定向射孔水力裂缝影响因素分析

定向射孔水力裂缝影响因素分析

0定向射孔控制水力裂缝在力压裂过程中形成的裂缝曲线和多重裂缝不仅增加了施工压力，而且支撑材料的传输变得困难。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。Van等通过室内实验研究了射孔对水力裂缝弯曲程度的影响。Mortia等采用定向射孔减缓斜井中的套管损害。Abass等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。Pospisil等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。Tronvoll等研究了NorthSea的Varg油田采用定向射孔控制出砂的问题。于连俊、邓金根等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、井身结构及压裂液的影响。1理论模型1.1yyz+fy+zz+fy+zz+fz+bz+xy+zz+bz+bz+bz+bz+x的+红字公式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:{∂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——应力分量(应力分量的下标顺序互换后大小相等),MPa;fx,fy,fz——体力分量,MPa/m。1.2功2,dp—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:dσ=(D-Dp)dε(2)dσ=(D−Dp)dε(2)其中,取塑性内变量为塑性功时,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——弹性本构关系系数矩阵;σ——应力矢量;ε——应变矢量;Dp——塑性本构关系矩阵;f(σ,σp,к)——应力屈服函数;wp——塑性功;σp——塑性应力。1.3材料zzj2本文采用DRUCKER-PRAGER屈服准则描述岩石的剪切破坏,剪切屈服函数(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——材料参数;c——内聚力,MPa;φ——摩擦角,(°)。1.4拉伸破裂机理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。2参数和模型的计算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孔密度和射孔尺寸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140mm,射孔方位角180°,射孔弹直径12mm,射孔穿透长度70cm,定向射孔相位角180°,射孔密度8～12孔/m。弹性模量40GPa,泊松比0.231,抗拉强度5MPa,内摩擦角11°,内聚力3MPa,水平最大地应力45.9MPa,水平最小地应力40.9MPa,垂向地应力56.5MPa。2.2单元类型划分图1和图2是方位角为60°时的有限元几何模型,共划分为88748个单元,128808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。3定向射孔角度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0～15MPa内每隔1MPa取值,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孔眼主应力分析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测力面为第一主应力的最大部位—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6MPa时,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。根据计算结果,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最小地应力方向射孔的角度分布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况下也是如此。3.4水平应力差的影响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6MPa的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。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10MPa时,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。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定向射孔水力裂缝的方位基于参数试验和测试资料,通过建