（油气田开发工程专业论文）高能气体压裂技术在安塞油田的应用研究.pdf

茎苎! ! 蔓 s u b j e c t ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fh i g he n e r g yg a sf r a c t u r i n g i na n s a io i lf i e l d s p e c i a l i t y ：t h eo i l g a se x p l o i t a t i o ne n g i n e e r i n g n a m e ：s h id a oh a n ( s i g n a t u r e 互：i 2 盘! 垃璺n l n s t r u c t 。r ：p uc h u n s h e n g ( s i g a t u ：) 盈笺! 詹 a b s t r a c t a n s a io i lf i e l di sl o c a t e di nt h es h a n b e is l o p eo fe r d o rb a s i n t h ec h a r a c t e r i s t i co fa n s a i o i ll a y e ri sb a da n di t sn o n - h o m o g e nt r a i ti ss t r o n g ，s ot h ea n s a ir e s e r v o i ri sb e l o n g i n gt ol o w p e r m e a b i l i t y , l o wp r e s s u r ea n dl o wp r o d u c t i o n n o w d a y s t h ee x p l o r eo fw a t e ri n j e c t i o ni s w i l d l yu s e d ，b u td u r i n gt h ee x p l o r a t i o n c o n t a m i n a t i o na n dc l o g g i n gi sb e c o m i n gs e r i o u s i n c r e a s i n g l y t h ea m o u n to fp r o d u c t i o na n d w a t e ri n j e c t i o ni sl o w e ra n dt h ew a t e r p o w e r f r a c t u r i n gd o e s n o tr e s o l v et h ep r o b l e mc o m p l e t e l y i nt h i ss i t u a t i o nt h i sp a p e ra p p l i e st h e t e c h n i q u eo fh i g h g a se n e r g yf r a c t u r i n g t h i st e c h n i q u e c a r lc o n t r o lt h ea m o u n to ft h e f r a c t u r i n gs h o o ta n dm a k eg a so fh i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r et o f r a c t u r et h el a y e r t h i s t h c h n i q u ec a nf o r mm a n yf r a c t u r i n g sb yt h eo i l w e l lt oc o m m u n i c a t et h ei n a r t i f i c a lc r a c ka n d r e m o v et h ec o n t a m i n a t i o na n dc l o g g i n gi no l iw e l l ，w h i c hc a ni n c r e a s et h ep r o d u c t i o na n d w a t e ri n j e c t i o ni na n s a io i lf i e l d ， a c c o r d i n gt od e e p l yr e s e a r c h i n ga n da n s a ig e o l o g yt h i sp a p e ra p p l i e st h eh e g ft h a t a d a p tt oa n s a io i lf i e l d ，w h i c hi