断层滑移条件下页岩气井套管变形影响因素分析

目前,中国四川盆地页岩气区水平井多级压裂过程中的套管变形问题日益突出,导致桥塞无法顺利下入,丢段现象突出,严重影响页岩气的高效开发.研究表明,断层滑移剪切套管是造成套管变形失效的主要因素之一,而断层滑移对套管变形量的影响规律有待进一步理清.为研究上述问题,建立了断层界面滑移下的井筒变形数值模型,分析了断层滑移条件下套管变形量及相关影响因素.结果表明:地层滑移量与套管变形量间基本呈线性正关系;断层夹角即滑移界面与井筒的夹角对套管变形量影响明显,当夹角为90°时套管变形量最大;低弹性模量水泥环对套管的保护更为有利;通过优选与井眼相配合的套管尺寸有利于缓解套管变形问题.断层滑移条件下套管变形量的计算模型对于中国页岩气井套管变形问题的缓解可以奠定理论基础.     

致密储层体积压裂裂缝漏失及控制综述

致密储层在体积压裂过程中由裂缝导致的漏失对压裂液能效利用和套管变形均有影响,不同类型裂缝的漏失所具有的特点差异显著,目前仍没有针对性的控制措施。本文首先明确了体积压裂裂缝(简称体积裂缝)的分类及性质,在总结体积裂缝漏失类型及特点的基础上,调研了各类漏失的应对方法及优缺点,分析了解决上述漏失问题的控制技术和封堵材料,并指出了体积裂缝漏失的发展方向。结果表明：体积裂缝漏失可分为水-岩相互作用导致的拉伸裂缝漏失、小井距体积压裂造成的裂缝串通漏失、天然裂缝/断层沟通导致的漏失三类;压裂中添加粉砂和压裂液体系离子调节能缓解拉伸裂缝导致的漏失,压裂参数优化与暂堵结合能使得裂缝转向,降低小井距裂缝串通漏失的频率,优化压裂选段或提前封堵天然裂缝/断层能降低压裂液在天然裂缝/断层中的漏失;压裂参数精细化、发展裂缝转向或能够形成自适应封堵的新型材料是未来发展的趋势。结论认为：在地质工程一体化框架下,针对体积裂缝的漏失类型采取对应的控制措施,以压裂参数优选协同自适应封堵材料的思路控制体积压裂裂缝漏失,为提高压裂液能效和预防套管变形提供技术支持。     

水力裂缝扩展对天然断层活动性的影响

为揭示水力压裂对天然断层活动性的影响,根据实际工程地质资料建立应力-渗流耦合数值模型,模拟水力压裂诱发断层活动.分析水力裂缝与天然断层的相互作用,研究压裂过程中断层滑移、孔隙压力分布以及震级的演化规律.研究结果表明:水力裂缝可能扩展至上覆断层,裂缝尖端的张应力将导致断层与裂缝交叉附近出现接触应力和剪切应力集中,导致断层失稳.而在裂缝尖端与断层连通后,压裂液渗流至断层破碎带,断层面的孔隙压力显著增大.水力裂缝尖端穿过砾岩层与断层面连通时矩震级达到最大.研究结论为水力压裂施工诱发微震提供理论支撑.     

基于孔隙弹性力学理论的致密油气藏储层改造体积预测方法

储层改造体积预测对于致密油气藏体积压裂改造效果评估和施工参数优化设计具有重要意义。基于孔隙弹性力学理论和半解析的三维位移不连续法，综合考虑水力裂缝诱导应力，压裂液滤失引起的地层孔隙压力变化及其诱发的孔隙弹性应力的耦合效应，建立水力裂缝干扰模型下的地应力场预测模型，采用最大张应力强度准则和莫尔-库伦强度准则表征天然裂缝的张开与剪切破裂行为，将天然裂缝张开、剪切破裂波及体视为储层改造体，提出了一种预测致密油气藏直井体积压裂储层改造体积的半解析方法。研究结果表明：水力裂缝诱导应力和压裂液滤失引起的孔隙压力和孔隙弹性应力变化导致水力裂缝附近区域内的原始三向地应力发生改变，变化区域呈现椭球状；岩石本体破裂行为仅发生在水力裂缝边缘处的小范围区域内，天然裂缝的张开、剪切破裂才是形成储层改造体积的关键；实际储层改造体积形状近似于椭球体，现阶段现场常用的长方体等效方法并不合理；实例井研究验证了本方法的准确性与工程应用价值，可为致密油气藏体积压裂施工参数优化设计和压后产量预测提供有利的参考。     

