CN102608021A - 一种砂泥岩薄互层储层压裂防砂堵工艺参数确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种砂泥岩薄互层储层压裂改造防砂堵工艺参数的确定方法，包括施工排量和砂比。对砂泥岩薄互层储层的压裂来说，由于岩石塑性强，断裂韧性高，裂缝启裂困难，加之裂缝形态复杂，砂堵事故高发。从压裂设计角度来说，优化排量和砂比是控制砂堵的有效手段，但对砂泥岩薄互层储层尚缺少定量的确定方法。高含泥岩石的应力应变关系是非线性弹塑性，无法用解析方法表达其扩展压力。本发明将高含泥地层视为弹塑性非线性材料，通过力学建模和有限元数值计算确定砂泥岩薄互层储层裂缝扩展压力，由缝内净压力与排量的关系确定排量；将计算砂泥岩地层裂缝宽度剖面看作平面应变问题，得到裂缝扩展形态，用砂泥岩缝宽比来计算临界砂比。

Description

一种砂泥岩薄互层储层压裂防砂堵工艺参数确定方法
技术领域
本发明是关于一种石油工程领域砂泥岩薄互层储层压裂改造防砂堵工艺参数的确定方法，主要包括施工排量和砂比，以保证压裂施工过程不发生砂堵事故，同时该发明也适用于其他类型的高含泥塑性储层。
背景技术
砂堵是指加砂压裂过程砂粒聚集在射孔附近或靠近井筒的裂缝中，堵塞压裂液和砂粒的输运路径，造成泵压急剧上升、无法加砂等事故。砂堵对压裂施工造成重大影响，甚至导致压裂失败。影响砂堵的因素较复杂，主要包括地层因素、压裂液因素、工程因素、设计因素等，如何有效避免砂堵的产生一直是压裂设计和施工作业中感到棘手的难题。对超低渗致密储层的压裂来说，储层埋藏深，成岩作用强，且泥质含量高，导致岩石塑性强，断裂韧性高，裂缝启裂困难。若砂泥岩形成薄互层，导致裂缝形态进一步复杂，砂堵事故高发。
砂泥岩薄互层储层压裂涉及高含泥地层中的裂缝扩展。对于高含泥岩石，由于其应力应变关系是非线性的弹塑性，无法用解析方法表达其扩展压力。从压裂设计角度来说，优化排量和砂比是控制砂堵的有效手段，但对砂泥岩薄互层储层尚缺少定量的确定方法。本发明基于高含泥弹塑性地层的力学建模，通过有限元数值计算确定砂泥岩薄互层储层裂缝扩展压力，进而确定施工排量；将计算砂泥岩地层裂缝宽度剖面看作平面应变问题，得到裂缝扩展形态，进而确定临界砂比。
发明内容
本发明的目的是提供砂泥岩薄互层储层压裂改造防砂堵工艺参数的确定方法。该方法将高含泥地层视为弹塑性非线性材料，通过力学建模和有限元数值计算确定砂泥岩薄互层储层裂缝扩展压力，由缝内净压力与排量的关系确定排量；将计算砂泥岩地层裂缝宽度剖面看作平面应变问题，得到裂缝扩展形态，用砂泥岩缝宽比来计算临界砂比。
本发明目的是这样实现的，将井眼周边的应力状态视为平面应变，根据对称性，建立水力裂缝的半边模型，如图1所示(裂缝端部局部放大如图2所示)。模型尺寸2m*2m，由于对称性，模型左侧固定，模型右侧施加最大有效地应力，上下施加最小有效地应力，井筒及压裂裂缝内为压裂液。为考虑裂缝扩展到不同长度时的缝宽分布情况，模型尺寸采用无量纲化形式，其中初始裂缝长度1000单位。裂缝扩展准则是：对砂岩来说是弹性材料，采用断裂韧性表征，对泥岩来说是塑性材料，采用抗拉强度表征。
分别计算砂岩及泥岩中裂缝扩展所需的缝内净压力。计算砂岩时，材料视为弹性，只需弹性模量及泊松比；计算泥岩时，材料视为非线性弹塑性，除弹性模量、泊松比，还需提供实验测定的应力应变曲线。计算结果显示泥岩扩展压力较砂岩高，说明砂泥岩薄互层储层的扩展压力由泥岩扩展压力决定。由于缝内压裂液的压力与体积、排量成比例，与均匀
Figure BSA00000623092000022
考虑水力裂缝的长度较高度、宽度远远大，此时可以将计算裂缝宽度剖面看作平面应变问题，建立如图3所示的力学模型。模型尺寸为5m*5m，沿垂直方向划分3层泥岩夹2层砂岩。施加地应力条件和上覆压力条件，井筒压力应高于孔隙压力与泥岩扩展压力之和，以确保裂缝能够延伸。边界条件为模型的上下端及右端固定，缝内压力作用在左端。
缝内净压力的一般模式为三次多项式
Px(x，y)＝A10+A10x+A01y+A20x2+A11xy+A01y2-
A30x3+A21x2y+A12xy2+A33y3                                           (1)
如果砂、泥层内最小地应力均匀，可以忽略奇函数项，则缝内压力可以进一步简化为
Pn(x，y)＝A00+A20x2+A02y2                                           (2)
计算所得的裂缝宽度剖面如图4所示，图中标识出砂岩、泥岩。裂缝形状呈“S”状，砂岩层裂缝往地层内凹，泥岩层裂缝往地层内凸起，导致泥岩层段裂缝宽度很窄，平均缝宽1.4mm。相同缝内压力条件下的砂岩对应平均缝宽3.6mm。砂泥岩互层中泥岩段缝宽较砂岩平均缝宽降低61％。泥岩层的窄缝宽是导致砂堵的机理所在。据此提出砂泥岩薄互层储层压裂防砂堵砂比上限可用砂泥岩缝宽比来计算，即
Figure BSA00000623092000023
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1：水力裂缝的半边模型
图2：裂缝端部局部放大
图3：砂泥岩互层中的裂缝形状计算模型
图4：砂泥岩互层裂缝形状
图5：岩石非线性弹塑性应力应变关系
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现举例说明本发明的具体实施方式。
1.由岩石力学实验确定砂岩弹性模量、泊松比、断裂韧性及泥岩的弹性模量、泊松比、抗拉强度、弹塑性应力应变关系。例如某砂岩弹性模量E＝23GPa，泊松比v＝0.18，抗拉强度St＝4.7MPa，断裂韧性KIc＝19.5MPa·mm1/2；泥岩弹性模量E＝11GPa，泊松比v＝0.34，抗拉强度St＝10.5MPa，应力应变关系如图5所示。
2.查询或测量目标地层的地应力状态，例如两个水平主应力为46MPa、37MPa，上覆压力60MPa，孔隙压力28MPa。计算出最小有效地应力为37-28＝9MPa，最大有效地应力为46-28＝18MPa，上覆有效压力60-28＝32MPa。
3.建立如图1的水力裂缝的半边有限元数值模型。分别计算砂岩及泥岩中裂缝扩展所需的缝内净压力，此处分别是9MPa、11MPa。
4.确定排量：
Figure BSA00000623092000031
此处约为23％。
5.确定缝内压力的垂向分布。我们在砂岩中心位置处射孔，压力项A00等于井筒有效压力(井筒压力49-孔隙压力28＝21MPa)，A20＝0，泥岩中心处的净压力为泥岩层的扩展压力(11MPa)，由此得到压力分布Pn(y)＝21-9.33y2。
6.将计算裂缝宽度剖面看作平面应变问题，建立如图3所示的力学模型，模型尺寸为5m*5m，沿垂直方向划分3层泥岩夹2层砂岩，每层厚度1m，可以在通用有限元软件中完成。计算得到裂缝宽度剖面(图4)。此处泥岩层段平均缝宽1.4mm，相同缝内压力条件下的砂岩平均缝宽3.6mm。
7.
Figure BSA00000623092000032

