水平井壓裂裂縫起裂及延伸規(guī)律一般研究

1、1水平井壓裂裂縫起裂及延伸規(guī)律一般研究2匯報(bào)提綱 前 言 水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律水平井壓裂裂縫延伸規(guī)律結(jié)論與認(rèn)識(shí)3 1.前 言水平井作為一門(mén)先進(jìn)的技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，由于水平井軌跡不同，鉆遇地層復(fù)雜，水平井應(yīng)力分布、裂縫起裂、裂縫延伸規(guī)律、裂縫內(nèi)的溫度場(chǎng)、產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法、壓裂設(shè)計(jì)與直井有很大不同。對(duì)水平井水力壓裂的理論研究還不夠深入，沒(méi)有一套成熟的理論來(lái)指導(dǎo)水平井的壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工，使得水平井水力壓裂成功率不高而且風(fēng)險(xiǎn)也比較大。 4在不同的地應(yīng)力狀態(tài)和井筒方位下，水平井壓裂形成的裂縫形態(tài)也不同。水平井壓裂的裂縫縱向裂縫橫向裂縫轉(zhuǎn)向裂縫扭曲裂縫 1.前 言5(1) 橫向裂縫

2、 橫向裂縫是沿著垂直于井筒的方向起裂的裂縫，它一般產(chǎn)生在水平井井筒水平段平行于最小主應(yīng)力方向的水平井。 橫向裂縫可以改善低滲透油層滲流狀況，有利于增加油層泄油面積。多條橫向裂縫能大大提高采油速度，并有利于提高采收率。其主要缺點(diǎn)是流體將聚集在裂縫中以向心流流入井底，這將導(dǎo)致裂縫中流動(dòng)壓降的增加。 1.前 言6(2) 縱向裂縫 縱向裂縫是沿著水平井井筒起裂的，形成縱向裂縫時(shí)井筒方向應(yīng)該與最大水平主應(yīng)力的方向一致?？v向裂縫有時(shí)可以把油層泄油面積向油層的上下邊界擴(kuò)展，在某些情況下縱向裂縫還可以解除深度井筒傷害，改善油層的各向異性，降低井筒周圍匯流的影響。 1.前 言7(3) 轉(zhuǎn)向裂縫 1.前 言8 轉(zhuǎn)

3、向裂縫又叫S型裂縫，一般是裂縫從井筒起裂后在近井筒位置延伸一段距離，再轉(zhuǎn)向另一個(gè)平面的方向延伸。如圖所示，在圖中所示的應(yīng)力分布狀態(tài)下，該裂縫在起裂時(shí)是沿著水平方向延伸，而在沿著水平方向延伸一段距離后，裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向垂直于最小主應(yīng)力的方向延伸，所以導(dǎo)致了轉(zhuǎn)向裂縫的形成。許多因素都可以引起裂縫轉(zhuǎn)向，最主要的因素是在裂縫起裂時(shí)的近井筒應(yīng)力分布狀況以及射孔狀況。裂縫轉(zhuǎn)向會(huì)引起更大的施工泵壓，嚴(yán)重情況下可能會(huì)引起砂橋和過(guò)早的近井筒出砂。 1.前 言9(4) 扭曲裂縫 1.前 言10 扭曲型裂縫與轉(zhuǎn)向裂縫類似，但扭曲裂縫的上半縫和下半縫是向著兩個(gè)不同的平面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而轉(zhuǎn)向裂縫的上半縫和下半縫是向著兩個(gè)

