定向射孔参数对压裂裂缝扩展规律的影响
发布时间：2019-10-12 17:46
【摘要】：为了探究直井水力压裂过程中定向射孔参数对压裂裂缝扩展规律的影响,采用扩展有限元方法对水压致裂岩石的流固耦合模型进行求解,从射孔方位、射孔长度和射孔相位角3个方面分析了裂缝自射孔孔眼起裂的扩展和转向规律。研究结果表明:射孔方位对裂缝周围地层压力分布几乎没有影响;射孔方位角较小的孔眼具有较低的起裂压力和较高的扩展压力,压裂后容易形成长而宽的裂缝;射孔方位角较大的孔眼则具有较高的起裂压力和较低的扩展压力,压裂后容易形成短而窄的裂缝;随着射孔长度的增加,重新定向距离逐渐增长,在转向处易形成相对较宽的裂缝;射孔相位角过小容易引发裂缝干扰,射孔方位角较小的裂缝优先扩展并对后扩展的裂缝产生较强的抑制作用。在施工时,为获得较好的改造效果,应尽量选择小方位射孔;为避免缝间干扰,射孔相位角应大于45°。
【图文】：
，有效射孔方位角范围为30~60°［3］。因此，模拟分析了30°与60°方位角射孔条件下，地层孔隙压力、裂缝内流体压力以及缝宽和缝长随压裂时间的变化关系，模拟结果见图3—6。a数值模拟结果b物理模拟实验结果［3］图2射孔方位角为60°时，数值模拟与实验结果对比对比图3a与图3b可知：在30°与60°方位角射孔条件下，地层压力在裂缝周围未发生明显变化；裂缝转向内侧的地层压力值最大，近裂缝区呈尖核状分布，远离裂缝区逐渐呈椭圆状分布，且离裂缝越远，地层压力变化越校a方位角30°b方位角60°图330°与60°方位角射孔条件下地层压力分布由图4可知，裂缝内流体压力随压裂时间快速增加，达到地层破裂压力之后，流体压力迅速降低，最终趋于平稳。当时间为0~15s时，在井筒附近，60°射孔裂缝内的流体压力高于30°射孔内的流体压力———说明射孔方位越大，地层发生破裂所需的压力越大。随着压裂时间的增长（大于15s），60°射孔裂缝内的压力低于30°射孔裂缝内的压力———说明60°射孔裂缝内的流体受到摩擦阻力的影响较大，阻碍了裂缝内的压力传导，造成了压力损失。裂缝宽度与裂缝横向张开位移的关系为wf=u+-u-（9）式中：wf为裂缝宽度，m；u+为裂缝上表面的节点位移，参数模型尺寸/m0.3×0.3×0.310.0×10.0×30.0井筒半径/m0.0150.200射孔长度/m0.20.3弹性模量/GPa8.40225.000泊松比0.230.25最小水平主应力/MPa120最大水平主应力/MPa430岩样渗透率/μm20.1×10-31.0×10-9孔隙度/%1.855.00孔隙压力/MPa30抗拉强度/MPa2.592.00断裂韧度/（MPa·m1/2）5注入速率/（m3·s-1）2.10×10
断块油气田2017年5月m；u-为裂缝下表面的节点位移，m。图4裂缝内流体压力随时间的变化关系由图5可知，无论是裂缝上表面还是裂缝下表面节点位移，30°方位角射孔的裂缝都高于60°方位角射孔的裂缝。因此，30°方位角射孔条件下的裂缝扩展宽度明显大于60°方位角下裂缝的扩展宽度。a裂缝上表面b裂缝下表面图5裂缝张开位移随时间的变化关系由图6可知，30°方位角下射孔形成的裂缝长度大于60°的裂缝长度。上述研究表明：射孔方位较小的孔眼起裂压力低，在井眼附近易形成较小曲率的裂缝，这样有利于降低注入压力和流动阻力，从而易形成长而宽的裂缝；射孔方位较大的孔眼，起裂压力高，易形成较大曲率的裂缝，压裂液在其中流动时，会产生较大的摩擦阻力与压降损失，不利于流体流动与压力传导，其结果可能导致支撑剂沉降、砂堵，甚至造成压裂施工的失败。图6裂缝半长随时间的变化关系3.2.2射孔长度合适的射孔长度有利于穿过近井污染区，减小井筒效应对裂缝起裂扩展的影响［13］。选取射孔长度与井筒半径的比值，衡量射孔长度裂缝形态的影响。本文共进行6个计算模型的模拟，比值分别取1.0，1.5，2.0，3.0，4.0，5.0，射孔方位为45°。结果表明，射孔长度与井筒半径的比值越大，重新定向的距离越大，并在转向处形成较宽的裂缝，有利于压裂液的流入与支撑剂的填充。3.2.3射孔相位角在压裂施工过程中，为了保证达到预期压裂效果，一般倾向于选择较小的射孔相位角，如30°，45°或60°。当射孔相位角为30°时（见图7），优先扩展的裂缝会对后扩展的裂缝产生很强的限制作用，迫使射孔方位较大的裂缝发生不规则转向，，并向低射孔方位方向延伸，从而导致不能形成有效