压裂液黏度及注入速率对裂缝网络形态的影响

根据现场监测与岩芯观察结果,天然裂缝对水力压裂效果影响显著,压裂后易形成复杂缝网。通过数值计算对裂缝性储层压裂效果进行预测,可以实现对压裂参数(如压裂液黏度、注入速率等)的优化。本研究采用位移不连续方法计算压裂裂缝与天然裂缝的法向与切向位移,裂缝内流动方程采用有限体积法计算。压裂裂缝的扩展基于F能量判据,天然裂缝根据受力状态的不同存在闭合、滑移及开启3种形式。通过将裂缝变形方程与流动方程耦合求解,可以获得压裂裂缝在天然裂缝网络中的生长情况。由于压裂施工参数可以进行人为调整,因此了解不同施工参数对压裂效果的影响至关重要。现场及室内试验结果表明,高速注入高黏度流体更容易获得较为集中的裂缝分布。对比不同压裂液黏度及注入速率条件下天然裂缝壁面次级裂隙的生长行为,结果表明,高黏度、高注入速率的压裂方式更有助于次级裂隙的生长,从而抑制流体沿大尺度天然裂缝的流动,使压裂后裂缝分布更为集中。同时,计算结果还表明,高黏度、高速率的压裂方式获得的裂缝开度较大,总长较短,接触天然裂缝面积较小;低黏度、低速率注入的方式有助于激发天然裂缝网络,诱导天然裂缝发生明显的剪切滑移。     

考虑鼓胀与温差效应的水平井压裂套管失效机理

水平井体积压裂过程中油层套管柱受到重力、温差、鼓胀及弯曲等力学效应的影响,导致我国近些年水平井体积压裂过程中套管损坏案例不断增多。其损坏形式主要为高压重复挤注压裂液时自由段套管的鼓胀断裂和水泥封固段套管的挤压缩径,严重影响压裂施工和油气开采。为此,针对水平井水力压裂造成的鼓胀效应与温度效应对弯曲套管的力学影响,构建了水平段弯曲井眼压裂套管鼓胀-温度效应力学耦合模型,分析多种效应对油层套管强度的影响规律。同时,结合玛湖凹陷致密油FNHW**04水平井实例,分析体积压裂时油层套管受力及强度变化规律,揭示油层套管的失效机理,为玛湖凹陷致密油水平井套管强度设计和合理选型提供科学依据。     

依赖Tresca和双剪应力屈服函数均值的屈服准则

为使Mises屈服准则线性化,在HaighWestergard应力空间,将Tresca与双剪应力屈服函数相加并取其平均屈服函数来作为新的屈服准则简称MY(平均屈服)准则,给出了该准则的数学表达式、屈服轨迹与单位体积塑性功率表达式·精度分析与算例表明:MY准则是一个线性屈服准则,其与Mises准则最大误差不超过39%,平均误差不超过195%,该准则的单位体积塑性功率表达式也是线性的     

A study of the energy yield criterion of geomaterials

讨论了岩土材料的内摩擦性质,认为其单元体内始终都存在内摩擦力,且摩擦力的方向与剪应力方向相反,是阻止变形产生的。比较了金属材料和岩土材料的变形破坏机制,认为两者存在较大差异,金属材料是由于剪应力的作用使结晶构造产生了滑移破坏,所以应着眼于最大剪应力;而岩土材料属于粒状体材料,其变形和破坏受摩擦法则的支配,由剪应力与垂直应力的共同作用使粒子间克服摩擦产生相对滑移破坏,所以应着眼于最大剪切角。基于此建立了岩土类材料的三剪能量屈服准则及其相应的Drucker－Prager准则,三剪能量准则当不考虑中主应力影响时简化为Mohr-Coulomb准则,当不考虑内摩擦角时简化为Mises准则。从应力、应变、能量角度对材料屈服准则进行了系统的研究,表明无论采用应力、应变或能量表述,只是其形式不同,而其实质是一致的,三剪能量准则是材料的统一屈服准则。结合岩石真三轴试验结果,分别采用Mohr-Coulomb准则及三剪能量准则进行了验证,结果表明大多数情况下三剪能量准则比Mohr-Coulomb准则误差小,更接近试验结果,证明能量准则是可行的。针对一个简单的边坡算例进行了三剪能量屈服准则的工程应用,计算结果表明只考虑单剪切面的Mohr-Coulomb准则比考虑三剪切面的能量准则偏于保守。     

