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定向射孔水力压裂复杂裂缝形态

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定向 水力 复杂 裂缝 形态
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文 章 编 号 :100020747 (2009) 0120103205定 向 射 孔 水 力 压 裂 复 杂 裂 缝 形 态张 广 清 1 ,2 , 陈 勉 1( 石 油 大 学 (北 京 )石 油 天 然 气 工 程 学 院 ; 2. 中 国 石 油 大 学 (北 京 )城 市 油 气 输 配 技 术 北 京 市 重 点 实 验 室 )基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 重 大 研 究 计 划 资 助 项 目 (90510005) ;国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (50274054)摘 要 : 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 。 研 究 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 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 ;定 向 射 孔 形 成 的 水 力 初 始 裂 缝 一 般 为 锯 齿 状 ;在 水 平 应 力 差 和 射 孔 夹 角 较 大 的 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 。 提 高 地 应 力 测 试 和 定 向 射 孔 的 精 度 可 以 有 效 避 免 复 杂 形 态 水 力 裂 缝 的 产 生 。 图 7 参 13关 键 词 : 定 向 射 孔 ; 水 力 压 裂 ; 裂 缝 形 态 ; 双 裂 缝 ; 有 限 元 模 型中 图 分 类 号 : 1       文 献 标 识 码 :in 2 , . et y et B ei j 02249 , 2. B ei j il 02249 , on a to in is in a So of of 言水 力 压 裂 时 形 成 的 裂 缝 弯 曲 和 多 重 裂 缝 不 但 增 加施 工 压 力 ,而 且 使 得 支 撑 剂 传 输 困 难 。 定 向 射 孔 技 术在 石 油 工 程 中 应 用 广 泛 ,如 在 压 裂 防 砂 、 水 平 井 压 裂 等方 面 ,其 特 点 是 形 成 一 条 平 整 的 规 则 裂 缝 ,从 而 可 以 避免 水 力 裂 缝 的 弯 曲 。 [1 ]通 过 室 内 实 验 研 究 了 射 孔 对 水 力 裂 缝 弯曲 程 度 的 影 响 。 [2 ]采 用 定 向 射 孔 减 缓 斜 井 中的 套 管 损 害 。 [3 ] 认 为 定 向 射 孔 使 得 在 水 力 压裂 中 形 成 一 条 宽 而 平 的 裂 缝 ,防 止 出 现 分 支 缝 、 T 型 缝和 弯 曲 缝 。 [ 4 ] 研 究 了 定 向 射 孔 对 于 压 裂 施工 过 程 的 影 响 ,发 现 在 斜 井 中 经 过 定 向 射 孔 以 后 再 进行 水 力 压 裂 ,油 井 产 能 明 显 增 加 。 [5 ] 研 究了 田 采 用 定 向 射 孔 控 制 出 砂 的 问题 。 于 连 俊 、 邓 金 根 等 [6 ] 通 过 真 三 轴 模 拟 试 验 及 数 值模 拟 研 究 了 斜 井 的 定 向 射 孔 压 裂 技 术 。 田 红 、 邓 金根 [ 7 ]将 定 向 射 孔 应 用 于 适 度 出 砂 管 理 中 ,取 得 了 成 功 。邓 金 根 、 蔚 宝 华 等 [ 8 ] 通 过 室 内 真 三 轴 水 力 压 裂 模 拟 试验 ,得 到 了 定 向 射 孔 对 裂 缝 起 裂 压 力 、 起 裂 位 置 及 裂 缝延 伸 的 影 响 。