考虑井筒加载历史的压裂过程中套管剪切变形数值模拟研究

体积压裂技术作为致密油气开发的重要技术手段,在实现储层有效改造的同时,也可能带来套管变形失效的问题,其主要失效原因之一是水力压裂诱发的断层激活和界面滑移造成套管剪切变形和破坏.本文首先通过研究压裂液进入断层的不同模式,阐释了体积压裂诱发断层激活理论,为分析断层滑移量对套管变形的影响提供了理论依据.其次,本文建立了考虑水...     

页岩气井压裂套管变形机理及物理模拟分析

页岩气压裂开发诱发断—裂剪切滑移导致套管剪—压变形的套变机理较合理地解释了各种套变现象，但一直缺乏物理模拟实验的验证。为此，利用自主研制的压裂套变物理模拟实验系统，建立了含裂缝面露头岩样压裂套变物理模拟实验方法，对含裂缝面的露头岩样在不同地应力状态类型和天然裂缝倾角条件下进行了物理模拟，并分析了压力变化和声发射特征，明确了压裂过程中水力裂缝与天然裂缝交互作用规律，验证了天然裂缝面滑移剪切套管变形的机理。研究结果表明：(1)在有天然裂缝存在的情况下，不同应力状态会改变水力裂缝扩展方向。走滑断层地应力状态下，水力裂缝容易发生偏转，产生剪切破裂；正断层地应力状态下，水力裂缝容易发生偏转和穿透，主要以扩张破裂为主。(2)地应力状态和天然裂缝倾角是影响天然裂缝面滑移错动的主控因素。走滑地应力状态类型下天然裂缝面容易发生滑移剪切套管发生变形；天然裂缝与库伦破裂面越接近，越容易发生滑移错动造成套管变形。结论认为，页岩气井压裂套管变形的物理模拟分析揭示了页岩气井压裂套变机理，为套变预测和防治提供了理论依据，对指导页岩气工程技术实践具有重要意义。     

压裂施工中断层活化对套管影响分析

水平井多级分段压裂大规模实施过程时常会引起断层活化、滑移，使套管发生变形或损坏。为此，研究了压裂引起断层活化的机理，分析了断层滑移对套管力学性能的影响。分析结果表明：水力裂缝沟通断层，压裂液由二者交线处沿断层渗流，造成交线两侧一定范围内剪切强度减小，断层面剪切强度减小至小于有效应力时发生破坏而活化，断层渗透率越高，活化范围越大；活化后的断层滑移量与活化范围正相关，在水力裂缝和断层的交线两侧对称分布，随着与交线距离的增大，断层滑移量逐渐减小。所得结论可为压裂施工及套管保护措施的制定提供技术借鉴。     

波动注入水力压裂诱发微地震的力学机制及其对压裂效果的影响

水力压裂岩石裂缝的扩展诱发天然微地震。传统水力压裂区微地震引起的应力重新分布范围有限,小震级地震波的作用也有限,这些微地震不可能触发较远储层的地震,一定程度上限制了水力压裂改造效果。为此,提出了波动注入水力压裂诱发较大范围“微地震”的想法。根据流体力学理论建立了波动注入水力压裂井筒不稳定流动的压力振动模型,分析了人为诱发“微地震”的井底压力振动源和岩石损伤断裂机制;研究了波动注入水力压裂人为诱发的“微地震”震源特性和力学机制,分析了微地震对水力压裂效果的影响机制。分析结果表明,波动注入水力压裂人为诱发的微地震震源破裂信号频率随裂缝长度的增加而降低;对于断层和天然裂缝发育较多的储层,波动注入水力压裂导致岩石破裂诱发微地震的力学机制主要是储层中断层或天然裂缝的剪切滑移;对于非裂缝性储层,波动注入水力压裂导致岩石破裂诱发微地震的力学机制是人为地震效应和损伤—断裂效应。研究结果表明,波动注入水力压裂能够人为诱发“微地震”,增加储层的“微裂缝”,扩大自然微地震的波及面积,增强压裂作业的增产效果。     

