射孔水平井分段压裂起裂压力理论研究

第 39卷第 4期 2O11年 7月 石 油 钻 探 技 术 PETRO1 EUM DRILLING TECH NIQUES Vo1．39 NO．4 _ll11．，2011 油气开采 doi：10．3969／j．issn．1001—0890．2011．04．015 射孔水平井分段压裂起裂压力理论研究 吕志凯 ，何顺利 ，罗富平 ，陆红军。，王文雄 (1．石油工程教育部重点实验室(中国石油大学(北京))，北京 102249；2．中国中化石油勘探开发有限公司，北京 100031；3．中国石油 长庆油田分公司超低渗透研究中心，陕西西安 710061；4．中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西西安 710061) 摘 要：综合考虑井筒内压、原始地应力分布、先压水力裂缝的诱导应力等因素，根据叠加原理及弹性力学理 论，建立了射孔水平井分段压裂起裂压力计算模型，分析了初始及后续裂缝的起裂规律。研究结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，初始裂缝 产生的诱导应力分布受裂缝间距影响。当初始裂缝缝长一定时，沿井筒方向诱导应力逐步降低，直至地应力场趋 于原始地应力场 ；射孔 水平 井裂缝起 裂受射孔 方位 角的影响，最佳射孔方位 由井 筒周 围地应 力分布决定 ；先压 裂缝 产生的诱导应力场会导致后续裂缝的起裂压力增大，这种影响会随着裂缝半缝长的增大而增强；半缝长一定时，起 裂压力的增加幅度随着裂缝间距的增加递减。 关键词 ：射孔 完井 水 平井 分段压 裂 应力场 诱 导应力 起 裂压力 中图分类号 ：TE357．7 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001—0890(20l1)04—0072—05 Study on Hydraulic Fracture Initiation Pressure of Staged Fracturing in Perforated Horizontal W ells Lii Zhikai ，He Shunli ，Luo Fuping ，Lu Hongj un。，Wang Wenxiong (1．MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，China University of Petroleum(Bering)，Beijing， 102249，China；2．PetroleumExploration e支Production Company，Sinochem，Beijing，100031，China；3．Research Center of Super-low Permeability Reservoir；Changqing 0 Zfield Branch，X ’an，Shaanxi，710061，China； 4．0 Z& Gas Technology Research Institute，Changqing 0 Zfield Branch，X ’an，Shaanxi，710061，China) Abstract：Based on the superposition and elasticity theory，a theoretica1 model of initiation pressure calculation in staged fracturing of perforated horizontal well was developed while considering the effect of wellbore pressure，formation stress distribution，and stress induced by hydraulic fracture．The change of ini— tial and subsequent fractures initiation was studied．The results show that the stress induced by initial frac ture is influenced by fracture spacing．W hen the initial fracture length is constant。the induced stress along wellbore decreases gradually until the stresses reach initial formation stresses．Fracture initiation of a per— forated horizontal welliS affected by perforation azimuth．