一 般 认 为 采 用 定 向 射 孔 形 成 的 水 力 裂 缝 ,总 是 沿着 定 向 射 孔 的 方 位 起 裂 。 但 是 ,在 定 向 射 孔 水 力 压 裂过 程 中 也 会 发 生 破 裂 压 力 过 高 、 支 撑 剂 传 输 困 难 的 问题 ,这 说 明 定 向 射 孔 时 水 力 裂 缝 形 态 是 平 整 规 则 的 观点 并 不 全 面 ,同 样 会 有 复 杂 形 态 裂 缝 存 在 。 同 时 由 于种 种 因 素 的 影 响 ,定 向 射 孔 不 可 能 严 格 沿 着 最 大 地 应力 方 向 延 伸 ,这 就 造 成 在 定 向 射 孔 条 件 下 水 力 裂 缝 不可 避 免 地 发 生 扭 曲 。 这 些 影 响 因 素 包 括 地 层 非 均 质性 、 井 身 结 构 (方 位 角 、 井 斜 角 ) 、 地 层 倾 角 、 定 向 射 孔 的301石   油   勘   探   与   开   发2009 年 2 月                 N T               36   1  偏 差 等 。在 三 维 地 应 力 状 态 下 ,定 向 射 孔 完 井 时 各 种 因 素对 水 力 裂 缝 形 状 的 影 响 程 度 多 大 ? 定 向 射 孔 方 向 与 最大 水 平 地 应 力 方 向 的 偏 差 多 大 才 对 水 力 裂 缝 形 状 有 明显 影 响 ? 到 目 前 为 止 ,还 未 发 现 这 方 面 的 研 究 文 献 。本 文 建 立 了 基 于 弹 塑 性 材 料 的 有 限 元 模 型 ,研 究定 向 射 孔 水 力 裂 缝 的 形 态 和 影 响 因 素 。 通 过 研 究 发现 ,水 力 裂 缝 可 能 不 沿 着 定 向 射 孔 的 方 向 起 裂 ,形 成 的水 力 裂 缝 可 能 并 非 呈 平 整 规 则 的 形 态 ;并 且 有 可 能 形成 双 裂 缝 。 最 后 对 于 完 井 和 压 裂 提 出 了 一 些 工 程 建议 。 为 了 便 于 讨 论 , 本 文 暂 不 考 虑 岩 性 [9 ] 、 井 身 结构 [10 ,11 ]及 压 裂 液 [12 ]的 影 响 。1 理 论 模 型1. 1 平 衡 方 程视 岩 石 变 形 为 静 态 过 程 ,作 用 于 地 层 岩 石 微 元 的各 应 力 满 足 如 下 应 力 平 衡 方 程 :5σ x x5 x +5σ x y5 y +5σ x f x = 05σ y x5 x +5σ y y5 y +5σ y f y = 05σ z x5 x +5σ z y5 y +5σ z f z = 0(1)式 中   σ x x ,σ y y ,σ z z , σ x y , σ y z , σ x z — — — 应 力 分 量 (应 力分 量 的 下 标 顺 序 互 换 后 大 小 相 等 ) , f x , f y ,f z — — — 体 力 分 量 ,m。1. 2 本 构 方 程假 设 岩 石 为 连 续 的 弹 塑 性 材 料 ,则 在 应 变 空 间 弹塑 性 本 构 关 系 可 表 示 为 : ( D - 2)其 中 ,取 塑 性 内 变 量 为 塑 性 功 时 ,即 к = 有 [9 ] 1A D 5 3)A = 5 5 5 T 5 4)式 中   D — — — 弹 性 本 构 关 系 系 数 矩 阵 ;σ — — — 应 力 矢 量 ;ε — — — 应 变 矢 量 ; — — 塑 性 本 构 关 系 矩 阵 ; f (σ , σ p ,к ) — — — 应 力 屈 服 函 数 ; — — 塑 性 功 ;σ p — — — 塑 性应 力 。1. 3 屈 服 准 则本 文 采 用 服 准 则 [13 ] 描 述岩 石 的 剪 切 破 坏 ,剪 切 屈 服 函 数 ( F) :F( J 2 ) =α I 1 + J 1/ 22 - H = 0σ σ σ = 16 [ (σ x x - σ y y ) 2 + (σ y y - σ z z ) 2 + (σ z z - σ x x ) 2 +6 (σ x y 2 +σ y z 2 +σ x z 2 ) ] (5)其 中α = 23 -     H =63 - (6)式 中   α — — — 材 料 参 数 ; c — — — 内 聚 力 ,φ — — — 摩 擦角 , (° ) 。