低渗透储层射孔参数对起裂压力的影响

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第31卷第3期石油钻采工艺No．32009年6月OILDRILI』1NC&PRODUCT10NTECHNOLOGYJun．2009文章编号：1000—7393(2009)03—0085—05低渗透储层射孔参数对起裂压力的影响王素玲董康兴董海洋(1．大庆石油学院，黑龙江大庆163318；2．大庆油田有限责任公司第二采油厂，黑龙江大庆163368)摘要：裂缝起裂是关系水力压裂成败的关键，而射孔参数是影响裂缝起裂的关键因素之一。根据岩石力学、渗流力学、弹塑性力学，建立了低渗透储层射孔地应力力学模型，在考虑流固耦合效应及动态效应的基础上，运用有限元法，建立耦合有限元模型．并采用Newton法求解，vT,获得低渗透储层经历钻井一固井一射孔一压裂不同阶段后的地应力分布状态结合岩石的破裂准则，分析射孔参数对起裂压力的影响：地层破裂压力随着方位角的增加而增大，射孔与最大水平地应力的夹角最好不超过30~：随孔眼直径增加，破裂压力降低，选择16inlTl孔眼较为合适；随射孔密度增加，起裂压力整体呈下降趋势；在射孔根鄙起裂时，随着孔深增加，起裂压力先减小后增加，孔深为0．5m时，起裂压力最低，在射孔尖端起裂时，随着孔深增加，起裂压力降低此研究结果可作为低渗透储层射孔参数优化的依据。关键词：水力压裂；射孔参数；起裂压力；有限元方法中图分类号：TE357．2文献标识码：AEffectanalysisofperforatingparametersuponinitiationpressureinlowpermeabilityreservoirWANGSuling，DONGKangxing，DONGHaiyang(1．DaqingPetro&umInstitute，Daqing163318，China；2No．2OilRecoveryPlant，Ltd．，Daqing163368，China)Abstract：Hydraulicfracturingiscarriedontheperforatedwell，andthefracturebreakdowninfluencedbytheperforatingparam—etersiscriticaltotheresultofhydraulicfracturingBasedontherockmechanics，percol~ionmechanicsandplastoelasticity，theperfora—tionmechanicalmodelforlowpermeabilityreservoirisestablished．Usingthefiniteelementmethod，thefiniteelementmodelisestab—lishedconsideringfluid—solidcouplingeffectandtransienteffect，thentheNewtonmethodisusedtosolve，thegeostressdistributioncanbeobtainedafterdiferentstagesfromdrillingtocementing，perforationandfracturing．Combinedwiththerockfracturecriterion，theefectofperforationparametersuponinitiationpressurecanbeanalyzed．Theresultsmaybeusedasbasistooptimizetheperforatingparametersforthelowpermeabilityreservoi~Keywords：hydraulicfracturing；perforatingparameters；initiationpressure；finiteelementmethod国内外很多学者对射孔井周围的应力分布和地场分布。但在解析分析和数值分析过程中，都采用层破裂压力进行了理论分析和试验研究，裂缝起裂静态分析方法，将岩石视为线弹性体，不考虑流固耦理论分析主要采用解析方法和数值方法。解析合作用对井筒壁面起裂的影响，这样的简化模型不方法将地层的三向应力问题用二维方法处理，并近能真实地反映地层地实际受力状态，造成计算结果似地直接采用弹性力学中双向受力的无限大平板中与实际测试结果误差较大。