The optimum azimuth iS determined by the stress distribution around wellbore．Induced stress can increase subsequent fractures initiation pressure．The de— gree of impact is increasing with the increase of fracture length．W hen fracture length is constant，the in— crease amount of initiation pressure would drop rapidly with the increase of fracture spacing． Key words：perforated completion；horizontal wel1；staged fracturing；stress field；induced stress；initia— tion pressure 水平井分段压裂是实现低渗透油气藏高效开发 的有效手段l】。]。裂缝起裂机理的研究已成为国内外 水力压裂研究领域 的重要课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。水平井井筒周围地 应力分布复杂，受到作业条件、压裂液渗滤性能、孔隙 压力等众多因素的影响l4 ]。同时，水平井分段压裂 时先压裂缝对后压裂缝的起裂也有重要的影响。 国内外学者对水平井压裂裂缝的起裂机理做 了 大量研究 ，建立 了起裂压力及起裂角 的计算模 型，但没有考虑先压水力裂缝所 产生 的诱导应力影 响。而进行水力压裂的水平井在工程条件上一般为 射孔井，为此，笔者根据叠加原理，建立了射孔水平 收稿 日期 ：2O11—02 25；改回 日期 ：2O】1 07一()l。 作者简介：吕志凯(1 984 )，男，河北任丘人．2008年毕业于中 国石油 大学(北京)石油工程专业，油气 田开发 工程 专业在 读 博士研 究生，主要从事油气井增产技术方面的研究J-作。 联系方式 ：(010)89734268，lzknb@ 163．COIII。 基金项 目：国家科技 重大专项项 目子课题“(特)低渗透油藏工程 新理论与新方法”(编 号：2O()9zxO5()O9—00,I)资助。 第 39卷 第 4期 吕志凯等．射孔水 平井分段 压裂起 裂压力理论研究 井分段压裂起裂压力计算模型，分析了先压裂缝诱 导应力、起裂压力的影响因素及变化规律 。 1 水平井筒井壁应力分布 1．1 先压裂缝诱导应力分析 为了改善压裂效果 ，最 大限度地增 加水平井产 能，对水平井进行水力压裂时应尽量使其产生横向 裂缝 ，水平井筒应 与水平最小 主应力方 向一致ll ]。 对有多条横向裂缝的水平井进行分段压裂时，多条 裂缝的产生存在着先后顺序。先压裂缝产生后，将 导致裂缝周围一定范 围内的应力分布发生改 变，从 而影响后续压裂水力裂缝的起裂 。 以均质、各向同性的二维平面应变模型为基础 ， 建立了水力裂缝诱导应力场几何模型[1 。 ，见图 1。 ■ 一 L／2 1 J L／2 Y 1 — — 图 1 水力裂缝诱导应力场几何模 型 Fig．1 Geometric stress field induced by hydraulic fracture 模型假设裂缝形态为垂直裂缝，裂缝断面为椭 圆形，半缝长为L／2。以水平井井简方向(最小水平 主应力方向)为 z轴 ，以裂缝缝长方向(最大水平 主 应力方 向)为 Y轴 。取拉 应力 为 正，压 应力 为负 。 在图 1所示 坐标系中，现有水力裂缝在点 (z， )处 的诱导应力分量为 ： 一p予( )号sin n号( + )+ 『志 cos( 一 1 1) ] ‰一一户号( )i n萼( + )+(1) 『志 咖( 一 1一 1 )一 ] 一 ( + ) 一 r I i d 2 J sin卢c。s号( + ) 式中： ，O'a ，O'a。和 Z-a~y为现有裂缝在地层产生的诱导 应力分量，MPa； 为现有裂缝内部压力 ，MPa；L为缝 长，m；d为半缝长，d—L／2，m； 为岩石泊松比；r= ,／7 +y2；r1一~／z +(．y+ ) ； 一,／7+( — )。； ===arctan(一x／y)； 一 arctanE- z／( + d)2； 一 arctan[x／( — )]。 1．2 复合地应力分析 先压裂缝形成后井壁附近的应力场 由原始地应 力场(最大水平主应力 、最小水平主应力 和垂 向上覆地层应力 )和现有水力裂缝产生 的诱 导应 力场共同作用构成，见图2。 ▲Y 水平井筒 L ＼ 原始地应力场 ／ L 裂缝 诱导应力场 图 2 考虑裂缝诱导应 力下的地应 力分布模 型示意 Fig．2 The formation stress distribution considering induced stress 根据叠加原理 ，初始裂缝产生后的地应力分量 为 ： r ，H— H+d。 