到相應(yīng)的臨界角度,圖7為多次計算后得到的臨界角度和水平應(yīng)力差的關(guān)系。由圖7可見,隨著水平應(yīng)力差的增加,形成雙水力裂縫的臨界角度逐漸減小。例如,當水平應(yīng)力差為10MPa時,如果定向射孔的方位與最大地應(yīng)力方位之間的夾角在27°左右,水力裂縫可能沿著兩個方位同時起裂;夾角小于27°,裂縫沿著射孔方位起裂;夾角大于27°,裂縫沿著最大地應(yīng)力方位起裂,定向射孔不起作用。由于地質(zhì)因素的強烈非均質(zhì)性,通過計算得到的臨界角度可能會有所改變。值得注意的是,對于水平應(yīng)力差為0的特殊情況,即均勻地應(yīng)力條件下,由圖7可得臨界角度為90°,實際上說明,在任意方位進行定向射孔,水力裂縫總是沿著定向射孔方位起裂。這與以往所認為的水力裂縫總是沿著定向射孔方位起裂的觀點一致。4定向射孔水力裂縫的方位基于參數(shù)試驗和測試資料,通過建