n c l u d e st h ei n t e g r a ld e v i s eo fs h e l l l e s sb u l l e t ，t h ed e v i s eo f p o r t f i r e ，c o n n e c t i n gp i p ea n dc e n t e rt u b ea l s ot h i sp a p e rr e s e a c h e st h ec a l c u l a t i o no fe n d u r i n g p r e s s l t r et oc e n t e rt u b e , t h em a x i m a le n d u r i n gp r e s s u r eo fb u s h i n g ，t h es e l e c to fm a x i m a l p r e s s u r ea n db u l l e tq u a n t i t y , t h es e a l i n go fc e n t e rt u b ea n db u l l e t ，t h es e l e c ta n dm a t c ho fb u l l e t a n dt h et e c h n i q u eo f a p p l i c a t i o n b a s e do nt h ec o n c l u s i o na b o v e ，t h i sp a p e re s t a b l i s ht h em o d e lo f h e g ff o ra n s a io i lf i e l d a n ds i xd i f f e r e n t i a le g u a t i o ni nw h i c hz ，x ，v ，p ，v t a n dv t ga r et h ef u n c t i o no f t i m e t h e y d e s c r i b et h eb u r n i n gc o u r s eo fb u l l e ti nt h ew e l l u s i n gv i s u a lb a s i c 6 0t oc o m p i l et h e s o f t w a r e ，t h i sp a p e rc a ng e t v a r i o u sr u l eo ft h ep r e s s u r ei nw e l l ，t h ev o l u m es q u a s h e di n t o f r a c t u r e ，t h el i q u i dp r e s s u r eo u t s i d ec a n n u l a ，t h ep a s s i n gd i s t a n c ea n dv e l o c i t yo fg a s - l i q u i d i n t e r f a c e ，t h ec o m p a r a t i v eq u a n t i t y o fb u l l e t ，t h e l e n g t ho fg a p p i n ga n dt h ed i s t a n c eo f g a s l i q u i di n t e r f a c en e t h e r , s oa st og e tt h en u m b e ro fc r a c k a c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o n c a l c u l a t e dt h i sp a p e ra n a l y z e st h ee f f e c to fp e r f o r a t i n gm o d eo nf r a c t u r i n g ，w o r k so u tt h e c o n n e c t i n gf i g u r ea b o u tb u l l e tb u r n i n ga n dp r e s s u r e ，t h ef i g u r ea b o u tt h ea m o u n to fb u l l e ta n d g a p p i n gl e n g t h ，t h ef i g u r ea b o u t m e c h a n i c a lf e a t u r e sa n dc r a c k l e n g t ha n di n c r e a s i n g p r o d u c t i o nf i g u r ea b o u td i f