f J 一 h+ (2) l 一 + ( + ) 式中： ，口 ， 为地层原始应力分量，MPa； ，H， ， ：为地层复合应力分量，MPa。 1．3 射孔水平井井壁处应力分布 在 目的层段射孔，可以在注入压裂液后的孔 眼 位置形成应力集中带，进而有效降低压裂施工的压 力_1 。假设射孔孔眼为一个小尺寸裸眼水平井 ，井 筒和射孔孔眼内的流体压力相同，射孔孔眼与井筒 正交 。射孔井筒几何模型及应力重新分布。= 如 图 3 所示 。 由于套管的存在，可忽略水平井筒内的压裂液 滤失 。由应力叠加 原理得射孔井筒 周围应力分布 为： 石 油 钻 探 技 术 图 3 射孔水平 井筒及射 子L孔 眼应 力分布模 型示意 Fig．3 Stress distribution around horizontal wellbore and perforation 一一 P 一 2 (1+cos20 )+( + ，H+ )+ 2 + ，H一 )c。s2 一 ， (3) 2( 一口，H)cos20(1+2cos20 ) 一 w + 一 2 cos2 ( f 一 O'H) r坩 = r 一 r = 0 式中 为井筒径向应力 ，MPa； 为孑L眼切 向应力 ， MPa； 为井筒轴 向应力 ，MPa； ， 和 r 为井壁 处的剪应力 分量，MPa；P 为井筒 内压 裂液压力 ， MPa； 为裂缝起裂 方位角 ，o)；0为射孔 方位角 ， o)；C为沿井筒方向的压力修正系数。 2 总应力下 的裂缝起裂分析 2．1 裂缝起裂准则 根据岩石拉伸破裂准则，当岩石受到的拉伸应 力达到岩石的抗拉强度时 ，岩石材料将发生初始破 裂。根据弹性力学理论 ，最大拉应力为 ： O'max( )一 + 百1 二 (4) 式中， ( )为最大拉应力 ，MPa。 对于某一射孔方位角 0，可求得井壁 上发生拉 伸破裂时的裂缝起裂方位角。 一 0 (5) d ⋯ 当井壁处 平面上的最大有效拉伸应力不 小于岩石抗拉强度 时，井壁处岩石 开始发生 断 裂 ，即： 口 ( )一 p。≥ (6) 式中：叩为地层孔隙压力贡献系数； 。为地层孔隙流 体压力，MPa．盯I为地层岩石抗拉强度，MPa。 2．2 射孔水平井起裂压力分析 如 图 3所示 ，GO。，0"0 分别为起裂方位角 为 0。和 90。时孔眼根部的切向应力。显然， 为使裂缝起裂 的最大拉伸应力_6]。 1一 (4一 c)p + (3+ 6cos20)a'H+ (3—6cos20)口 一 +2v( 一 ，H) (7) 在 一0。和 一90。处射孔，裂缝起裂压力分别为 Pwo和 P 9()。 f ～ 9a'H-- 3口 一 + 2 ( ～ O'H)一 。 一 l Pw。一——————— ———— ] 一9 一3a'H--口 一2 ( 一 ，H)一 。～ 1户w 。 ——————— _ 上 (8) 实际起裂压力为： P 。一 min(p o，P 90) (9) 式中：Pwp为起裂压力，MPa；P 。为在 一O。处射孔的 起裂压力 ，MPa； 。。为在 0—90。处 射孔 的起裂压 力 ，MPa。 3 实例计算及分析 选取长庆油 田某 区块 的实 际参数进行 对 比分 析。具体参数为： H一一30 MPa， h===一19 MPa， 一 一 42 M Pa，P 一 50 MPa，P0— 16．5 MPa，f一 0·95， 一 0．27，77— 1。 3．1 诱导应力的变化规律 取缝长 L一100 In，计算了距先压裂缝一段距离 内井壁处( —o．05 m)的诱导应力分布情况，结果 如图 4所示。从图 4可以看 出，距离先压裂缝 0～ 150 in时，先压裂缝产生的诱导应力较大 ，会对井筒 周围地应力分布产生较大影响，在压裂施工作业上 表现为异常破裂压力 曲线；在裂缝延伸时会改变裂 缝形态 ，形成不规则裂缝。距离先压裂缝大于 150 ITI 时，先压裂缝诱导应力逐渐变小 ，地应力趋近于原始 地应 力。 3．2 裂缝起裂规律 根据式(7)求得了孔眼根部最大拉应力 与射 孔方位角的关系曲线，见图 5。从图 5可以看出： 随射孔方位角 以7c为周期变化，在 一0。处拉应力 第 39卷 第 4期 吕志凯等．射孔 水平井分段 压裂起裂压力理论研 究 达到最大 ，最有利于裂缝起裂 ；在 0—90。时最小 ，最 不利于裂缝起裂 ，最佳射孔方位角为 0。。 图 4 诱导应力在 x，y和 z方 向的变化 曲线 Fig．4 Variation of induced stress in x，Y and￡direction 图 5 最大拉应 力与射 孔方位角关系 曲线 Fig．5 Relationship between maximum tensile stress and azimuth of perforation 同时，从 图 5也 可以看出 ，在 最佳射孔方位 角 处 ，考虑先压裂缝诱 导应 力下孔 眼根部产生的最大 拉应力比不考虑先压裂缝诱导应力时小，说明先压 裂缝形成后会导致后续裂缝起裂压力增大。 3．