页岩气水平井多级压裂过程中套管变形研究综述

针对页岩气水平井多级压裂过程中出现的套管变形问题,运用力学实验手段以及数值分析方法,计算了多级压裂过程中套管强度以及应力变化,研究了环空束缚流体、岩性界面、温压交变、地层滑移对套管应力以及应变的影响。研究表明：页岩气井压裂过程中套管变形以剪切变形和挤压变形为主,变形点具有从趾端到跟端不断增多的分布特点,且部分位置变形情况随时间推移不断加剧;环空束缚流体、岩性界面显著提升了套管应力,但不是导致套管应力超过屈服强度的充分原因;套管应力超过屈服强度后,温压交变将会加剧挤压变形程度;断层沿天然裂缝或层理弱面滑移导致套管发生剪切变形,增加套管厚度或者采用分段固井方式有利于降低套管剪切变形风险。研究成果可为压裂过程中套管完整性设计及控制提供参考,具有重要理论和工程意义。     

断层滑移对套管剪切变形的影响规律及防控措施

威荣深层页岩气区作为中石化页岩气开发的重点突破区块，开发以来一直面临着严重的套管变形问题，而水力压裂诱发的断层滑移正是导致套管变形的主要因素之一。因此，明确断层滑移与套管剪切变形的关系，对套管变形的防控具有重要的意义。文中考虑了2种断层触发机理，采用Mohr-Coulomb准则，建立了三维断层滑移计算模型；在此基础上，建立套管剪切变形有限元模型，以断层滑移量为边界条件，研究了不同断层参数对套管变形程度的影响；最后，提出了断层滑移精细化防控理念。研究结果表明：摩擦因数越大，套管变形量越小；随着断层长度增大，套管变形量也逐渐增大；随着水平地应力趋于均匀，套管变形量逐渐减小；断层夹角为0°，15°，30°时，套管变形量较大，而后迅速减小。     

压裂工况下近井筒地应力及套管载荷分布规律研究

为了研究水力压裂工况下套管损坏机理及套管载荷影响因素,开展了储层岩石力学参数测试,建立了套管–水泥环–地层–裂缝的多场耦合有限元分析模型,分析了水力压裂扩展时近井筒地应力及套管载荷的分布规律及影响因素。研究结果表明,储层中天然裂缝的存在引起水力裂缝的非均匀扩展,套管承受非均匀载荷;当储层地应力差增加、弹性模量降低时,近井筒地应力及套管载荷增加;天然裂缝数量及天然裂缝分布形态对近井筒地应力及套管载荷的影响较为复杂。研究结果为页岩储层优化固井设计及压裂设计、减少套管损坏问题提供了理论依据。     

页岩储层水力裂缝和天然裂缝交互规律

页岩储层的大量天然裂缝会在水力压裂中影响水力裂缝扩展路径,厘清二者交互规律对于明确储层裂缝扩展机制及优化裂缝网络具有指导意义。文中利用真实页岩岩心,在提前预置单一裂缝基础上,模拟水力压裂过程中水力裂缝与天然裂缝的交互行为;采用单一变量法,研究水力裂缝逼近角、注入孔深度、天然裂缝胶结强度、围压对二者交互行为的影响。结果表明：交互状况有水力裂缝打开天然裂缝、沿天然裂缝穿行一定距离后偏转、穿过天然裂缝3种,而打开时最大滑移量和最大滑移速率在所有交互结果中最高,偏转时次之,穿过时最小;相比张性起裂,裂缝剪切起裂下最大滑移速率较小,最大滑移量较大。逼近角大、注入孔深度小、天然裂缝胶结强度大、围压高均有利于水力裂缝均衡扩展;反之,则易沟通天然裂缝形成复杂缝网。该研究成果对改善裂缝网络形态及优化页岩储层压裂设计具有一定的借鉴意义。     