4、平行的平面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖2-4所示的應(yīng)力狀態(tài)下，水平井井筒方向垂直于最大水平主應(yīng)力方向，起裂的縱向裂縫從井筒延伸出來(lái)在遠(yuǎn)井筒地應(yīng)力狀態(tài)下會(huì)轉(zhuǎn)向于橫向裂縫的方向。這樣就會(huì)導(dǎo)致裂縫在離開(kāi)井筒附近后的扭曲。如同轉(zhuǎn)向裂縫一樣，扭曲型裂縫也會(huì)造成裂縫在近井筒附近的快速收聚。而且其收聚的程度比轉(zhuǎn)向裂縫更大，所造成的產(chǎn)量和壓裂施工上的負(fù)面影響也較大。 1.前 言11匯報(bào)提綱 前 言 水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律水平井壓裂裂縫延伸規(guī)律結(jié)論與認(rèn)識(shí)12建立水平井井筒應(yīng)力分布模型；進(jìn)行了裸眼完井水平井裂縫起裂壓力計(jì)算，并構(gòu)建了裂縫起裂方位預(yù)測(cè)模型；進(jìn)行了射孔完井水平井裂縫起裂壓力計(jì)算，并構(gòu)建了裂縫起裂方位預(yù)測(cè)模型；分析了

5、裂縫起裂壓力的影響因素。水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究13 水平井壓裂中裂縫的起裂壓力和起裂方位因素：（1）水平段井筒的方位；（2）巖石性質(zhì)、井筒周圍應(yīng)力分布；（3）施工作業(yè)條件、井筒結(jié)構(gòu)、射孔條件。 計(jì)算裂縫起裂壓力、預(yù)測(cè)起裂方位角通常有兩個(gè)步驟： （1）計(jì)算水平井井筒周圍的應(yīng)力分布； （2）根據(jù)巖石破裂準(zhǔn)則，當(dāng)井筒應(yīng)力大于巖石強(qiáng)度，裂縫起裂。 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究142.1 水平井井筒周圍的應(yīng)力分布 基本假設(shè)： 水平井井筒的應(yīng)力分布狀態(tài)受井筒周圍巖石介質(zhì)和施工力學(xué)環(huán)境的影響。為了便于分析井筒周圍應(yīng)力分布狀況，做如下假設(shè)： （1）巖石為均質(zhì)各向同性多孔彈

6、性介質(zhì)； （2）巖石處于線彈性狀態(tài)； （3）不考慮巖石與壓裂液的物理化學(xué)作用。 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究15水平井井筒應(yīng)力分布模型的建立要考慮諸多因素：（1）水平井井筒周圍的巖石受井筒內(nèi)壓引起的應(yīng)力（2）巖石原地應(yīng)力（3）壓裂液滲流效應(yīng)引起的應(yīng)力變化（4）射孔對(duì)井筒應(yīng)力分布的影響（5）分隔器對(duì)水平井井筒軸向應(yīng)力也有一定的影響 根據(jù)假設(shè)條件，以上在水平井井筒處產(chǎn)生的應(yīng)力滿足迭加原理，水平井井筒處的總應(yīng)力分布可以通過(guò)各個(gè)因素產(chǎn)生的應(yīng)力迭加得到，(在所有的受力分析中，將壓應(yīng)力取正，拉應(yīng)力取負(fù))。 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究16 2.1.1 裸眼完井水平井井筒周圍應(yīng)力分布水平井井筒原地應(yīng)力分

7、布 + 井筒內(nèi)壓引起的應(yīng)力 + 壓裂液滲濾效應(yīng)引起的附加應(yīng)力 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究172.1.2 射孔完井水平井井筒周圍應(yīng)力分布 假設(shè)條件：(1) 巖石均質(zhì)各向同性；(2) 巖石為處于線彈性狀態(tài)的多孔介質(zhì)；(3) 不考慮巖石與壓裂液的物理化學(xué)作用而引起的力學(xué)性質(zhì)的變化；(4) 孔眼與井壁垂直相交，井筒和孔眼間的連通性良好，作用在井壁和孔壁處的流體壓力相等。 射孔井筒幾何模型和應(yīng)力重分布圖 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究18 在坐標(biāo)系下射孔完井水平井井筒應(yīng)力與裸眼完井水平井應(yīng)力一致，根據(jù)迭加原理，將井筒內(nèi)壓、地應(yīng)力和壓裂液滲流效應(yīng)引起的應(yīng)力迭加，便可得到水平井射孔完井時(shí)井筒壁處的應(yīng)力場(chǎng)