Claims (3)

1.砂泥岩薄互层储层压裂裂缝扩展压力计算方法，其特征在于：砂泥岩薄互层中裂缝扩展压力由泥岩扩展压力确定，由于泥岩是塑性材料，扩展准则采用抗拉强度表征，而不能采用断裂韧性表征；根据对称性建立水力裂缝的半边有限元数值模型，模型左侧固定，模型右侧施加最大地应力，上下施加最小地应力，井筒及压裂裂缝内为压裂液；为考虑裂缝扩展到不同长度时的缝宽分布情况，计算模型的尺寸采用无量纲化形式，其中初始裂缝长度1000单位。
2.砂泥岩薄互层储层压裂施工排量的确定方法，其特征在于：高含泥地层的扩展压力较高，维持裂缝扩展需提供高的缝内净压力，需要提高排量以维持较高缝内净压力，与均匀
Figure FSA00000623091900011
Figure FSA00000623091900012
3.砂泥岩薄互层储层压裂临界砂比的确定方法，其特征在于：砂岩/泥岩薄互层中不可避免出现裂缝宽度分布的不均匀，泥岩层段裂缝宽度很窄，导致裂缝形态呈现类似“葫芦串”的形状，加砂过程中砂粒容易在喉结处聚集堵塞造成砂堵，据此提出砂比上限可用砂泥岩缝宽比来计算，即
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