长宁—威远页岩气示范区套管变形机理及对策

针对四川盆地长宁—威远国家级页岩气示范区开发过程中出现的套管变形问题,分析了套管变形与地质特征和水力压裂施工的相关性,结果表明断层裂缝和层理(以下用裂缝代替断层裂缝和层理)发育是套管变形的内因,水力压裂是套管变形的外因。在此基础上,厘清了套管变形的机理:压裂液沿着某条通道进入天然裂缝,使裂缝内孔隙压力提高,当达到临界值时,激发天然裂缝滑动,进而造成套管变形。流体的通道可能有3条:①水力裂缝通道;②水力压裂过程中沿着井眼轴向形成的轴向裂缝;③反复压裂致使水泥环形成的微环隙。最后,提出了有针对性的预防措施:①在裂缝层理井段安装封隔器;②优化水泥浆性能,避免水泥环产生微环隙;③选择避免套管承受反复高压的压裂工艺。该研究成果可为解决页岩气套管变形问题提供指导。     

页岩气水平井压裂中地层滑移数值模拟研究

为了解页岩气水平井在压裂过程中地层滑移导致套管变形的机理,结合套损井的现场资料,在岩石力学试验的基础上,利用COMSOL数值模拟软件对页岩气水平井在水力压裂过程中地层沿裂缝的滑移变形进行了数值模拟研究。研究结果表明:随着缝内流体压力的增高,裂缝面的滑移量增大,当缝内流体压力达到50 MPa时,裂缝面的滑移量可达到厘米级;当存在多条裂缝时,单一裂缝内流体压力的改变会导致邻近裂缝应力场和滑移量的改变,当缝内流体压力达到80MPa时,对邻近裂缝可产生比较明显的影响;裂缝与裂缝之间的夹角越接近45°,两者之间的影响越明显,且随着裂缝之间距离的增加,相互之间的影响越小,当距离达到80 m时,两者之间基本无影响。研究成果对认识页岩气井剪切型套管变形及对如何预防套管损坏具有一定的理论指导意义。     

威荣区块深层页岩气井套管变形失效分析

在深层页岩气水平井分段多级压裂过程中,出现越来越多的套管变形损坏的现象。套管变形导致后续压裂施工段无法进行,严重影响压裂施工效果。统计分析威远荣县地区套管损坏特征,得出导致套管变形的主控因素。针对不同压裂顺序,运用有限元软件对页岩气井压裂过程中近井筒地应力变化进行对比研究。研究结果表明,威远区块深层页岩气井套管变形主要出现在水平段中间及跟端附近,类型主要为剪切变形;在非均质深层页岩中,多级水力裂缝起裂与扩展导致井筒周围地应力非均匀累加,诱发天然裂缝滑移,进而造成套管的剪切与挤毁;随着井筒与裂缝的距离增大,套管受到的压缩应力逐渐降低;避开裂缝发育区域压裂以及合理减小压裂规模可以降低套管失效风险。本研究进一步揭示了深层页岩气多级压裂过程中套管损坏机理,并提出了基于套管保护的压裂措施,对于预防压裂过程中套管损坏有一定的借鉴意义。     

暂堵大裂缝防治页岩气水平井套管变形的理论与方法

自2013年底中国开始进行页岩气工业开发以来,不少页岩气水平井都发生了套管变形,严重影响了页岩气开发的效率和效益。为了防治页岩气水平井套管变形,在明确套管变形是水力压裂过程中诱发断层和裂缝(以下简称断-裂)发生剪切活动而造成的基础上,依据广义剪切活动准则,重点分析了水力压裂的流体压力对断-裂剪切活动的影响,建立了地应力状态下压裂液选择流体通道的综合判据,定量分析了天然裂缝流动能力的影响因素,为暂堵大裂缝提供了理论依据;进而依据活动性系数(fa)和断-裂规模将断-裂的风险级别分为3级,制订了不同风险级别断-裂的暂堵时机。研究结果表明:(1)大裂缝是压裂液漏失的高速流动通道;(2)控制压裂液沿大裂缝漏失可以有效防治套管变形;(3)复合暂堵可以切断或阻隔压裂液沿大裂缝漏失。现场开展了19口井暂堵大裂缝的试验,套管变形率由试验前的50.4%下降至15.8%,取得了良好的成效,套管变形防治工作取得了重大的进展。结论认为,暂堵大裂缝是页岩气开发过程中防治套管变形的有效手段,值得进一步推广应用。     