8、分布： 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究19 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究2.2 起裂壓力和起裂角的計(jì)算裂縫起裂壓力:井壁發(fā)生破裂時(shí)的井筒內(nèi)壓力;裂縫起裂角:裂縫面與井眼軸線之間的夾角 (規(guī)定從裂縫面沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)向井軸時(shí)為正)，如圖所示。 20 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究2.2.1 裸眼完井起裂壓力和起裂角的計(jì)算井筒壁處巖石的三個(gè)主應(yīng)力分別為壓力： 根據(jù)張性破裂準(zhǔn)則，上述的三個(gè)應(yīng)力中只要任意一個(gè)主應(yīng)力超過(guò)巖石抗張強(qiáng)度時(shí)，裂縫就會(huì)在井筒壁處起裂。 21 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究為了求出最大拉伸應(yīng)力，對(duì)式上式求導(dǎo)，得：滿足該式的角度0即為裸眼完井時(shí)裂縫的起裂方位角2.2.1 裸眼完井起

9、裂壓力和起裂角的計(jì)算22 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究射孔完井條件下水平井井筒三個(gè)主應(yīng)力為：2.2.2 射孔完井起裂壓力和起裂角的計(jì)算23 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究2.2.2 射孔完井起裂壓力和起裂角的計(jì)算由彈性力學(xué)理論，其最大拉伸應(yīng)力的表達(dá)式為：對(duì)上式求導(dǎo)，確定出裂縫的起裂方位： 根據(jù)裂縫起裂準(zhǔn)則，當(dāng)井壁處最大拉伸應(yīng)力達(dá)到巖石的抗拉強(qiáng)度t時(shí)，巖石破裂：242.3 裂縫起裂壓力的影響因素分析（1）最小水平主應(yīng)力對(duì)起裂壓力的影響分析 a. 正斷層 正斷層應(yīng)力狀態(tài)下最小主應(yīng)力與破裂壓力關(guān)系 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究25b. 平移斷層 平移斷層應(yīng)力狀態(tài)下最小主應(yīng)力與破裂壓力關(guān)系 2.水

10、平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究26c.逆斷層 逆斷層應(yīng)力狀態(tài)下最小主應(yīng)力與破裂壓力關(guān)系 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究27（2）垂向應(yīng)力對(duì)起裂壓力的影響分析a.正斷層 正斷層應(yīng)力狀態(tài)下垂向應(yīng)力與破裂壓力關(guān)系 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究28b.平移斷層 平移斷層應(yīng)力狀態(tài)下垂向應(yīng)力與破裂壓力關(guān)系 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究29c.逆斷層 逆斷層應(yīng)力狀態(tài)下垂向應(yīng)力與破裂壓力關(guān)系 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究30（3）射孔對(duì)起裂壓力的影響分析 射孔參數(shù)會(huì)對(duì)壓裂作業(yè)產(chǎn)生影響，選擇合適的射孔參數(shù)可以降低地層破裂壓力、降低裂縫的扭曲程度。射孔對(duì)起裂壓力的影響 2.水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律研究31匯報(bào)提綱

11、前 言 水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律水平井壓裂裂縫延伸規(guī)律結(jié)論與認(rèn)識(shí)323.1 裂縫延伸數(shù)學(xué)模型 3.水平井壓裂裂縫延伸規(guī)律研究水力裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算 在水力壓裂中I型裂紋是最常見(jiàn)的 333.1 裂縫延伸數(shù)學(xué)模型 3.水平井壓裂裂縫延伸規(guī)律研究對(duì)于二維裂縫來(lái)說(shuō)，I型張開(kāi)型的裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子以下式表達(dá)： 裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則: 內(nèi)壓(或通常所說(shuō)的破裂載荷)在裂縫邊緣某一點(diǎn)上誘發(fā)應(yīng)力強(qiáng)度因子，當(dāng)它大于巖石的斷裂韌性時(shí)，裂縫將向前擴(kuò)展。 34裂縫延伸模型二維模型（2D）擬三維模型（P3D） 三維模型（3D）1.設(shè)縫高為常數(shù) ；2.忽略壓裂液在縫橫截面方向的流動(dòng)， 壓裂液沿縫長(zhǎng)方向一維流動(dòng) ；3.裂縫延縫長(zhǎng)和縫寬