f e r e n ts k i nf a c t o r t h e o r ya n dp r a c t i c e s h o w st h a th e g fh a so b v i o u se f f e c to np r o d u c t i o na n dw a t e r t h 英文摘要 i n j e c t i o na n dc a nm a k e m u c he c o n o m i c b e n e f i ti na n s a io i lf i e l d k e y w o r d s ：a n s a io i lf i e l d ，h i g he n e r g yg a sf r a c t u r i n g ，d e v i s e ，a p p l i c a t i o n t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y ( t h ep a p e ri ss u p p o r t e db ys c i e n c er e s e a r c hf o u n d a t i o no f x i a l ls h i y o uu n i v e r s i t y ) i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：冱垂娩 日期：z 口n 卜小 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即；研究生在校攻读学位期问论 文工作的知识产权单位属蘸安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、公开阅览、借阅以及申 请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单 位仍然为西安石油大学。 论文作者签名 导师签名： 日期：口口j - 打廿 日期：之女2 生苎少 础弘 第一章绪论 第一章绪论 现今，我国大多数油田大多采用注水开发，与水力压裂相比，高能气体压裂( h e g f ) 技术具有成本低、施工简便，无需分层工具便能改造薄油层，几乎不污染地层，可沟通 更多的天然微裂缝等诸多优点，因此，它较好地适用于薄油层、敏感性油气层、天然裂 缝较发育的油气层改造，以及探井或新投产井的储层试油评价，生产井的解堵处理，注 水井的降压增注处理和具有一定能力的水力压裂井重复增产处理等。基于安塞油田地层 物性差，可流空间小，且存在天然裂缝，采用h e g f 在近井地带进行预处理，形成近井 地带的网状裂缝，沟通近井地带存在的天然裂缝，减小井筒附近地层的油流阻力，提高 油藏有效渗透率和井底有效半径，改善油藏渗透条件，达到增产的目的。 国外自6 0 年代以来，开展了该项技术的研究工作，7 0 年代末、8 0 年代初发展尤为 迅速。美国在压裂机理、室内试验及测试监控方面作了大量工作，成果较为突出，但在 现场应用方面除了在东部泥盆系页岩气田中作为主要增产手段外，尚处于研究阶段；前 苏联则认为高能气体压裂技术是结合了4 种增产处理方法的有效措旖。目前，应用规模 年施工量为2 0 0 0 3 0 0 0 井次之多。固体药压裂弹已有3 代，六七个型号成批生产，药 型、药量及发生器的结构等均已规范化。 国内于1 9 8 5 年由西安石油学院与其它单位合作首次开展了高能气体压裂技术研 究。研究领域涉及机理研究、压裂过程监控、室内外模拟实验，现场应用及压裂设计等。 其中机理研究、应用研究及压裂过程监测系统均已通过省、部级鉴定。据1 9 9 3 年8 月 的统计资料，全国累计进行高能气体压裂4 0 0 余1 3 井计5 0 0 余井次，累计增产原油超过 了3 3 万吨，前景十分广阔。根据材料力学及岩石力学的基础理论可知，脆性材料在遭 受外力破坏时，其破坏形态随外力的加载速度亦即压力上升时间的变化而变化，理论研 究及现场实践均证实，就储层岩石产生垂直裂缝而言，当在井简内加载压力上升时间 t l o 一7s 时，地层将有条件沿垂直于最小水平主应力方向产生一条双翼对称裂缝：当加 载压力上升时间t 1 0 - 3 s 且t l o 6 s 时，地层将有条件产生多条径向裂缝，当加载压力上 升时间t 1 0 _ 7 时，地层将在井筒周围遭受粉碎性破坏，形成破碎带压实层。由于现代 火箭推进剂的研究和应用，满足了加载升压时间t 的原材料要求。因此，为h e c f 工艺 技术的发展和提高提供了物质条件。俄罗斯研究发明的氧化燃烧剂f o c 的应用，更进 一步提高和完善了h e g f 工艺技术水平。 近期美国o r y x 能源公司，阿科公司和马拉松公司经过多年研究开发出了超正压射孔 技术。