温-压耦合作用下断层滑移对套管应力的影响

页岩气水平井段在压裂过程中容易诱发天然断层滑移，进而导致套管产生失效变形，影响页岩气生产。为研究断层滑移对水平段套管应力的影响机制，采用数值模拟的方法，借助ANSYS软件，建立了断层滑移有限元模型，研究在温-压耦合作用下的断层夹角、注液温差和水泥环弹性模量对套管应力的影响。研究结果表明：考虑温-压耦合作用会提高断层滑移对套管应力的影响；断层夹角越大，套管应力的增长幅度越小，且断层夹角越大，温-压耦合效应越明显；注液温差提高了断层滑移对套管应力的影响，当注液温差超过100℃时，套管应力会出现较大增幅；套管应力随水泥环弹性模量的增加呈现出先减小后增大的趋势，当滑移距离超过4 mm后，水泥环对套管的保护作用将大幅下降。研究结果可为预防页岩气井水平段套管失效变形提供一定参考。     

裂缝性页岩储层水力裂缝非平面扩展实验

开发页岩气藏通常需要采用大规模的水力压裂工艺技术,而页岩储层中的天然裂缝、层理面对水力裂缝的扩展路径又有着非常重要的影响。研究天然裂缝对水力裂缝扩展的影响可为现场预测水力裂缝扩展方向以及实施缝网压裂提供技术支撑。为此,选取4块尺寸为400mm×400mm×400mm的下志留统龙马溪组页岩露头标本,来进行真三轴水力压裂实验和声发射监测,以便研究水力裂缝与天然裂缝的沟通行为。实验结果表明:水力裂缝遇到天然裂缝时可发生转向或者穿透天然裂缝,形成一种空间非平面裂缝网络;大开度、低胶结强度的天然裂缝容易导致水力裂缝转向,难以形成新的主水力裂缝面;水力裂缝穿透层理面时,流入到层理面上的压裂液呈椭圆状分布;水力裂缝从岩石本体起裂的方向上声发射点较集中,沿着天然裂缝扩展的方向上声发射点少。结论认为:1水力裂缝能否穿透天然裂缝与天然裂缝的开度、胶结强度有关;2裂缝性页岩储层水力压裂易形成空间非平面网状裂缝;3与主裂缝面相比,压裂液进入到层理面的体积较少。     

BZ油田水力裂缝在天然裂缝界面延伸行为

BZ油田沙三段低渗储层天然裂缝发育,水力裂缝垂向上与天然裂缝面相遇时的裂缝延伸方式直接影响水力压裂优化设计。基于岩层垂向上最小水平主应力分布近似相等的特征,将界面附近岩石简化为双层岩层受力分布;依据线弹性断裂力学理论,给出远场有效应力作用下垂直于水平岩层压裂裂缝的缝尖应力场;结合裂缝张性破坏和剪切破坏准则,建立了考虑岩层界面内聚力、摩擦系数(内摩擦角)及抗张强度影响下的水力裂缝滑移判据;根据储层原地应力场和岩石力学计算,分析了相应参数对水力裂缝穿越与滑移的影响。结果表明,BZ油田沙三段储层水力裂缝延伸到天然裂缝界面时表现为穿越现象,这对压裂优化设计具有重要指导意义。     

页岩储层水力压裂优化设计

含气页岩由间隙气和吸附气组成,水力压裂是提高这类储层有效动用的唯一手段.本文在分析研究页岩储层特征的基础上,对适合于页岩的水力压裂模型和工艺参数优化进行了分析研究.页岩储层天然裂缝和层理发育,储层流体主要是在层理及天然裂缝系统中进行,针对砂泥岩地层的水力压裂数值模型(包括全三维模型)不适用于页岩储层水力压裂分析.DFN离散裂缝压裂模型是基于连续均匀介质和多孔不连续非均匀介质力学理论的3D压裂数值模型,可用于模拟页岩和煤岩水力压裂中多裂缝、非对称缝和不连续缝,也可用于天然裂缝和断层发育地层中的不连续缝的模拟.在压裂工艺方面,对射孔方式、压裂液、支撑剂等进行了优选.研究结果也可用于裂缝性砂岩储层改造.     

