裂缝性储层射孔井水力裂缝张性起裂特征分析

基于弹性力学和岩石力学理论,考虑天然裂缝与射孔孔眼相交的空间关系,结合张性起裂准则,建立了裂缝性储层水力裂缝沿天然裂缝的张性起裂压力计算模型.计算结果表明:水力裂缝沿天然裂缝的张性起裂压力较岩石本体起裂压力显著降低,裂缝性储层水力裂缝倾向沿天然裂缝起裂.张性起裂压力大小对比分析表明,孔眼指端和孔眼顶部位置天然裂缝的张性起裂压力最小,为水力裂缝的最易起裂点;天然裂缝为低倾角时,水平最大和最小地应力方位的张性起裂压力差变小,水力裂缝将从井眼不同周向方位同时起裂延伸,扩展为径向缝网.实例计算分析证实了裂缝性储层水力裂缝的起裂特征.     

弹性参数各向异性对页岩井周应力的影响

为研究层理性页岩地层井周应力分布及其对井壁稳定性的影响,针对页岩力学参数的各向异性特点,建立了基于横观各向同性材料本构关系的弹性理论分析模型,运用该模型计算井周应力,并与各向同性材料下的应力分布进行对比,获取了页岩地层弹性参数各向异性对井周应力分布的影响规律,同时对井壁稳定状况进行了评估。研究表明:井周应力分布对弹性模量各向异性的敏感性强于泊松比各向异性,相同的弹性模量与泊松比各向异性影响下的井周应力分布形态具有相似性,但弹性模量与泊松比各向异性比的增减导致的井周应力增减变化相反,弹性参数各向异性对井壁破裂压力的影响远大于对坍塌压力的影响,显著地影响井眼近井壁地带的破裂压力。     

层理地层基质与弱面坍塌失稳规律分析

渤海深部地层中存在大量的硬脆性泥页岩,易发生井壁失稳问题。将硬脆性泥页岩当作一种横观各向同性介质,建立了横观各向同性地层井周基质及层理弱面应力计算模型,在此基础上,获取了弹性参数各向异性、井眼轨迹及层理产状对井壁坍塌破坏的影响规律。研究表明,各向异性对层理弱面应力分布影响显著,与各向同性模型相比,误差最大约为31%;随弹性模量各向异性程度增大,井壁坍塌风险增高;直井钻进时,井壁坍塌破坏方位不仅受水平地应力方位影响,还与层理弱面的倾斜角和倾向角、井眼轨迹等参数相关。随层理面倾斜角和倾向角增大,井壁坍塌形状依次为岩石只发生沿水平最小地应力方位的基质坍塌、层理面单对角坍塌及层理面双对角坍塌,基质坍塌方位对应最小地应力方位,层理面坍塌方位与弱面的倾向方位保持一致,最优钻井方位应结合层理弱面的倾向;当定向井钻进时,井眼沿井斜30°~75°,最大地应力方位附近,坍塌最为严重。对渤中一口深井进行井壁失稳实例分析,分析结果与实际情况吻合良好,研究成果对层理地层钻井作业有一定的指导意义。     

水平井压裂裂缝起裂及裂缝延伸规律研究

水平井压裂可以有效提高低渗透油气藏水平井的采油速度和最终采收率,裂缝起裂和裂缝延伸规律是水平井压裂的关键问题之一.建立了水平井压裂裂缝起裂压力计算模型,通过分析求解模型可以得出:井筒方位角不同,最小水平主应力和垂直主应力对裂缝的起裂压力影响规律不同,在井筒方位角为0°时最不容易起裂,而在井筒方位角为90°时最容易起裂;对比分析了现有裂缝延伸模型,得出全三维裂缝延伸模型适合水平井压裂裂缝延伸模拟;分析了产层和盖层的应力差对裂缝缝高的影响,计算结果表明,当隔层与产层的应力差大于5MPa时,裂缝被限制在产层内.     

