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(guò)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(diǎn)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(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了射孔對(duì)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(rèn)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(duì)于壓裂施工過(guò)程的影響,發(fā)現(xiàn)在斜井中經(jīng)過(guò)定向射孔以后再進(jìn)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(wèn)題。于連俊、鄧金根等通過(guò)真三軸模擬試驗(yàn)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(guò)室內(nèi)真三軸水力壓裂模擬試驗(yàn),得到了定向射孔對(duì)裂縫起裂壓力、起裂位置及裂縫延伸的影響。一般認(rèn)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(guò)程中也會(huì)發(fā)生破裂壓力過(guò)高、支撐劑傳輸困難的問(wèn)題,這說(shuō)明定向射孔時(shí)水力裂縫形態(tài)是平整規(guī)則的觀點(diǎn)并不全面,同樣會(huì)有復(fù)雜形態(tài)裂縫存在。同時(shí)由于種種因素的影響,定向射孔不可能嚴(yán)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(shí)各種因素對(duì)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(duì)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(xiàn)。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(guò)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(duì)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(guò)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(biāo)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(shí),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(zhǔn)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(jī)理采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)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(guò)計(jì)算找出第一主應(yīng)力最大的部位,并認(rèn)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(jì)算暫不考慮地下巖石力學(xué)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(xué)參數(shù)試驗(yàn)、測(cè)井資料解釋、小型水力壓裂測(cè)試資料以及射孔參數(shù),確定計(jì)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(zhǎng)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(qiáng)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(shí)的有限元幾何模型,共劃分為88748個(gè)單元,128808個(gè)節(jié)點(diǎn)。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(duì)比水平應(yīng)力差和定向射孔角度對(duì)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(shí)定向射孔的角度在0～90°內(nèi)每隔10°取值,對(duì)每一個(gè)組合進(jìn)行模擬計(jì)算,共進(jìn)行了320次計(jì)算。以定向射孔的角度為橫坐標(biāo),分別提取每次計(jì)算結(jié)果中兩個(gè)位置處的第一主應(yīng)力值,比較兩個(gè)應(yīng)力值的大小,當(dāng)兩個(gè)應(yīng)力值的相對(duì)誤差小于10-3時(shí)對(duì)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(lái)說(shuō)明定向射孔水力裂縫的起裂機(jī)理。圖3為第一主應(yīng)力分布(正值表示受拉,負(fù)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(gè)孔眼連線區(qū)域相對(duì)較高。這說(shuō)明水力裂縫首先會(huì)在孔眼的上下部位起裂,而后貫通擴(kuò)展,最終形成垂直的初始裂縫。3.2測(cè)力面為第一主應(yīng)力的最大部位—鋸齒狀裂縫形態(tài)當(dāng)定向射孔的角度與最大地應(yīng)力的方向不一致時(shí),如當(dāng)夾角為30°,水平應(yīng)力差為6MPa時(shí),第一主應(yīng)力的分布見(jiàn)圖4。此時(shí)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(gè)射孔連線偏向最大主應(yīng)力方向上第一主應(yīng)力相對(duì)較高,分布呈現(xiàn)彎曲的形狀。這說(shuō)明水力裂縫首先會(huì)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(kuò)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(jì)算結(jié)果,隨著定向射孔密度增加,相鄰兩個(gè)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(dāng)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(jī)理分析及鋸齒狀裂縫形態(tài)的分析,可以發(fā)現(xiàn),無(wú)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(rèn)識(shí)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(huì)有所不同。圖5為在最小地應(yīng)力方向射孔時(shí)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(shuō)明水力裂縫起裂不會(huì)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(diǎn)與以往的一般認(rèn)識(shí)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(shí)水力裂縫不一定沿著射孔方向延伸(見(jiàn)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(gè)部位的第一主應(yīng)力哪個(gè)更大,水力裂縫就會(huì)在哪個(gè)部位起裂。顯而易見(jiàn),遠(yuǎn)場(chǎng)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(huì)影響到起裂的部位,即在遠(yuǎn)場(chǎng)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(huì)存在一個(gè)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(shuō)明裂縫可能會(huì)同時(shí)在這兩個(gè)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(fù)雜的雙縫,非常不利于水力壓裂施工的順利進(jìn)行。實(shí)際上,由于巖石材料的強(qiáng)烈非均質(zhì)性會(huì)大大影響應(yīng)力場(chǎng)的分布,在兩個(gè)部位同時(shí)形成水力裂縫具有較大的隨機(jī)性,這樣就使得實(shí)際形成的水力裂縫形狀更加復(fù)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(gè)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(guò)有限元計(jì)算可得到相應(yīng)的臨界角度,圖7為多次計(jì)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(jiàn),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(dāng)水平應(yīng)力差為10MPa時(shí),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(gè)方位同時(shí)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(qiáng)烈非均質(zhì)性,通過(guò)計(jì)算得到的臨界角度可能會(huì)有所改變。值得注意的是,對(duì)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(shí)際上說(shuō)明,在任意方位進(jìn)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(rèn)為的水力裂縫總是沿著定向射孔方位起裂的觀點(diǎn)一致。4定向射孔水力裂縫的方位基于參數(shù)試驗(yàn)和測(cè)試資料,通過(guò)建