【作者单位】： 西安石油大学石油工程学院;中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院;
【基金】：国家自然科学基金面上项目“页岩气藏水平井液态气动力压裂增产新方法研究”(51374170) 陕西省教育厅省级重点实验室项目“低渗透油藏注气(氮气、二氧化碳)提高原油采收率技术研究”(09JS036)
【分类号】：TE357.1
本文编号：2548188
【图文】：
，有效射孔方位角范围为30~60°［3］。因此，模拟分析了30°与60°方位角射孔条件下，地层孔隙压力、裂缝内流体压力以及缝宽和缝长随压裂时间的变化关系，模拟结果见图3—6。a数值模拟结果b物理模拟实验结果［3］图2射孔方位角为60°时，数值模拟与实验结果对比对比图3a与图3b可知：在30°与60°方位角射孔条件下，地层压力在裂缝周围未发生明显变化；裂缝转向内侧的地层压力值最大，近裂缝区呈尖核状分布，远离裂缝区逐渐呈椭圆状分布，且离裂缝越远，地层压力变化越校a方位角30°b方位角60°图330°与60°方位角射孔条件下地层压力分布由图4可知，裂缝内流体压力随压裂时间快速增加，达到地层破裂压力之后，流体压力迅速降低，最终趋于平稳。当时间为0~15s时，在井筒附近，60°射孔裂缝内的流体压力高于30°射孔内的流体压力———说明射孔方位越大，地层发生破裂所需的压力越大。随着压裂时间的增长（大于15s），60°射孔裂缝内的压力低于30°射孔裂缝内的压力———说明60°射孔裂缝内的流体受到摩擦阻力的影响较大，阻碍了裂缝内的压力传导，造成了压力损失。裂缝宽度与裂缝横向张开位移的关系为wf=u+-u-（9）式中：wf为裂缝宽度，m；u+为裂缝上表面的节点位移，参数模型尺寸/m0.3×0.3×0.310.0×10.0×30.0井筒半径/m0.0150.200射孔长度/m0.20.3弹性模量/GPa8.40225.000泊松比0.230.25最小水平主应力/MPa120最大水平主应力/MPa430岩样渗透率/μm20.1×10-31.0×10-9孔隙度/%1.855.00孔隙压力/MPa30抗拉强度/MPa2.592.00断裂韧度/（MPa·m1/2）5注入速率/（m3·s-1）2.10×10
断块油气田2017年5月m；u-为裂缝下表面的节点位移，m。图4裂缝内流体压力随时间的变化关系由图5可知，无论是裂缝上表面还是裂缝下表面节点位移，30°方位角射孔的裂缝都高于60°方位角射孔的裂缝。因此，30°方位角射孔条件下的裂缝扩展宽度明显大于60°方位角下裂缝的扩展宽度。a裂缝上表面b裂缝下表面图5裂缝张开位移随时间的变化关系由图6可知，30°方位角下射孔形成的裂缝长度大于60°的裂缝长度。上述研究表明：射孔方位较小的孔眼起裂压力低，在井眼附近易形成较小曲率的裂缝，这样有利于降低注入压力和流动阻力，从而易形成长而宽的裂缝；射孔方位较大的孔眼，起裂压力高，易形成较大曲率的裂缝，压裂液在其中流动时，会产生较大的摩擦阻力与压降损失，不利于流体流动与压力传导，其结果可能导致支撑剂沉降、砂堵，甚至造成压裂施工的失败。图6裂缝半长随时间的变化关系3.2.2射孔长度合适的射孔长度有利于穿过近井污染区，减小井筒效应对裂缝起裂扩展的影响［13］。选取射孔长度与井筒半径的比值，衡量射孔长度裂缝形态的影响。本文共进行6个计算模型的模拟，比值分别取1.0，1.5，2.0，3.0，4.0，5.0，射孔方位为45°。结果表明，射孔长度与井筒半径的比值越大，重新定向的距离越大，并在转向处形成较宽的裂缝，有利于压裂液的流入与支撑剂的填充。3.2.3射孔相位角在压裂施工过程中，为了保证达到预期压裂效果，一般倾向于选择较小的射孔相位角，如30°，45°或60°。当射孔相位角为30°时（见图7），优先扩展的裂缝会对后扩展的裂缝产生很强的限制作用，迫使射孔方位较大的裂缝发生不规则转向，，并向低射孔方位方向延伸，从而导致不能形成有效
【作者单位】： 西安石油大学石油工程学院;中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院;
【基金】：国家自然科学基金面上项目“页岩气藏水平井液态气动力压裂增产新方法研究”(51374170) 陕西省教育厅省级重点实验室项目“低渗透油藏注气(氮气、二氧化碳)提高原油采收率技术研究”(09JS036)
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