1. 4 拉 伸 破 坏 准 则采 用 最 大 拉 应 力 准 则 描 述 岩 石 的 拉 伸 破 坏 。 分 别在 几 何 模 型 上 施 加 三 向 地 应 力 ,在 井 筒 内 壁 和 射 孔 孔眼 内 作 用 液 体 压 力 后 ,经 过 计 算 找 出 第 一 主 应 力 最 大的 部 位 ,并 认 为 第 一 主 应 力 最 大 的 部 位 首 先 发 生 拉 伸破 裂 。2 计 算 参 数 与 模 型暂 不 考 虑 地 下 岩 石 力 学 性 质 的 非 均 质 性 ,并 假 定地 层 水 平 ,井 筒 垂 直 。2. 1 计 算 参 数 的 确 定根 据 室 内 岩 石 力 学 参 数 试 验 、 测 井 资 料 解 释 、 小 型水 力 压 裂 测 试 资 料 以 及 射 孔 参 数 ,确 定 计 算 中 采 用 的所 有 参 数 。 井 眼 直 径 140 射 孔 方 位 角 180° ,射 孔弹 直 径 12 射 孔 穿 透 长 度 70 定 向 射 孔 相 位 角180° ,射 孔 密 度 8~ 12 孔 / m。 弹 性 模 量 40 泊 松比 0. 231 ,抗 拉 强 度 5 内 摩 擦 角 11° ,内 聚 力 3水 平 最 大 地 应 力 45. 9 水 平 最 小 地 应 力40. 9 垂 向 地 应 力 56. 5 . 2 有 限 元 模 型图 1 和 图 2 是 方 位 角 为 60° 时 的 有 限 元 几 何 模 型 ,共 划 分 为 88 748 个 单 元 ,128 808 个 节 点 。 其 余 条 件 下的 有 限 元 模 型 类 似 ,仅 定 向 射 孔 与 水 平 最 大 地 应 力 方位 的 夹 角 发 生 变 化 。图 1   方 位 角 及 三 向 地 应 力 作 用 示 意 图 (模 型 顶 视 图 )401 石 油 勘 探 与 开 发 · 油 气 田 开 发                             36   1  图 2   三 维 模 型3 主 要 模 拟 结 果为 了 对 比 水 平 应 力 差 和 定 向 射 孔 角 度 对 第 一 主 应力 分 布 的 影 响 ,水 平 应 力 差 在 0~ 15 每 隔 1 值 ,同 时 定 向 射 孔 的 角 度 在 0~ 90° 内 每 隔 10° 取值 ,对 每 一 个 组 合 进 行 模 拟 计 算 ,共 进 行 了 320 次 计算 。 以 定 向 射 孔 的 角 度 为 横 坐 标 ,分 别 提 取 每 次 计 算结 果 中 两 个 位 置 处 的 第 一 主 应 力 值 ,比 较 两 个 应 力 值的 大 小 ,当 两 个 应 力 值 的 相 对 误 差 小 于 10 - 3 时 对 应 的角 度 为 临 界 角 度 。3. 1 定 向 射 孔 水 力 裂 缝 的 起 裂 机 理选 取 定 向 射 孔 方 向 与 最 大 地 应 力 方 向 一 致 的 情 形来 说 明 定 向 射 孔 水 力 裂 缝 的 起 裂 机 理 。 图 3 为 第 一 主应 力 分 布 (正 值 表 示 受 拉 ,负 值 表 示 受 压 )情 况 。 由 图 3图 3   定 向 射 孔 方 向 与 最 大 地 应 力 方 向 一 致 时 的第 一 主 应 力 分 布可 以 看 出 ,第 一 主 应 力 的 最 大 值 出 现 在 射 孔 孔 眼 的 上下 部 位 ,且 在 两 个 孔 眼 连 线 区 域 相 对 较 高 。 这 说 明 水力 裂 缝 首 先 会 在 孔 眼 的 上 下 部 位 起 裂 ,而 后 贯 通 扩 展 ,最 终 形 成 垂 直 的 初 始 裂 缝 。3. 2 锯 齿 状 裂 缝 形 态当 定 向 射 孔 的 角 度 与 最 大 地 应 力 的 方 向 不 一 致时 ,如 当 夹 角 为 30° ,水 平 应 力 差 为 6 ,第 一 主 应力 的 分 布 见 图 4。 