川南深层各向异性页岩井壁失稳力学机理

川南页岩埋藏深、岩性复杂、质地硬脆、层理发育、地应力复杂,水平井钻井井壁失稳事故时常发生,严重阻碍了深层页岩气高效开发进程。为此,以川南深层龙马溪页岩为对象,实验测定了页岩各向异性弹性和强度参数,通过成像测井分析了层理产状,通过室内实验和测井资料确定了地应力大小和方位,建立了各向异性页岩井壁坍塌压力模型,分析了不同地层条件的坍塌压力,并以川南深层页岩气井为例进行了验证。结果表明,页岩基质黏聚力和内摩擦角为13.00 MPa、39.50°,层理黏聚力和内摩擦角为11.10 MPa、28.50°,层理倾角5°～15°、倾向NE110°～NE120°;水平最大主应力114.69～117.23 MPa、水平最小主应力93.79～94.57 MPa、垂向地应力108.42～112.81 MPa;综合考虑弹性和强度各向异性计算的坍塌压力最高,强度各向异性的影响明显大于弹性各向异性;沿水平最大主应力钻进的水平井稳定性最好,其次为直井和小角度定向井,沿水平最小主应力方向钻进水平井时稳定性最差; L20X井实钻情况与预测结果基本一致,证实了模型的准确性。     

裸眼完井下的大位移井裂缝起裂研究

随着大位移井数量的增加,大位移井压裂逐渐成为油气藏的一种重要增产技术手段。大位移井水力压裂裂缝起裂与直井、普通定向井有显著差别,其起裂模式不仅与井眼轨迹(井斜角、方位角等) 有关,而且还与地应力方位密切相关。以往的斜井裂缝起裂模式已经不能满足大位移井压裂设计的需要。考虑作业条件、压裂液渗滤效应和孔隙压力的影响,建立了大位移井井筒周围应力场分布模型,提出了裂缝起裂压力和起裂方位预测模型,并分析了不同构造应力范围对大位移井压裂裂缝起裂的影响。计算结果表明,建立的模型完全适用于大位移井压裂设计的需要。     

双孔劈裂条件下地应力及孔间应力的耦合分析

针对注浆过程中的裂纹扩展问题,通过理论分析和数值模拟,研究了地应力与孔间应力耦合作用下劈裂注浆的作用机理.研究结果表明:单孔劈裂主要受地应力影响,钻孔沿着最大主应力方向或垂直于最小主应力方向扩展.双孔劈裂受到地应力与孔间应力扰动的耦合作用,相当于力矩合成定理,使钻孔沿其合力方向扩展(孔距较大时相当于两个单孔劈裂);其劈裂破坏过程可分为应力积累、裂纹稳定扩展、失稳破坏三个阶段,双孔间观测点处的最大主应力和孔隙水压力会随着计算步数的增加分别对应形成应力跌落区和能量累积区;钻孔间距较小时初始起裂压力的变化不明显,而间距较大时初始起裂压力随侧压力系数的增加而增加.     

塔中地区鹰山组碳酸盐岩储层水平井轨迹优化研究

针对塔中地区鹰山组碳酸盐岩的储层特征和目前水平井钻探过程中遇到的问题,综合考虑地应力控制下的井壁稳定性和后期压裂增产等因素,对水平井井眼轨迹进行优化。通过有限元数值模拟计算,分析不同井眼轨迹下的水平井稳定性和压裂缝形成难易程度,得到最优的井眼轨迹方向。对塔中某井的分析结果表明:所分析水平井的井周地应力状态为潜在走滑型,基于地应力状态和岩石力学特征,从井壁稳定性的角度考虑,当井筒延伸方向与水平向最大主应力夹角为20°~40°时井壁较为稳定,有利于安全、高效钻井;从压裂缝形成的难易程度考虑,当井筒延伸方向靠近水平向最大主应力方位时,井周张应力最大,压裂过程中较容易形成张裂缝。综合井壁稳定和后期压裂增产,分析得到塔中地区最为有利的水平井井眼轨迹方向为与水平向最大主应力夹角20°左右,并通过现场验证得到该方向既能保证安全钻井又能通过后期的压裂获得较高的产能。     

硬脆性泥页岩渗流-应力耦合井壁坍塌压力计算方法

硬脆性泥页岩的井壁坍塌是制约我国油气资源战略向深部地层成功转移的重要技术瓶颈。建立了裂缝渗流-应力耦合作用下孔隙压力的计算模型,选用弱面破坏准则,综合考虑各向异性、裂缝产状、井眼轨迹、地应力、渗流应力的影响建立了硬脆性泥页岩井壁坍塌压力的计算方法,分析了裂缝渗流、井眼轨迹和裂缝产状对坍塌压力的影响规律。研究发现,钻井液沿裂缝渗流导致坍塌压力升高,渗流初期坍塌压力升高较快,随时间推移,升高量逐渐逐渐减小;在高倾角裂缝中沿裂缝倾向钻进水平井坍塌压力较低。改善钻井液的封堵性、流变性和润湿性,减缓钻井液沿裂缝面的渗流,避免在坍塌压力较高的区域钻井,是该类地层安全钻井的关键。     