美国人l e up e i t j e a n 则进一步采用火药燃烧气体进行超正压射孑l ，把射孔与高 能气体压裂复合推向一个新阶段。在开发生产的后期，高能气体压裂与水力压裂复合， 高能气体压裂与酸化复合已经被国内几家油田所采用，均取得了良好的地质效果，所以 西安石油大学硕十学位论文 展望未来，高能气体压裂及其复合技术具有良好的发展前景。高能气体压裂与射孔复合 技术是一顶射孔与高能气体压裂相结合的增加油气产量新技术：其设计原理是在射孔弹 架内装填钝感发射药团，把带有射孔弹和发射药的弹架装入到射孔弹的枪身里。采用油 管起下工艺将工具下到油气井目的层位。投棒引爆火帽，火帽引爆导爆索，导爆索引爆 连接在导爆索上的射孔弹，射孔弹穿透枪身及目的层套管，在油气层部位形成射：t l ；t l i 琅， 同时延迟燃烧枪身内的发射药。燃烧产生的高温高压气体通过射孔孔眼冲刷，加大加深 射- 孑l j l 深可达l 2 迅速聚集的高压气体在射孔孔眼前沿形成多条裂缝，裂缝范围可 达1 2 m ，较单独射孔和单一高能气体压裂的疏通半径都大，增加油气产量更加有效。 国外另外一项技术就是高能气体压裂与水力压裂及酸化复合技术，其工艺简便易行，即 采用油管起下工艺，把无壳弹下到目的层位，投棒撞击火帽进行高能气体压裂。不起管 柱从油管顶部( 地面) 往目的层挤酸，酸液通过撞击起爆器上的筛孔或泄沙孔，流入油层 部位。由于高能气体压裂在目的层位压开多条径向裂缝( 缝长径向可达2 8 m ) ，酸液可 渗入油层的径向范围比单一的酸化或化学解堵别效果要好的多。 以上几项高能气体压裂新技术还处于发展中，建议安塞油田在压裂实践中不断探索 和合理采用。 本文对高能气体的作用原理进行了系统的分析，包括高能气体压裂的成缝条件、裂 缝自行支撑理论、裂缝起裂机理研究、裂纹及裂缝传播能量分析、裂缝传播状态分析及 其应力场、岩心动态力学性质分析等。 在了解高能气体压裂技术的适用范围、影响因素、硬件进展的基础上，针对安塞油 田地质储层特点，应用符合安塞油田现场的电缆起下、液柱压挡、地面引爆施工工艺无 壳弹高能气体压裂工艺，包括总体结构设计、点火系统研究、点火药和推进剂药柱的选 择、呻心管与推进剂药柱的密封、中心管耐内压强度计算、连接管设计、套管承压强度 计算和套管保护、估算井筒最高压力和装药量的经验公式及火药燃烧时间的确定等。 根据相关理论建立了安塞油田高能气体压裂模型对安塞油田进行高能气体压裂设 计，编制软件进行数值求解可以求出井内压力、挤入垂直缝流体的体积、套管外流体的 压力、上部气液界面通过的距离、上部气液界面的运动速度、火药弹燃烧部分的相对质 量、裂缝的长度、下部气液界面向下运动的距离、井内温度等9 个参数随时间的变化规 律。进而求得裂缝条数，研究了射孔方式对现场压裂的影响，作出了火药燃烧与压力关 系图、用药量和造缝长度关系图、机械性能参数与造缝长度关系图及不同表皮因子系数 的增产效果分析图。 席论文所做的主要工作及其研究思路如下： 针对安塞油田低渗透油藏物性差的特点，本论文拟通过在深入研究高能气体压裂机 理及安塞油田储层特点的基础上，达到解决以下问题的目的： 1 根据安塞油田储层特点，研究适合于安塞油田的高能气体压裂工艺； 第一章绪论 2 取安塞油田的现场施工数据，对安塞油田高能气体压裂进行设计计算： 3 通过安塞油田高能气体压裂优化设计，达到提高安塞油田产能的目的。 西安石油大学硕士学位论文 第二章高能气体压裂作用机理 2 1概述 火药或火箭推进剂快速产生的大量高温高压气体，对井壁产生脉冲加载，其作用机 理包括机械作用、热作用、化学作用和振动脉冲作用四个方面。 ( 1 ) 机械作用高加载速率的气体压力，可形成径向多裂缝体系，解除井筒附近的 污染和增加沟通天然裂缝的机会。 ( 2 1 热作用火药燃烧时释放出大量的热能，燃烧点处的气体温度高达2 0 0 0 ，经 与地层及流体传热后，可以使瞬时油井温度提高数百度，处理后1 3 h 井温仍可提高 2 0 5 0 。c ，这些热量可融化近井地带的蜡质沥青质，改善地层孔隙度和渗透性。 ( 3 ) 化学作用火药燃气中含c o ，c 0 2 ，n 2 ，h c l 等，有降粘作用，有的能降低油 水晃面张力，有的遇水形成酸液，有着酸化近井地带的作用。 h 1 振动脉冲作用h e g f 在裂缝延伸过程之后，总伴随着压力脉冲波动过程，对 冲刷近井堵塞物和降低流体孔隙界面张力有着积极的作用。 2 1 i可形成多裂缝及成缝条件 1 - 三种压裂方法的比较 h e g f 和水力压裂、爆炸压裂有着本质的不同。图2 1 是三种压裂方法的p - t 过程 图2 一t 三种压裂方法的p - t 过程对比圈 ( 1 ) 爆炸作用在冲击波快速加载下，井筒附近形成大量短裂缝，产生破碎带， 并会造成井筒破坏。