此 时 第 一 主 应 力 的 分 布 与 图 3 明 显不 同 :第 一 主 应 力 的 最 大 值 出 现 在 射 孔 的 上 下 边 缘 部位 ,但 在 两 个 射 孔 连 线 偏 向 最 大 主 应 力 方 向 上 第 一 主应 力 相 对 较 高 ,分 布 呈 现 弯 曲 的 形 状 。 这 说 明 水 力 裂 缝首 先 会 在 射 孔 的 上 下 部 位 起 裂 ,而 后 沿 着 最 大 地 应 力 的方 向 贯 通 扩 展 ,最 终 形 成 锯 齿 状 的 初 始 裂 缝 。 这 是 在 定向 射 孔 水 力 裂 缝 起 裂 分 析 中 首 次 注 意 到 的 现 象 。图 4   定 向 射 孔 方 向 与 最 大 地 应 力 方 向 夹 角 为 30° 时的 第 一 主 应 力 分 布 (水 平 应 力 差 6 据 计 算 结 果 ,随 着 定 向 射 孔 密 度 增 加 ,相 邻 两 个 孔眼 之 间 的 影 响 程 度 加 大 ,裂 缝 的 锯 齿 状 减 弱 。 因 此 ,为 避免 产 生 锯 齿 状 裂 缝 ,可 适 当 增 加 定 向 射 孔 的 射 孔 密 度 。3. 3 水 力 裂 缝 不 一 定 沿 射 孔 方 向 起 裂根 据 上 述 定 向 射 孔 水 力 压 裂 起 裂 机 理 分 析 及 锯 齿状 裂 缝 形 态 的 分 析 ,可 以 发 现 ,无 论 定 向 射 孔 是 沿 着 最大 地 应 力 方 向 还 是 与 最 大 地 应 力 方 向 有 一 定 的 夹 角 ,水 力 裂 缝 总 体 上 沿 着 定 向 射 孔 的 方 向 起 裂 。 这 与 以 往的 一 般 认 识 相 吻 合 。 但 随 着 定 向 射 孔 方 向 与 水 平 最 大地 应 力 方 向 夹 角 的 增 加 ,情 况 会 有 所 不 同 。 图 5 为 在最 小 地 应 力 方 向 射 孔 时 的 第 一 主 应 力 分 布 ,可 以 发 现 ,第 一 主 应 力 的 最 大 值 不 在 定 向 射 孔 方 位 ,而 是 在 最 大地 应 力 的 方 向 ,说 明 水 力 裂 缝 起 裂 不 会 沿 着 定 向 射 孔的 方 向 ,而 是 沿 着 最 大 地 应 力 的 方 向 。 这 一 点 与 以 往的 一 般 认 识 有 所 不 同 ,即 使 在 水 平 地 应 力 差 很 小 的 情501  2009 年 2 月                             张 广 清 等 : 定 向 射 孔 水 力 压 裂 复 杂 裂 缝 形 态况 下 也 是 如 此 。图 5   定 向 射 孔 方 向 与 最 小 地 应 力 方 向 一 致 时 的第 一 主 应 力 分 布 (水 平 应 力 差 2 . 4 形 成 双 裂 缝 的 可 能 性 与 影 响 临 界 角 度 的 因 素定 向 射 孔 时 水 力 裂 缝 不 一 定 沿 着 射 孔 方 向 延 伸(见 图 5) ,出 现 这 一 现 象 的 主 要 原 因 是 在 射 孔 部 位 和 最大 地 应 力 方 向 的 第 一 主 应 力 均 较 大 ;两 个 部 位 的 第 一主 应 力 哪 个 更 大 ,水 力 裂 缝 就 会 在 哪 个 部 位 起 裂 。 显而 易 见 ,远 场 地 应 力 的 差 值 、 定 向 射 孔 方 向 与 最 大 地 应力 方 向 的 夹 角 会 影 响 到 起 裂 的 部 位 ,即 在 远 场 地 应 力一 定 的 情 况 下 ,随 着 定 向 射 孔 与 最 大 地 应 力 方 向 夹 角的 增 加 ,均 会 存 在 一 个 临 界 夹 角 ,在 这 一 夹 角 下 ,第 一主 应 力 在 定 向 射 孔 处 和 最 大 地 应 力 方 位 处 大 小 相 等 。在 定 向 射 孔 处 和 最 大 水 平 地 应 力 方 向 处 ,第 一 主 应 力的 大 小 相 等 ,这 说 明 裂 缝 可 能 会 同 时 在 这 两 个 位 置 起裂 。 图 6 为 水 平 应 力 差 为 6 情 况 下 第 一 主 应 力的 分 布 ,定 向 射 孔 角 度 为 50° ,则 50° 即 为 此 情 况 下 的 临界 角 度 。