层理性页岩水平井井壁稳定性分析

基于孔隙弹性力学和单结构面强度理论,建立层理性页岩水平井井壁稳定力学分析模型,分析层理面产状(走向、倾角)、井眼轨迹(井眼方位)和层理面强度弱化对水平井井壁稳定的影响。研究结果表明:页岩层理面产状和层理面强度弱化是导致水平井井壁坍塌失稳的主要因素;层理面倾角为0°~30°时,沿着任何方位钻水平井的井壁稳定性都比较差,而层理面倾角为30°~90°时,沿特定方位钻水平井的井壁稳定性却比较好的,这便为井眼钻进方位的优化设计提供重要依据;层理面强度弱化的影响可以比层理面产状的影响更大,不同产状下坍塌压力差异可达0.45 g/cm3,而层理面强度弱化导致的井壁坍塌压力可增加约0.54 g/cm3;钻井液在渗透作用下沿层理面侵入地层,导致层理面黏聚力和内摩擦角降低,使井壁岩石更容易沿层理产生滑移,从而加剧井壁坍塌失稳的风险。最后,采用该模型在四川东南部威远构造第一口页岩气水平井W201-H1井进行了验证,井壁坍塌压力分析结果与实际情况吻合良好。     

滑套固井压裂起裂压力及影响因素

起裂压力高是滑套固井压裂面临的主要问题。根据滑套固井压裂的特征,建立地应力条件下滑套固井压裂计算模型,运用有限元法及岩石抗拉强度准则计算起裂压力,通过长庆油田桃X井的实例进行验证。结果表明:水平地应力差及端口方位角是滑套固井压裂起裂压力的主要影响因素,随着水平地应力差的增大,起裂压力降低,端口方位角增大时,起裂压力增大;地层岩石的弹性模量对起裂压力有较大影响,随着地层岩石弹性模量的增大,起裂压力增大;水泥环厚度对起裂压力的影响规律与水泥环和地层的弹性模量有关,当地层弹性模量大于水泥环弹性模量时,起裂压力随水泥环厚度的增大而减小,当地层弹性模量小于水泥环弹性模量时,起裂压力随水泥环厚度的增大而增大。     

老井开发对加密井水力压裂裂缝扩展的影响规律

随着页岩气的开发,对已有水平井井网加密将会是后期开发的关键。老井的持续开采会引起地层孔隙压力和地应力的重新分布,地应力的重新分布对裂缝扩展行为和路径造成显著影响。为了探究地应力的重新布对裂缝扩展行为的影响机制,本文基于块体离散元数值模拟方法,针对老井开采后地应力场变化对加密井水力裂缝扩展的影响特征开展研究。本研究综合考虑了注液速率,压裂液粘度、地应力梯度和初始地应力场等因素对水力裂缝扩展的影响。结果表明,老井引起的地应力降低会导致新井水力裂缝向老井偏移。提高注液速率,增大压裂液粘度可以有效降低地应力非均匀导致的水力裂缝偏移问题。地应力梯度越大、初始地应力越高,水力裂缝的偏移率越高。本研究对页岩气水平井加密方案制定具有一定的理论指导意义。     

深层脆性页岩水平井裸眼完井井壁稳定性研究

常规页岩气储层改造工艺为套管射孔与多级压裂改造相结合,施工成本高、周期长,若实施水平井段裸眼完井可一定程度降低成本、缩短周期,但水平裸眼井段井壁稳定是实施裸眼完井的前提条件。通过对威荣地区龙马溪组页岩水理化及力学性能进行实验研究,结合建立的裸眼完井理论模型评价威荣地区页岩水平段裸眼完井井壁稳定性。结果表明,龙马溪组页岩为脆性层理页岩,岩体较为致密,力学强度高,力学各向异性明显;现场油基、水基钻井液对岩石膨胀性能及力学性能的改变不明显,现场所用钻井液与该地层配伍程度高;井眼轨迹、层理缝走向、力学各向异性等可对裸眼井段稳定性产生影响,致使不同方向井筒内应力差异明显,沿最小水平主应力方向钻水平井井壁稳定性最好,完井工况下井壁坍塌压力当量密度在1.26 g/cm³,完井投产初期井壁存在轻微崩落掉块,但崩落范围小于30 °,判断认为威荣区块龙马溪组页岩地层可考虑采用水平井裸眼完井方式。     