超深裂缝性碎屑岩储层天然裂缝激活研究

针对塔里木油田白垩系巴什基奇克组超深裂缝性碎屑岩储层天然裂缝激活方法不明确的问题,根据摩尔-库伦破坏准则,对研究区储层天然裂缝发生剪切激活和张性激活条件进行分析,模拟测试了水力压裂和酸化压裂中的裂缝导流能力.研究结果显示:水力压裂中存在相互错动的裂缝导流能力是无错动裂缝的100～1000倍,无错动裂缝加砂后导流能力超过...     

页岩气水平井开发套管变形的地质力学机理及其防治对策

自2014年我国开始进行大规模的页岩气工业开发活动以来,四川盆地西南部有不少页岩气水平井都发生了套管变形,然而采用套管工程力学的手段去治理却没有取得明显的成效。为了破解页岩气水平井套管变形的难题,基于"广义剪切活动准则"这一构造地质和地质力学的基础理论,详细解剖了该区的套管变形现象、明确了套管变形的机理,进而提出了防治套管变形的对策与措施。研究结果表明:①套管变形是在注水压裂过程中,流体(水)压力传递到断层和裂缝(断—裂)面上,诱发地层产生剪切滑移并作用到套管上使其发生变形的结果,套管变形现象符合剪切变形的特征;②套管变形地质力学研究的内容包括——识别可能出现活动的断—裂(套变风险点)、断—裂的潜在活动能力、断—裂的剪切滑移量、套管变形与地层剪切变形的耦合关系(固井水泥环对地层变形的传递程度);③防止压裂液大量进入断—裂(如暂堵大裂缝的措施)、让压裂液造缝而不沿断—裂流失是防治套管变形的根本措施;④所开展的控制压裂液流失的大裂缝暂堵工程现场试验,取得了防治套管变形的良好成效,使套管变形的不利局面得以有效扭转。结论认为,页岩气开发所引发的套管变形问题是可以得到防治的。     

含层理储层水力压裂缝高延伸规律及现场监测

层理作为页岩油气储层的重要特征,对水力裂缝垂向扩展存在显著影响。通过开展理论分析,创新大尺度水力压裂模拟实验方法,以及针对现场尺度页岩油气储层实施水力裂缝形态监测,揭示层理条件下裂缝垂向扩展形态,明确裂缝穿层主控因素,为非常规储层改造工艺优化提供指导。研究表明：与层理面相交时,水力裂缝存在穿过、止裂（层理剪切或张开）和偏移3种扩展结果;实验及现场监测均证实了层理面胶结强度是影响缝高延伸的最重要因素,根据胶结强度不同既存在水平层理对缝高的抑制,也存在缝高穿过层理的情形;此外平面上天然裂缝展布形态和垂向储隔层间物性差异也对缝高延伸有明显影响。研究认识可为非常规层理条件下水力裂缝穿层工艺优化设计提供技术支撑。     

胶结型天然裂缝对水力裂缝影响的数值计算模型及机理

页岩等非常规储层中富含由矿物填充的胶结型天然裂缝,水力裂缝与胶结型天然裂缝间的相互作用机制是控制复杂裂缝网络形成的关键。基于流动-变形耦合的内聚力模型,采用断裂能参数对天然裂缝胶结强度进行简化表征,建立了水力裂缝与胶结型天然裂缝间相互作用的数值模型。通过与单条水力裂缝极限情况渐进解对比,验证了该方法的可行性。在此基础上,研究了地应力、逼近角、胶结强度比以及压裂液黏度和注入速率等因素对水力/天然裂缝相互作用的影响。研究结果表明：水平地应力差与最小水平地应力共同控制着水力裂缝的穿越行为;地应力差相同,最小水平地应力不同,水力裂缝最终几何形态及缝内压力分布可能不同;逼近角越小,水力裂缝越容易转向沿天然裂缝扩展;胶结强度比越大,水力裂缝越不容易转向沿天然裂缝扩展;忽略缝内流体滤失,相同的注入速率和流体黏度的乘积会导致相似的裂缝几何形状及注入点压力变化。裂缝尖端前缘区域形成低孔隙压力区与内聚力区大小有关：内聚力区越小,孔隙压力越低。