钻有一圆孔时的计算公式分析井壁应力，数值方法人们通过室内模拟试验，研究了射孑L参数对方面已经采用有限元法研究了射孔井筒附近的应力裂缝起裂压力的影响，由于室内试验条件与井下地作者简介：王素玲，1975年生。1999年毕业于大庆石油学院机械设计与制造专业，现从事油气田地面工程研究工作电话：0459—6503179 86石油钻采工艺2009年6月(第3l卷)第3期质条件相差较大，其试验结果只能定性说明缺乏定分割开的边界，整体模型切割边界的计算位移值即量的研究。．为子模型的边界条件，子模型基于圣维南原理，即实笔者采用动态分析方法，考虑流固耦合条件，分际分布载荷被等效载荷代替以后，应力和应变只在析地层在钻井一固井一射孔一压裂不同阶段对地应载荷施加的位置附近有改变，在其他位置不受影响。力的累积影响，结合岩石破裂准则，确定裂缝的起裂有限元模型及子模型见图2、图3。压力。1力学模型及有限元模型Mechanicalmodelsandfiniteelementmodels取射孔油层为研究对象，以螺旋射孔为例，以井筒轴线为中心取水平尺寸为水力射孔最大穿深的l0倍，厚度为0．7m，建立地层一套管三维弹塑性流固耦合力学模型，见图1。图2地层岩体有限元模型Fig．2Boundaryindicationofglobemodels一图l地层岩石力学模型Fig．1RockMechanicsmodels作用在模型上的载荷约束为：(1)地层岩石的上图3射孔眼附近的子模型覆压力P：；(2)作用在地层外边界的原地应力、Fig．3Boundaryindicationofmodels和crv；(3)作用在套管内壁和孔眼内壁的压裂液压力2裂缝起裂的判断准则P。，(4)地层自重G；(5)模型底面不允许有刚性位移，Judgmentcriteriaofthefracturebreakdown在底面施加z方向为零的约束；(6)在上下表面及外表面上施加渗透压力P。关于岩石断裂的判据很多，Hossiain等证实，基采用地应力法分析起裂压力时，涉及到地层的于张性破裂准则所预测的裂缝起裂压力比其他任何改造过程，存在钻井、射孔及压裂的瞬态效应、流破裂准则都更准确，在压裂分析中，岩石所发生开裂固耦合问题、岩石材料非线性效应以及小孔眼的的裂缝形态一般为I型裂缝J，因此，笔者采用最大应力集中问题，并加之边界条件的复杂性，难以得拉应力理论预测裂缝起裂。即当岩石中存在的拉伸到解析式，因此，需采用数值分析方法，分析应力应力达到并超过抗拉强度时，岩石材料将产生初始场的分布。断裂，形成初始裂缝，判断准则表示为其主要思想⋯是将地层岩石采用四面体实体单≥P。(1)元进行划分，然后以实体单元为研究对象，根据虚功式中，。为最大主应力，MPa，数值模拟得到；P为原理建立实体单元的平衡方程，再经坐标变换和组岩石的抗拉强度，MPa，由实验获得。合拼装过程，可得到整体地层岩石的平衡方程，求解采用试算法计算水力射孔井的地层破裂压力，方程即可得地层岩石节点处的位移和单元内力。因即保持射孑L参数和边界条件不变，在井壁和孔壁处此，对上述力学模型进行单元离散生成有限元模型，施加压力，计算该压力下的井眼最大主应力，将最大考虑到计算速度，在研究地层应力状态时，采用了子主应力与井壁岩石的抗拉强度比较，若最大主应力模型技术。恰好等于抗拉强度，则施加的压力就等于地层破裂子模型是得到模型部分区域更加精确的有限压力；否则，改变压力值再计算井眼最大主应力，直元方法，切割边界就是子模型从整个较粗糙的模型到等于井壁岩石的抗拉强度。 王素玲等：低渗透储层射孔参数对起裂压力的影响873实例验证a=O。，30。，60。，90。进行计算，结果见图5。Casestudy为了验证上述方法及理论的正确性，对大庆敖332—32井的起裂压力进行了模拟计算，射孔深度为1479～1480m，射孔直径为10mm，深度为O．5m，16孔／m，油层岩石的物性参数：弹性模量为29．9×10。MPa，泊松比为0．25，原始地应力分别为30MPa、22MPa、19MPa，内聚力为8．23MPa，内摩擦角为45。，压裂施工结果表明，实际的井口起裂压力为35图5起裂压力与射孔方位角的关系MPa，考虑压裂管柱的阻力损失以及静液柱压力，射Fig．5Correlationbetweencrackpressureandazimuthangleofperforation孔眼位置处液体压力为43．