同时，会在据井5 l o 倍弹径处形成压实带，这一带的 渗透率极低，起了遮挡作用。 4 第二章高能气体压裂作用机理 ( 2 ) 水力压裂由于加载速率低，沿垂直最小主应力方向白井筒两翼仅形成两条 裂缝。 ( 3 ) h e g f 为动态压裂过程，在适当加载速率下，可形成3 8 条径向垂直裂缝 有穿透污染带和增加沟通天然微裂缝的可能性( 图2 2 ) ，为增产提供了新 的手段。表2 1 式三种压裂方法主要参数的比较。 图2 2h e f g 与天然裂缝沟通和穿透污染带示意图 表2 1 三种压裂方法主要参数比较 对比项 压裂方 p m 。m p at s t 蜘a s 1 总过程时间s 暴炸压裂 1 0 1 0 _ 10 81 矿 ! f g1 0 21 0 q 1 0 2 1 0 61 0 1 0 水力压裂 1 0 1 0 1 1 0 一 1 0 4 2 成缝条件 裂缝是短时间内加载形成的，其本身是一个动力学问题。只要井内压力高于岩层最 小主应力岩石就会产生裂缝。如果井内升压速度很高，所产生的裂不足以宣泄井内压力 势必会产生第二条缝；如果第二条裂缝仍不能宣泄井内压力，则就要产生第三条裂缝， 但是判断裂缝生长速度，对于岩石这样的非均质体是很困难，直到最近才有人给出一个 假设，即裂缝生长的最大速度为岩石内横波速度的一半。目前，还没有根据动力学理论 给出的起裂标准。 前苏联学者热尔托夫给出了一个弹性静力学的标准。高能气体压裂在井中造成的压 力高于水力压裂所产生的压力，并有可能超过了岩石的弹性极限。这就使得卸载时会产 生永久变形( 图2 3 ) ，于是在地层中产生一定缝宽的残留缝( 图2 4 ) 。 西安石油大学硕士学位论文 0 1 2 34e 图2 3 岩石应力( o ) 与应变( e ) 关系 y w ?：z 一上一一一一一一一 一一一一一! 1 刁弋7一j j 7 i “ - j o 。 、- f 。一! 图2 4 残留缝图( 实线为残留图) 假设加载与卸载的破松比相同，起裂标准可以表示为 竺生墼( 2 1 ) o me 2 e l - 1 式中p ：井筒压力 p f ：地层压力 o 。：地层最小主应力 e 。：卸载时的弹性模量 e ，：加载时的弹性模量 这个模型的明显缺点是没有考虑在升压速度较高时，地层内产生的就不是一条缝。 此外，要想获得有充分代表性的e 。和e l 数据是很不容易的。在者，高能气体压裂都是 在射孔后进行的，此时地层中己有许多微裂缝，这也是该模型所没有考虑的。 于是只能求助于现场试验。根据别尔木油田2 0 口井铜柱测压的统计结果为 6 第二章高能气体压裂作用机理 0 50 。； p 。， p ，( 1 2 ) 式中0m x 岩石最大主应力 p r 4 0 0 2 5 h ( m p a ) h ：井深( m ) 我们知道，地层的水平应力一般为上覆岩石压力的1 3 左右。也有人认为，最大 压力p 一应当为 p 。；( 1 5 2 ) 0 。 无疑，二者的差距是相当大的。根据我们在塔里木的实验结果，l n 4 8 井施工段平均井 深为4 4 4 9 m ，估算岩石压力为1 1 1 2 m p a ，实测最大压力为1 2 3 8 7m p a ， 二者之比为l _ 1 1 ；l n 3 1 井施工段平均井深为4 4 3 5 5 m ，估算岩石压力为1 1 0 8 9 m p a ， 实洌最大压力为1 0 0 6 7m p a ，二者之比为0 9 1 ；实践证明，这两口井都压开了，其最 大压力接近或者超过了第一个界限。由于我们没有用含油岩心测得的应力应变曲线， 所以无法用公式计算破裂压力。从用夹层岩心测得的应力一应变曲线看，以这个最大压 力是压不开夹层的。根据l n 3 1 和l n 4 8 井的水力压裂资料，大致同一层段的破裂压力分 别为7 5 5 m p a 和7 2 5 m p a ，高能气体压裂施工的最大压力均超过i o o m p a ，已超过了储层 岩石的弹性极限，这样形成的裂缝由于塑性变形是不会闭合的。 2 1 2 裂缝自行支撑理论 h e g f 施工中虽然未加支撑剂，但裂缝不会自行闭合，除了上述的塑性变形理论外， 还有以下两种观点： 1 剪切错位支撑 如图1 6 所示，h e g f 形成的多条径向裂缝是随机的，有的不垂直于最小主应力方 向。在切应力t 作用下，裂缝两侧产生相对移动，加上岩石的剥落颗粒的支撑，使其形 成闭合不严的自行支撑的裂缝。 2 “岩石骨架松动”理论 该理论认为，岩石骨架所受地应力与岩石垂直应力0 。和水平应力o 。有关，它正比 于( o 。一0 。) ，在切应力作用下，岩石颗粒变形，使孔隙度和渗透率增加。由于剪应力 值很高，且已进入塑性变形区，产生的是永久变形，虽无支撑裂缝也不闭合。 