考虑应力干扰的页岩储层裂缝穿透准则

 根据页岩储层多裂缝应力干扰效应形成机理,建立了考虑水平有效地应力、裂缝尖端集中应力以及多缝干扰应力影响的页岩储层裂缝穿透准则。模型分析表明:考虑多缝应力干扰效应影响,压裂缝穿过天然裂缝的能力减弱,分段多簇压裂更有利于在页岩储藏中形成复杂缝网结构。裂缝越长,裂缝间距越小,天然裂缝分布位置越靠近中间裂缝,缝内净压力越大,导致裂缝间的干扰应力越大。随着压裂缝与天然缝间逼近角的减小,在一定应力比和裂缝内摩擦系数范围内,压裂缝穿过天然裂缝能力减弱,超过一定范围后,压裂缝穿透天然裂缝的能力增强。高应力比条件,裂缝穿透能力基本不受逼近角影响。     

页岩压裂剪切裂缝形成条件及其导流能力研究

页岩气藏清水压裂形成的缝网中存在大量非支撑剂充填裂缝,粗糙裂缝面的剪切错位是其主要的导流机理。理论分析了剪切裂缝形成条件及裂缝错位程度,并通过实验研究了缝面错位程度和粗糙度对导流能力的影响。理论分析表明,水力裂缝诱导天然裂缝发生剪切滑移的条件是裂缝内净压力超过地层水平主应力差。高应力差、低杨氏模量和低泊松比地层中的天然裂缝易形成较大的错位程度。在压剪闭合状态下形成最大错位的有利天然裂缝角度是arccotKf/2。实验结果表明,页岩裂缝发生滑移错位,导流能力可提高2个数量级以上;但错位程度的影响存在随机性。粗糙度较大的裂缝更易形成高导流能力,但没有绝对的相关性,粗糙度对剪切裂缝导流能力仅在低闭合应力条件下影响显著。软页岩缝面凸起易破碎,粗糙度相近情况下软页岩错位裂缝的导流能力可比硬页岩的低一个数量级以上。     

分段压裂过程中射孔段水泥环密封完整性的数值模拟

水平井射孔段井筒由于孔眼的存在,在分段压裂过程中应力集中现象极易加剧固井水泥环的破坏。此外,由于高压压裂液直接作用在水泥环孔眼壁面上,使其完整性在压裂过程中遭受的挑战更大。本文建立了热流固耦合数值模型旨在分析分段压裂过程中射孔段水泥环内部的温度与应力变化,研究了套管内压、压裂液排量、水泥弹性模量、孔径与孔密对于水泥环密封完整性的影响规律。计算结果表明,压裂过程中水泥环一界面、二界面以及孔眼处均会产生剪切破坏。考虑瞬态力热耦合作用时,水泥环孔眼处失封风险提高。压裂液排量、孔径与孔密对水泥环切向应力影响较小;套管内压与水泥环弹性模量的降低虽然可在一定程度降低剪切破坏系数,但难以避免射孔段水泥环压裂初期的剪切破坏。     

基于平面应变和沿晶断裂条件下剪切滑移作用的页岩可压性评价方法

水平井分段压裂可使人工裂缝与页岩发育的大量天然裂缝、层理等结构弱面相交形成复杂缝网,剪切滑移型裂缝是缝网的重要组成部分,寻求由页岩剪切滑移作用主导的可压性具有重要意义。考虑真实页岩破坏的平面应变和沿晶断裂条件,从裂纹(裂缝)微观形态入手,建立了断裂韧性计算方法;该方法的计算结果与实验测试结果对比,平均误差为2.93%;以某页岩气水平井测井数据为基础,绘制了基于断裂韧性指数进行可压性评价的全井筒连续剖面,对比压后测试结果,证实该可压性评价方法的可靠性,为页岩气高效开发提供理论参考。     