87MPa。由图5可知，地层破裂压力随着射孑L方位角的根据前述理论及方法，建立敖332—32井的地应增加而增大。当射孔方向与最大水平地应力重合时，力分析模型，在考虑流固耦合效应、动态效应及岩石起裂压力最小，在0。～30。之间起裂压力变化不明显，材料非线性条件下，分析了地层岩石从钻井一固井一射孔一压裂过程中岩石的地应力分布状态，图4在3O。～60。之间，起裂压力迅速增加，在60。～90。之间起裂压力变化较小。根据最小能量原理，裂缝总为水力压裂的施工压力为45．5MPa时，射孔眼周围区域最大主应力分布云图。是沿着阻力最小的平面破裂和传播。平行于最大水平地应力方向的孔眼壁面的破裂阻力最小，所需的破裂能量最低，因此破裂压力也最低，为最佳射孔方向，反之亦然。破裂压力是射孔方位角的函数，因此通过控制射孔方位，可降低地层破裂压力，射孔与最大水平地应力的夹角最好不超过30o，30o即为获得地层低破裂压力所允许的临界射孔方位角。4．2射孔孔眼直径对起裂压力的影响Effectofholediameterontheinitiationpressure图4射孔眼周围的最大主应力分布射：fL：fL眼直径是射孑L设计的一个重要参数，它Fig．4Themaximumprincipalstressdistributionaroundthe涉及弹型的选择。取射孔孔眼直径为一均匀变化的perforationeye参数，而不考虑弹型的实际型号。以敖322—32井参由计算可知，当射孔眼上施加45．5MPa的压力，数为例进行计算，计算中选取射孔眼直径分别为l0且考虑其孔眼污染时，最大主应力为3．15MPa，且达mm、12mm、14mm、16mm和20mm。计算得到的到了岩石抗拉强度，计算起裂压力与实际施工的起起裂压力见图6。裂压力相差1．63MPa，误差为3．7％，证明了地应力分析模型的正确性。4计算结果及其分析Calculatingresultsandanalysis4．1射孔方位角对起裂压力的影响Effectoftheperforationazimuthontheinitia．tionpressure射孔方位角为射孔轴线与最大水平地应力方图6孔眼直径与起裂压力的关系向的夹角。取敖322．32井参数为例进行计算，在计Fig．6Correlationbetweenthediameterofperforationeyeand算中改变射孑L方位角，以相应射孔方位下的射孔眼crackpressure为有效射孔眼，分析对起裂压力的影响，分别选取由图6可知，随着孔眼直径的增加，起裂压力成 88石油钻采工艺2009年6月(第31卷)第3期降低趋势，孔眼直径在l0～16mm之间起裂压力降0_3m、0．5ITI、0．8m和1．2m进行计算，其他参数同低较快，孔眼直径在l6～20mm之间起裂压力降低前，计算了在射孔眼根部开裂与尖端开裂两种情况将缓慢，降低幅度为0．8MPa，因此，从降低起裂压力下起裂压力的变化规律，计算结果见图8。的角度分析，选择16mm的射孔眼直径较为合理。4．3射孔密度对起裂压力的影响Effectofholedensityontheimtiafionpressure若选取螺旋射孑L方式，即射孔相位角不为零，则各个射孔眼与最大主应力的夹角不同，这样得到的破裂压力实际上不仅与射孑L密度有关，还与每个射孔的方位有关，无法合理地考察射孑L密度对地层破裂压力的影响。因此，射孔相位角取为0。。其他条件同前所述，在lm范围内变化射孔数目，得到地层图8起裂压力与射孔深度的关系Fig．8Correlationbetweencrackpressureandperforationdepth破裂压力与射孔密度的关系，如图7。由图8可知，当考虑在射孔根部起裂时，随着射孔深度的增加起裂压力先减小后增加，射孔深度为0．5m时，起裂压力最低。这是因为当射孔深度较小时，由钻井引起的近井筒地带地应力的变化没有消除，对裂缝起裂起到限制作用，当射孔深度增大时，在射：fLI~的尖端不受近井筒地带地应力的影响，且射孔密度／孔m。。在孔压的作用下产生的应力集中对孔眼根部的应力图7起裂压力与射孔密度的关系起到叠加作用，使得孑L眼根部的起裂压力降低，当射Fig．7Correlationbetweencrackpressureandperforationdensity孑L深度超过0．5m时，射孔眼尖端与根部的应力区相互影响较小，因此，起裂压力增加。