3 后续裂缝起裂压力变化特征 取半缝长 为 100，150和 200 ITI，分别计算考虑 诱导应力场时的起裂压力与无诱导应力场时的起裂 压力 ，并进行对比分析 ，结果见图 6。 从 图 6可看出 ：先压裂缝产生的诱 导应力场会 导致后续裂缝的起裂压力增大 ，这种影响程度会 随 着裂缝半缝长的增大而增大；半缝长一定时，起裂压 力的增加幅度随着裂缝间距的增大而减小，当裂缝 间距增加到 160 m 以上时 ，先压裂缝产生的诱导应 力对后续裂缝起裂压力 的影响十分微弱 。因此在分 段压裂时，应尽量增大裂缝间距，以减小先压裂缝对 压裂施工作业 的不利影响。 25 20 越 15 磐 宕 R 1O 出 ， O o 40 80 120 160 距先压裂缝的距离／m 图 6 沿井筒方 向考虑诱 导应 力场 时的起裂压 力与无诱 导应力场时的起裂压力的E 值变化 Fig．6 Variation of initiation pressure along wellbore di- rection 4 结 论 1)影响射孔水平井分段压裂起 裂压力 的主要 因素包括井筒内压裂液压力、原始地应力分布 、先压 裂缝诱导应力及射孑L方位角等，综合考虑以上因素 建立了起裂压力计算 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型。 2)先压裂缝产生的诱导应力分布受裂缝内压、 裂缝缝长和裂缝间距的影响。当先压裂缝缝长一定 时，沿井筒方向诱导应力逐步降低，直至地应力场趋 于原始地应力场 。 3)射孔水平井裂缝起裂受射孔方位角的影响， 最佳射孑L方位角 由井筒周 围地应力分布决定 ，在文 中地应力场下的最佳射孔方位角为 0。。 4)先压裂缝产生的诱 导应力场会 导致后续裂 缝的起裂压力增大 ，这种影响会 随着裂缝半缝 长的 增大而增大。半缝长一定时，起裂压力的增加幅度 随着裂缝间距 的增大而减小。 参 考 文 献 [1] 唐汝众，温庆志，苏建，等．水平井分段压裂产能影响因素研究 EJ]．石油钻探技术，2010，38(2)：80—83． Tang Ruzhong，W en Qingzhi，Su Jian，et a1．Factors affecting productivity of stage fractured horizontal well[J]，Petroleum Drilling Techniques，2010，38(2)：80—83． [2] 袁帅，李春兰，曾保全，等．压裂水平井裂缝参数优化实验[．I]． 石油钻探技术 ，2OlO，38(4)：99—103． Yuan Shuai，Li Chunlan，Zeng Baoquan，et a1．Experimental study on optimization of fracture parameters in horizontal well fracturing[J]．Petroleum Drilling Techniques，2010，38(4)：99— 1 03． ∞ ＼R 稼 噼 · 76· 石 油 钻 探 技 术 2()1 1年 7月 [3] [4] Es] E6] [73 E83 E9] 姜涛，巩小雄，肖林鹏．水平井分段压裂技术在牛圈湖油田的应 用EJ]．石油钻采工艺，2009，31(2)：101—104． Jiang Tao，Gong Xiaoxiong，Xiao Linpeng．Application for step— wise fracturing technology of horizontal well in Niujuanhu Oil— fieldEJ]．Oil Drilling& Production Technology，2009，31(2)： 101-104． 黄荣樽，白家祉，周煜辉，等．大斜度井围岩应力和位移的粘弹 性分析EJ]．石油钻采工艺，1994，16(5)：卜7． Huang Rongzun，Bai 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，促进科技创新、推广应用和期刊自身发展具有重要意义。 近年来，国际上学术期刊优先数字出版发展迅速，已经得到期刊界认可并纷纷采用。如 Science的Ex press，Nature的 AOP(Advance Online Publication)等。国内 “中国知网”[由新闻出版总署批准的中国学术 期刊(光盘版)电子杂志社主办，互联网出版许可证号：新出网证(京)字 008号]推出了学术期刊优先数字出 版平台。 为加速优质稿件发表速度与传播速度，促进学术成果在国内外学术界的认可、传播和利用，《石油钻探技 术》编辑部与“中国知网”合作，每期将优选 5～1O篇稿件，实施优先数字出版。对于优先出版的稿件，作者需 签署优先数字出版授权 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 。 欢迎广大读者作者踊跃投稿! 《石油钻探技 术》编辑部