2 2h e f g 起裂机理研究 2 2 1 概述 7 0 年代以来，美国s a n d i a 国家实验室等研究单位对h e g f 技术进行了定量研究， 并在n a v a d a 试验场进行了大量的试验，获得了h e g f 促使井壁裂纹生长的大量试验资料。 西安石油大学硕士学位论文 8 0 年代初，s w e n s o n 和t a y l o r 在这些实验的基础上，利用有限元法进行动力分析。结 合调整裂面压力的有关参数，得到与实验结果吻合较好的数值分析结果。到8 0 年代中 期，戋国t p i 公司又把这一技术广泛投入油气井开采的商业用途之中。近年来，国内一 些石油单位也进行了大量的试验研究。 多方位径向裂缝 围2 5 高能气体压裂裂缝模型简图 - 荆良躐薯：j ； 图2 6 裂缝剪切错位示意图 国外的试验研究突出地表明，加载速度是裂纹生长状况的主要影响因素。一般将裂 纹分布分为三种情况：相对于井筒形成对称的两条裂纹( 由于共线，常称为单裂纹) ： 生成多裂纹，已经报导的裂纹条数有3 8 条：井筒壁产生无数的短裂纹，造成井 壁损坏( 称为井崩型) 。因此，要求预测产生多裂纹固体推进剂的加压速率范围，以避免 单裂纹型特别是井崩型的发生。这是一个在高加载速率、深地层下的断裂动力学问题。 利用动力有限元法，结合以最大拉应力所表示的断裂准则来分析，计算具有以下特点： 笫一，考虑地应力的影响，在动力有限元中将它作为初应力。由于井深达1 5 0 0 m ( 本 第二章高能气体压裂作用机理 研究要求) ，地应力较大，且在x 轴和y 轴方向不等，一般两者相差3 1 1m p a 。显然， 巨大的地应力是限制裂纹生成和扩展的主要因寨，而岩石的抗拉强度只有2 m p a 左右， 相比之下处于较次要的地位。因此，在分析中必须计算地应力的作用。 第二，不计阻尼影响。波在岩石中的传播一般都衰减得很快，岩石阻尼对膨胀波和 剪切波的影响是可观的，对裂纹的扩展也有相当的影响。但是，阻尼的参数尚无法用试 验方法确定，且考虑到阻尼主要对裂长有影响，而对裂纹生成条数影响不会太大。因此， 在既不给出具体的阻尼参数，又主要对裂纹条数感兴趣的情况下，可暂略去阻尼的影响。 第三，采用简化的加载压力变化规律，推进剂引燃后，其真实的压力变化往往又极 其复杂。美国s w e n s o n 和t a y l o r 作了简化，使得其既保持了加载压力的主要特征，如 p 咻。和t ，( 载荷达到峰值的时间) 等，又大大简化了中间过程，这有利于有限元方法计算， 也避免了小间隔内应力振荡引起裂面叠合的现象。 第四，以最大拉应力强度极限作为起裂和扩展的准则，从断裂动力学的观点分析时， 首先需要岩石的k 。及k 。或0 。及o 。等试验资料。通常k 。和o 。是工程常数，而i ( d 和0 。 则更为少见。因此，未引入断裂动力学的机理，而采用简单的最大拉应力破坏强度极限 作为现阶段起裂和扩展的准则。 本研究基于上述观点，根据安塞油田的具体地质参数，从理论上研究加载速率与裂 纹条数之间的关系，寻求产生多裂纹和加载速率范围。在有预裂纹的情况下( 近似考虑 射孔的影响) ，除加载速率这一因素外，还研究裂面压力对裂纹扩展长度的影响。采用 直接积分法中的n e w m a r k 法计算高加载速率井壁的动态响应，并按最大拉应力判断开裂 与扩展。计算结果表明，无预裂纹时，加载速率是影响起裂的最主要因素；丽有预裂纹 时，在较宽的加载速率范围内，裂纹都能沿预裂方向扩展，扩展长度与裂面压力大小有 密切的关系 2 2 2 裂缝的力学边界条件 不同的压裂方法所产生的裂缝的边界条俘是不同的，归结起来有下列三种： 1 ) 应力边界条件h e f g 所产生的裂缝主要是由于高能气体使岩层“破碎与平面错动” 而成，在施工中并不添加专用支撑剂。所以，缝内除了浊层渗漏的油气和少量岩石外， 无其他介质阻止岩层的蠕变，这类边界条件是h e f g 所特有的。 2 ) 位移边界条件这是由水力压裂填加支撑剂所特有的情况，一般来说，支撑剂是 不可压缩的或压缩变形较小，当作用在支撑剂上的时变应力超过支撑剂的抗压强度时， 则认为裂缝基本失效。因此，把填加支撑剂的裂缝作为位移边界条件来处理是适当的。 3 ) 混合边界条件这是由于支撑剂在裂缝中分布不均匀所产生情况，此时，可作为 混合边界条件。 9 西安石油大学硕士学位论文 2 2 3 起裂分析的动力有限元法 】基本方程及动力响应的计算方法 按照静力有限元法的计算步骤，应用达朗倍尔原理，并经边界条件的约束处理后， 自由度数为n 的结构在随时间而变化的外载荷r ( t ) 作用下，结构的动力学方程为 阻舡) + 【c 酗) + k 如) = 忙o ) ) ( 2 - - 4 ) 式中， m ， c ， k 都是阶数为n 的矩阵，分别表示结构的质量矩阵、阻尼矩阵 和刚度矩阵，锚，如 ，如 分别表示加速度矢量、速度矢量和位移矢量。