随着射孔密度的增加起裂压力整体呈降低趋势。当在射孔尖端起裂时，随着射孔深度的增加起射孔密度从6个／m孔增加到8个／m时，起裂压力只减小了0．2MPa，变化较小，因此，当射孔密度低于8裂压力降低，射孔深度由0．8m增加到1．2m后，起个／m孔时，射孑L密度对起裂压力的影响较小，基本不裂压力降低了0．5MPa，说明当射孔深度大于0．8m发生变化。孔眼数由8个／m增加到1两个／m时，起后，射孔深度的增加引起的地层破裂压力的降幅逐裂压力降低较明显，在孑L眼数由I两个／m增加到16渐减小。这是因为射孔深度增加，近井筒地带地应个／m时，起裂压力降低较小，只减小了0．18MPa，当力对孔眼尖端的影响较小，破裂压力主要受到远场射孔眼由16个／m增大到20个／m时，起裂压力降地应力的影响，且射孔深度增加，孔眼长度增加，液低较明显。这是因为射孔对井眼应力的影响可认为体压力在孔壁上有效作用面积增大，用于破裂地层是无限大体中开多孔应力集中相互影响的结果。随的液体能量增大，使得孔眼的周向应力增加，地层破着射孔密度的增加，孑L眼间距不断减小，多孔应力集裂压力降低。中效应增强，使得孑L眼附近的应力增大。因此，如果5结论可不考虑射孔段套管的强度问题，可适当加大射孔密Conclusions度，一方面保证了射孑L的有效数量，另一方面可以降低起裂压力，此方法较适用于低渗透薄差储层。(1)弥补了不考虑流固耦合的动态效应以及岩石4．4射孔深度对起裂压力的影响材料发生的塑性变形影响的缺陷，根据岩石力学、渗Effectofholedepthontheinitiationpressure流力学、弹塑性力学，采用瞬态分析方法，在考虑流射孔眼的深度与射孔弹的型号有关，不同的弹固耦合效应的基础上，运用有限元法，建立了低渗透型射孑L直径与射孔深度不同，为了从理论上考虑射储层射孔地应力耦合有限元模型，并采用Newton法孔深度对起裂压力的影响，在建立模型时，不考虑孔进行求解，获得了低渗透储层经历钻井一固井一射眼直径的变化，只改变射孑L深度，分别取射孔深度为孔一压裂后的地应力分布状态。 王素玲等：低渗透储层射孔参数对起裂压力的影响89(上接第84页)PetroleumIndustryPress．2002：171一l90．technologylMj．NorthwestUniversityPress，2002：71—73．[10]张连玉，汪令羽，苗瑞生．爆炸气体动力学基础[M]．[7]乔相信，岳明凯．水介质受冲击后的应力波计算[J]．北京：北京工业学院出版社．1998：203—263．沈阳理工大学学报，2006，25(6)：44—46．ZHANGLianyu,WANGLingyu，MIAORuisheng．Foun—QIAOXiangxin，YUEMingkai．Thecomputationofstressdationsofgasdynamics[M]．Beijing：BeijingInstituteofwavesafterwatermediumbeingimpacted[J]．Transac—TechnologyPress，1998：203—263．tionsofShenyangLigongUniversity,2006．25(6)：46．[11]沙毅，王春林，刘涛，等．圆管流动水击压力波测量及[8]李澎，徐更光．水下爆炸冲击波传播的近似计算[J]．水力计算[J]．实验力学，2007，22(5)：527—532．火炸药学报，2006，29(4)：21—24．SHAYi，WANGChunlin，LIUTao，eta1．MeasurementandLIPeng，XUGengguang．Approximatecalculationofon—hydrauliccalculationofwaterhammerwaveinpipeflowderwaterexplosionshockwavepropagation[J]．ChineselJJ．JournalofExperimentalMechanics，2007，22(5)：JournalofExplosives&Propellants，2006，29(4)：21—24．527—532[9]袁恩熙．工程流体力学[M]．北京：石油工业出版社：2002：17l一190．(修改稿收到日期2009．04—28)YUANEnxi．Engineeringfluidmechanics[M]．Beijing：[编辑付丽霞]