致密油压裂套管变形应力特征数值模拟

我国非常规油气资源丰富,是重要的接替资源之一,但由于其储层的致密性,主要通过大规模体积压裂获得工业生产油气流,压裂过程中套管发生复杂的应力变化特征,油气井套管变形也越来越严重,目前对于套管内外壁、射孔簇间、段间等特征的认识尚不清晰。为此,基于压裂特点,提出数值模拟方法,利用实际典型套变井的压裂参数进行模拟和验证。结果表明：1、在压裂和返排阶段,射孔孔眼处均产生应力集中,但应力梯度变化不大;返排时在射孔簇间套管段与射孔同轴线方向的外壁形成高度应力集中,存在发生椭圆形变形危险;射孔段到射孔簇间段过渡区间,等效应力存在突变拐点,压裂阶段先突减后骤增,返排阶段先突增后骤减,返排时该段剪切应力集中达到峰值,易发生剪切破坏,形成套管错断。2、压裂阶段水泥环除在射孔孔眼处形成应力集中外,在射孔簇间段的水泥环的环向截面在轴线方位也存在较高的应力分布,造成水泥环一定程度的破坏,返排时水泥环破坏程度被加强,套损率较高。3、在相同压裂排量条件下,适当提高射孔簇长度、缩短射孔簇间距离、缩短压裂段间距能够有效提高套管的安全性,三塘湖M56区建议5 1/2 in P110套管射孔簇长度为1.5-3.0 m,射孔簇间距小于10 m,段间距小于30 m。     

水平井压裂裸眼井筒完整性分析

井筒完整性不仅关系到油气井安全生产,还影响着水平井水力压裂增产作业效果。水平井裸眼封隔器分段压裂过程中,在高内压和裂缝诱导应力的作用下,裸眼井筒可能发生破坏,造成封割器隔离层段失效和压裂液窜流,影响水平井分段压裂效果。为此,建立了考虑水力裂缝诱导应力作用下的水平井井筒剪切破坏宽度、拉伸裂缝深度的计算模型。利用所建模型分析了裂缝长度、裂缝距离对水平井井筒完整程度的影响规律。分析结果表明,水平井分段压裂过程中,正压裂段容易形成纵向拉伸裂缝,且在靠近裸眼封隔器处裂缝深度较大;已压裂段容易发生剪切破坏,且在靠近裸眼封隔器处剪切破坏程度最大。随着水力裂缝增长,剪切破坏程度和拉伸裂缝深度都逐渐增加。本文所建模型和分析结果可为水平井裸眼分段压裂设计提供理论指导,以提高裸眼封隔器的层段隔离性和分段压裂效果。     

节理岩体中微裂纹区的推导

在一个改进的节理岩体强度和提出均方剪应力基础上，导出一个屈服准则，结合断裂力学理论，推导出一新的微裂纹区域，最后与Mises屈服准则的推导结果作比较得出一些结论。     

模拟压裂作用对水泥环密封性破坏及改善研究

利用全尺寸水泥环密封性评价装置,研究了多段压裂作用下水泥环的密封完整性。分析了密封性破坏的机理;并提出了相应改善措施和评价标准。试验结果显示基浆水泥环在压裂交变应力作用下,加卸载次数较少时,水泥环密封完整性即遭到破坏;密封性失效发生在卸压阶段水泥环与套管之间的界面处。表明在套管内压高应力作用下,弹性模量较高的基浆水泥环中产生较大的应力,除了发生弹性变形还产生了塑性变形;卸载时套管弹性回缩,水泥环中塑性变形不可完全恢复而存在残余应变,导致二者在界面处的变形不协调一致而引起拉应力。随着压裂应力交变次数的增加,水泥环塑性变形不断累积,卸载后的残余变形和拉应力也随之增大。当拉应力超过界面处的胶结强度时出现微环隙,水泥环密封性破坏。采用掺入胶乳、弹性粒子等形成弹塑性水泥石,弹性模量降低并保持较高的抗压强度,压裂作用时水泥环中产生的应力相对其抗压强度较低,产生的塑性变形较小,因此提高了水泥环保持密封完整性时压裂应力交变的次数,改善了水泥环的密封性。     

试油封隔器水力锚剪切强度及咬入套管深度分析

轴向载荷作用下,试油封隔器水力锚与套管咬合发生挤压变形,载荷越大,变形越大,严重时甚至导致水力锚剪切失效。为了解与套管咬合过程中试油封隔器水力锚剪切强度及咬入套管深度,根据水力锚结构特点,由能量守恒定律建立水力锚爪牙剪切应力公式、挤压应力公式和咬入套管深度公式,对比分析了常见规格水力锚爪牙咬入P110和TP140两种不同钢级套管的最大深度。算例分析表明,相同载荷作用下,水力锚爪牙所受挤压应力远大于剪切应力;水力锚爪牙与套管之间最大挤压应力和咬入套管最大深度是管柱内外压差的非线性函数;相同内外压差时,水力锚爪牙咬入P110套管时所产生的最大挤压应力比咬入同规格TP140套管时小的多;但咬入P110套管的深度却是咬入TP140套管的114%。