12、方向二維破裂. 1.縫長(zhǎng)大于縫高的延伸2.縫中流體簡(jiǎn)化成二維或一維流動(dòng) 3.只適合于單層的壓裂設(shè)計(jì)計(jì)算1.縫內(nèi)壓裂液在平行于裂縫壁面的方向作二維矢量流動(dòng) 2.考慮了壓裂液向地層的濾失3.適用于各種地層條件 4.計(jì)算比較復(fù)雜，費(fèi)時(shí)。 3.水平井壓裂裂縫延伸規(guī)律研究3.1 裂縫延伸數(shù)學(xué)模型35改進(jìn)的擬三維模型擬三維裂縫延伸模型中壓裂液的流動(dòng)被假設(shè)為沿縫長(zhǎng)方向的一維流動(dòng)，由于未考慮壓裂液在縫高方向流動(dòng)所引起的壓降，模型就會(huì)過(guò)高地估計(jì)裂縫的延伸高度；Molales等人將壓裂液沿縫高方向的流動(dòng)考慮進(jìn)縫高計(jì)算中。全面考慮了縫高壓降梯度、流體重力、地應(yīng)力梯度、地應(yīng)力差等因素對(duì)裂縫延伸的綜合影響，建立了一套新

13、的裂縫擬三維延伸模型。 3.水平井壓裂裂縫延伸規(guī)律研究36改進(jìn)的擬三維模型模型的建立基于以下假設(shè)：裂縫兩翼以井筒為軸對(duì)稱分布；蓋層、產(chǎn)層、底層為均質(zhì)連續(xù)彈性體；裂縫尖端處至少等于產(chǎn)層厚度。 三維延伸模型中井筒位于裂縫的中心時(shí)：(1） 應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算 三維裂縫在無(wú)限大地層中的延伸模型，其應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算如下式: 3.水平井壓裂裂縫延伸規(guī)律研究37 (2)裂縫內(nèi)流體的連續(xù)性方程: (3)裂縫內(nèi)流體流動(dòng)壓降方程: （4）裂縫寬度方程: 3.水平井壓裂裂縫延伸規(guī)律研究38 (5)裂縫高度方程： 3.水平井壓裂裂縫延伸規(guī)律研究39 名 稱改進(jìn)的擬三維模型二維(PKN)模型Fracpro_PT計(jì)算動(dòng)態(tài)裂

14、縫半長(zhǎng)(m)102324.396動(dòng)態(tài)裂縫上縫高(m)28.912035.73動(dòng)態(tài)裂縫下縫高(m)26.632039.16最大縫寬(mm)0.5651.350.931平均縫寬(mm)0.3661.2090.517動(dòng)態(tài)裂縫總高度(m)55.544074.99裂縫體積(m3)31.92156.849.76計(jì)算結(jié)果比較 3.水平井壓裂裂縫延伸規(guī)律研究3.2 實(shí)例計(jì)算40匯報(bào)提綱 前 言 水平井壓裂裂縫起裂規(guī)律水平井壓裂裂縫延伸規(guī)律結(jié)論與認(rèn)識(shí)414. 結(jié)論與認(rèn)識(shí)（1）通過(guò)對(duì)水平井井筒周邊巖石性質(zhì)進(jìn)行假設(shè)，研究了水平井井筒周圍應(yīng)力的分布，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；（2）水平井壓裂裂縫的起裂壓力和起裂方位不僅與井筒的方位有關(guān)，還與井筒周圍的巖石性質(zhì)和井筒周圍應(yīng)力分布有關(guān)。考慮以上影響因素，在水平井井筒應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，根據(jù)張應(yīng)力破毀準(zhǔn)則，建立的水平井壓裂起裂模型能較好的預(yù)測(cè)起裂壓力和裂縫起裂方位角；（3）在正斷層、逆斷層和平移斷層三個(gè)不同的應(yīng)力狀態(tài)下，最小水平主