载荷矢量 r ( t ) ) 是时间的已知函数。由于固体推进剂引燃后，压力在极短时间( 几百微秒至几个毫秒) 达到峰值，加载速率很高，因此，计算动力响应采用直接积分法( n e w m a r k 法) 较为适 宜。 考虑地应力的作用以及不计阻尼的影响，方程( 2 4 ) 的改写为： 时) + k ) = c r + r o ( 2 5 ) 式中，忸o 是由地应力产生的初应力载荷矢量。 根据方程( 2 5 ) 并考虑起裂和扩展，常规的n e w m a r k 法计算步骤如下： ( 1 ) 初始计算 ( a ) 形成刚度矩阵 k 和质量矩阵 m ( b ) 计算初应力o 。 ( c ) 获得初始值每) ，函) ，函 。 ( d ) 选择步长t ，参数y 和b ，并计算参数。 d 。：1 ：；r ，：【_，口3：i一1，口6：f-r)a2 0 - r ，4 ，：7 ，f d 。2 万2 面川3 。万。1 川e 乱 4 ，2 皿 ( e ) 形成等效刚度矩阵眩】= 医】+ 6 1 0 i m 】及初应力载荷 r 。) ( 2 ) 对于每个时间步长的计算 ( a ) 计算t + i t 时刻的等效载荷矢量。 画+ 。) = 融+ 。) + 融+ 。) 。+ 忸。l + 伍。一) 式中，扭。 是井壁在t + 彳t 时刻所受压力产生的结点载荷； 像。舢 是裂面在t + t 时刻所受压力产生的结点载荷： 伍，+ 。i 是惯性载荷； 1 0 第二章高能气体压裂作用机理 像o t + a t 是由地应力引起的结点初应力载荷； ( b ) 解线性方程组医扣。， = 氍。；，求出t + a t 时刻的位移。 ( c ) 计算孔壁应力 o 。) 。 ( d ) 如有裂纹时计算裂尖单元的应力 0 ，) 。 ( e ) 利用应力 o 。) 或 0 ， 判断有无裂纹形成或扩展。 ( f ) 有新裂纹形成新的k i ，i r ol 。 ( g ) 计算t + t 时刻的加速度、速度。 3 网格划分与时间步长的选择 由于载荷和地应力与x 轴和y 轴对称所以取l ，4 的油、气井筒进行研究。我们取l ，2 井筒计算，结果表明裂纹的生成是与x 轴和y 轴对称的。这是由安塞油田载荷条件、初 应力分布和材料宏观均质各向同性等条件所决定的。 1 4 井筒的周边等分数为n ，而层数为m ，划分后使每一框格近似为正方形，每一 框架再分为两个三角形单元。等分数n 和层数m 可根据计算精度的要求来选择，n 可取 2 1 2 ，珂可取4 0 t 0 0 ，以保证消除远场的边界效应。这和国外研究的方法是相似的。 这样的网格划分使裂纹仅仅限制在径向扩展。正如国外研究所指出的，当初应力0 ，o o ，o 不是偏离l 较多时，还是比较符合实际的。 原则上讲，划分网格越细，计算精度越高，我们采用较粗的网格划分，虽然不能 保证足够精确的应力场分布，但可保证起裂和扩展的基本特征。总之，现网格具有以下 特点： 1 ) 能保证起裂位置有一定的精确性。 2 ) 可反映裂面压力波的传播特点。 3 ) 有足够大的外围尺寸，以保证消除边界效应和无反射应力波至井壁。 4 ) 使井壁应力的精度误差1 0 ，以避免起裂时间比精确解过渡的延迟。 5 ) 但不能保证裂长的精确性。因为裂纹扩展的研究已较成熟，国内外的学者认为需 要采用极细的网格划分，至少应划分2 0 0 0 个以上的单元和1 0 0 0 个自由度数，这样精细 的网格。研究表明网格精细对裂型的影响不大。但是粗网格将引起井壁应力偏低，造成 起裂时间的延迟。此外，网格粗细对裂长的影响明显。时间步长的选择也是极为重要的。 由于我们采用直接积分法，尽管n e w m a r k 法在数学上是无条件稳定的，但正如b a t h 和 w i l s o n 的研究所指出的，当步长选择得不合适时可能收敛不到正确解上。一股，时间 j 步长应小于波传播跨过最小的网格的时间，即f 蔓! l 2 n c l 西安石油大学硕士学位论文 式中，d 为井壁半径，1 3 为等分数，c 。为膨胀波速。 我们采用较大的步长，结合对结果的分析来判断是否合理。如果发现井壁附近单元 应力发生大的波动，就应调小步长，以免弥散效应引起能量集中，从而导致计算结果的 巨大误差。 弥散效应主要由相速差引起，在国外研究中也有所提及，需要避免高频波迟滞在井 壁附近，此时井壁应力将发生大的振荡。尽管n e w m a r k 法有算法阻尼，也主要是衰减高 频分量。若在计算中发生弥散效应引起的应力振荡，此时必须减小步长。因此，这是在 计算时需要十分重视的一个问题。 2 2 4 裂纹分析 表2 2 列出安塞油田的地质材料参数 表2 2 油田的地质参数 p c id 0l01 00y o e g p a u k g c m _ 3 m s 一1m m p a m p a m p a 2 6 5 0 1 8 4 6 5o 2 53 4 0 00 12 52 2 7- 3 2 4 表中，p 为岩石密度，e 为弹性模量，u 为岩石波松比，d 为井筒半径，o 。 