深部地质环境对井壁稳定性的影响

井壁失稳是制约深井、超深井快速钻进的重要因素,在综合考虑深部井周应力、井周温度扰动以及孔隙压力等因素的条件下,建立了深部地质环境条件下的井壁稳定性力学评价模型。基于该评价模型,定量分析了深部复杂地质条件下地应力状态、地层温度及地层孔隙压力对井壁稳定性的影响。结果表明：（1）原地应力状态对井壁稳定性有决定性的影响,原地三个主应力差异增大,将加剧井壁失稳;（2）井壁温度升高将加剧井壁的剪切破坏失稳,而有利于减弱破裂失稳;相反,井壁温度降低,将有利于抑制井壁剪切失稳,而增大井壁张性破坏的可能性。（3）其他条件相同的情况下,地层孔隙压力升高将加剧井壁失稳。     

页岩储层地应力预测模型的建立和求解

对致密页岩储层进行水平井钻井和压裂时,必须精确确定页岩气储层地应力。在分析页岩构造特征的基础上,给出考虑页岩横观各向同性的地应力计算模型,并建立声波测井资料求取页岩横观各向同性力学参数的关系式,据此研究页岩气储层地应力的分布规律。分析孔隙压力及地层升沉作用对地应力的影响。结果表明:页岩横观各向同性性质对地应力分布有较大影响,当水平与垂直方向弹性模量之比达到4时,水平地应力平均增加144%,而垂直方向与水平方向的泊松比之比达到2.2时,水平地应力平均增加16.5%;当孔隙压力变化2.4MPa时,水平地应力平均增加13.8%,而地层升沉作用对地应力的影响不大。将预测模型用于Baxter页岩的地应力预测,预测结果与其地层瞬间闭合压力(ISIP)最大误差仅为1.2%,证实模型准确可靠,可为页岩气水平井的钻井和压裂设计提供准确的基础数据。     

基于DSI测井横波分裂的水平井压裂缝检测研究

利用偶极横波测井检测水平井压裂缝不同于直井压裂缝检测,目前还存在较多的理论和技术问题。针对直井、斜井和水平井等不同情况,给出了三维TTI介质中SH波和SV波的相速度和各向异性系数计算公式,从理论方面研究其横波各向异性系数与裂缝倾角、裂缝方位角、井斜方位角、井斜角之间的关系,开展水平井横向压裂缝的DSI实验模拟研究,并在实际水平井QP52井中进行压裂缝检测应用。研究发现,DSI可以检测水平井的纵向缝和斜交缝,但无法检测水平井的横向正交压裂缝。横波各向异性系数随裂缝倾角的增大而减小,随裂缝方位角与井斜方位角之差的增大而减小;而井斜角的改变不会影响横波分裂速度和各向异性系数的检测与计算。研究结果可为工区水平井实施压裂缝检测的DSI项目提供重要理论指导和依据,即通过压前、压后近井地带的横波各向异性对比来检测压裂缝与识别压开层段。     

川西硬脆性页岩力学特征及井壁稳定性研究

在硬脆性页岩地层钻井过程中井壁失稳现象频发,严重阻碍了现场钻井作业的进程。针对小塘子组页岩钻进过程中发生的井下垮塌现象,通过开展系统室内实验测试,并结合实验数据建立的理论模型,评价分析小塘子组页岩地层的井壁稳定情况。结果显示,小塘子组页岩属于典型的硬脆性页岩,层理缝发育,在外力或高应力环境下可以产生张性裂缝;钻井液浸泡效应可降低小塘子组页岩地层力学强度,层理走向及力学弱面效应对小塘子组页岩力学性能影响明显;裂缝走向、井眼轨迹及井壁渗流场影响小塘子组页岩地层井壁稳定性,当裂缝面与井眼轴线之间夹角满足一定关系,井壁岩石容易沿裂缝面发生滑移垮塌。