图 6   在 临 界 角 度 下 形 成 双 裂 缝这 样 ,在 定 向 射 孔 处 和 最 大 地 应 力 方 向 处 分 别 形成 一 条 水 力 裂 缝 ,其 中 定 向 射 孔 处 形 成 的 水 力 裂 缝 类似 于 锯 齿 状 ;而 在 最 大 地 应 力 方 向 形 成 的 裂 缝 为 比 较规 则 的 垂 直 裂 缝 。 因 而 ,在 这 种 情 况 下 形 成 了 整 体 上形 状 复 杂 的 双 缝 ,非 常 不 利 于 水 力 压 裂 施 工 的 顺 利 进行 。 实 际 上 ,由 于 岩 石 材 料 的 强 烈 非 均 质 性 会 大 大 影响 应 力 场 的 分 布 ,在 两 个 部 位 同 时 形 成 水 力 裂 缝 具 有较 大 的 随 机 性 ,这 样 就 使 得 实 际 形 成 的 水 力 裂 缝 形 状更 加 复 杂 。根 据 上 述 分 析 ,在 保 持 其 他 条 件 不 变 的 情 况 下 ,改变 水 平 应 力 的 差 值 ,采 用 有 限 元 模 型 确 定 每 一 个 应 力差 值 下 定 向 射 孔 与 最 大 地 应 力 方 位 的 临 界 夹 角 ,并 给出 两 者 的 关 系 曲 线 。给 定 水 平 应 力 差 后 ,通 过 有 限 元 计 算 可 得 到 相 应的 临 界 角 度 ,图 7 为 多 次 计 算 后 得 到 的 临 界 角 度 和 水平 应 力 差 的 关 系 。 由 图 7 可 见 ,随 着 水 平 应 力 差 的 增加 ,形 成 双 水 力 裂 缝 的 临 界 角 度 逐 渐 减 小 。 例 如 ,当 水平 应 力 差 为 10 ,如 果 定 向 射 孔 的 方 位 与 最 大 地应 力 方 位 之 间 的 夹 角 在 27° 左 右 ,水 力 裂 缝 可 能 沿 着 两个 方 位 同 时 起 裂 ;夹 角 小 于 27° ,裂 缝 沿 着 射 孔 方 位 起裂 ;夹 角 大 于 27° ,裂 缝 沿 着 最 大 地 应 力 方 位 起 裂 ,定 向射 孔 不 起 作 用 。 由 于 地 质 因 素 的 强 烈 非 均 质 性 ,通 过计 算 得 到 的 临 界 角 度 可 能 会 有 所 改 变 。图 7   临 界 角 度 与 水 平 应 力 差 之 间 的 关 系值 得 注 意 的 是 ,对 于 水 平 应 力 差 为 0 的 特 殊 情 况 ,即 均 匀 地 应 力 条 件 下 ,由 图 7 可 得 临 界 角 度 为 90° ,实际 上 说 明 ,在 任 意 方 位 进 行 定 向 射 孔 ,水 力 裂 缝 总 是 沿着 定 向 射 孔 方 位 起 裂 。 这 与 以 往 所 认 为 的 水 力 裂 缝 总是 沿 着 定 向 射 孔 方 位 起 裂 的 观 点 一 致 。4 结 论基 于 参 数 试 验 和 测 试 资 料 ,通 过 建 立 三 维 弹 塑 性有 限 元 模 型 ,研 究 了 定 向 射 孔 水 力 裂 缝 的 形 态 规 律 。由 于 地 质 和 工 程 方 面 的 因 素 影 响 ,一 般 情 况 下 定601 石 油 勘 探 与 开 发 · 油 气 田 开 发                             36   1  向 射 孔 水 力 裂 缝 不 可 能 是 一 条 平 整 的 大 裂 缝 ,而 是 一条 初 始 形 状 接 近 锯 齿 状 的 裂 缝 或 两 条 复 杂 形 状 裂 缝 。对 于 低 应 力 差 的 地 层 ,裂 缝 一 般 沿 着 定 向 射 孔 方位 起 裂 ;对 于 高 应 力 差 的 地 层 ,容 易 出 现 双 裂 缝 和 锯 齿状 裂 缝 。对 于 高 应 力 差 地 层 ,通 过 提 高 确 定 地 应 力 方 位 的精 度 ,充 分 考 虑 地 层 构 造 、 井 身 结 构 ,提 高 定 向 射 孔 的精 度 ,可 以 使 得 水 力 裂 缝 能 够 在 预 想 的 方 位 起 裂 ,达 到最 大 增 产 目 的 。参 考 文 献 :[ 1 ]   R , C. of on ] . 1999 , 14 (2) :1312138.[ 2 ]   , O. to A ] . 8556 , 1994.[ 3 ]   H. ] . 1995 , 93 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