是拉伸强度极限，o ；o 与o ，o 分别是沿x 和y 方向的地应力。 利用n e w m a r k 法分析安塞油井裂纹与有预裂纹时井壁起裂和扩展的问题。具体结果 如下： 1 无预裂纹 此时，加载速率f 1 0 0 g p a s 是控制裂纹条数的因素，随着加载速率的增加，裂 纹大致可分为单裂纹型、多裂纹型和崩裂型三种不同的类型。 ( 1 ) 单裂纹型加载速率大致为r on 时，裂缝就不稳定传播 线弹性理论可以证明，对于高能气体压裂所产生的裂缝类型，有 争孚 1 一占 这样我们就可以得到岩石的破裂过程( 图2 - - 7 ) 4 亘冠 = 盯 第二章高能气体压裂作用机理 盯2 o c 盯 口c 盯2 吼2 o - o c 2 盯2 “ 图2 7 岩石脆性破裂过程 g r i f f i t h 能量平衡式( 2 9 ) 仅考虑了材料所积蓄的弹性能w c 及裂缝表面能w 。但实 际上还有其他能量损失，其中主要的还有由于弹性应变能量的改变，使动能改变成为热 量而损失掉。考虑到这部分能量损失，方程( 2 9 ) 可改写为 堡：一a w s + 一a w , ( 2 - - 1 6 ) 比比d l w k 为损失的动能。 这样一来，我们就要确定出动能w 。与其它参数之间的关系，n f m o r t 对图2 8 情 况下的裂缝作了研究，得到了下列关系 = k p l 2 v 2 2 2 e 2 ( 2 - - 1 7 ) 西安石油大学硕士学位论文 幽2 - - 8 式中卜比例常数 p 材料密度 i 裂缝半长 v 一裂缝传播速度 o 外加应力 e 材料的弹性模量 所以 鲁= 橱吩2 恤2 将( 2 - 1 8 ) 及( 2 - 1 2 ) 式代x ( 2 - - 1 6 ) 式中，得 2 ：r t e l o 2 = 4 s e 2 + k p l v 2 盯2 引进裂缝原半长l o 又因舳- j 等 所以 c o = 了2 s e 代入( 2 1 9 ) 可得 畦等。争舭) 对于一般等长岩石材料k = 4 3 所以 嘲瑚居 由( 2 2 1 ) 式可以看出，随着裂缝长度工的增加， 定值称为裂缝传播极限速度，其值v 为 瑚居 1 6 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 裂缝传播速度趋于一定值，这个 ( 2 2 2 ) 第二章高能气体压裂作用机理 从式( 2 2 2 ) 可以看出，裂缝传播的极限速度、r t ，对不同的岩石具有不同的数据， 例如对于等长岩v t = 1 8 7 5 m s 。 图2 9 是z t b i e n i a w s k i 对岩石材料所作的裂缝传播实验结果。图中的第1 区间 为稳定传播区，此时，0 。， o o “第1 i 区间为非稳定传播区，该区间的特点是，裂缝 传播速度很高，以至达到裂缝传播的极限速度v t ，而应力的作用范围是o 。 o 0 如再加到o = o 在这种情况下，就不是属于裂缝的传播问题，而是岩石破碎问题。 当o = o 。，时，就是第1 i i 区间。 图2 9 裂缝传播实验关系曲线 2 3 3 破缝能量分析 h e g f 破缝的能源是推进剂燃烧所产生的高能气体。一般来说，这种高能量的气体 具有冲击能、膨胀能、热能。热能对破缝作用影响不大，主要是膨胀能和冲击能，但这 两种能量在高能气体压裂过程中所起的作用各不相同，所发挥作用的时间也不同。 实测的高能气体压裂的p - t 过程。整个压裂过程根据其特点的不同，可分为五个阶 段。 i 预裂阶段在该阶段中，推进剂刚刚开始燃烧，它所产生的气体相应地使井 眼有所增压，井壁周围岩石仍处于受压状态。 i i 起裂阶段在该阶段中，随着压力的快速上升，井壁岩石开始起裂，由于动 载荷作用，形成多裂缝的状态。在一般情况下，在p t 曲线上出现第一个小台阶，它是 井壁周围起裂的标志。 1 i i 冲击阶段在该阶段中，由于推进剂燃烧速度的加快，压力迅速上升，由此 占主要部份的冲击能，再加上部分膨胀能的伴随，结果使起裂时所形成的长裂缝优先得 到扩展此时压力上升到最大值，通常称为峰值压力。在该阶段中，必须注意控制住两个 关键因素，其一为压力上升时间，其二为峰值压力的大小。 膨胀阶段在该阶段中，其明显的特点是，压力不但不上升反而逐渐下降， 巡蜊噬辖鼎碟 两安石油大学硕士学位论文 此时裂缝高速扩展，并且有支缝产生。 v 稳态扩展阶段在该阶段中，裂缝从非稳态扩展进入稳态扩展，裂缝延伸转 变为水力压裂的方位，出现转弯现象，也不再产生自裂缝。总之，裂缝的几何形态决定 与当地条件及能量的演变特征