CN112127879A - 天然裂缝页岩地层水力压裂水平井井筒套变风险判断方法 - Google Patents

天然裂缝页岩地层水力压裂水平井井筒套变风险判断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开天然裂缝页岩地层水力压裂水平井井筒套变风险判断方法，属于页岩气压裂技术领域。本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出天然裂缝页岩地层水力压裂水平井井筒套变风险判断方法，包括：获取目标工区的地应力、岩石力学参数、天然裂缝产状、井筒参数；分别建立裂缝未完全撑开‑套管系统受力计算模型、裂缝完全撑开‑套管系统受力计算模型；判断裂缝状态并计算井筒所受剪应力；最后根据井筒参数和井筒所受剪应力进行比较，从而判断井筒是否存在套变风险。本发明可以快速预判水平井套变风险，在判断套变风险较高的地区，可以考虑采用优化井筒方位、加强固井质量、适当降低排量、采用暂堵技术等措施合理控制缝内流体压力降低套变风险。

Description

天然裂缝页岩地层水力压裂水平井井筒套变风险判断方法
技术领域
本发明涉及天然裂缝页岩地层水力压裂水平井井筒套变风险判断方法，属 于页岩气压裂技术领域。
背景技术
页岩气压裂过程中，套管变形(以下简称套变)会影响井筒完整性、阻碍 井下工具下放、降低压裂分段有效性、甚至导致部分压裂段放弃改造，已成为 影响页岩气压裂开发的重要因素之一。
许多学者就套变问题开展了研究，目前认为裂缝滑移剪切井筒，井筒管壁 屈服挤毁，以及热应力是引起套变的几类主要因素。关于裂缝滑移剪切井筒导 致套变的研究，廖仕孟等，陈朝伟等，李留伟等统计了现场测井以及施工数据， 分析了长宁、威远、以及昭通等区块套变井特征，认为断层、天然裂缝发育区 域发生套变概率较高，断层滑移剪切是导致该地区套变的主要因素。高利军等、 付盼等、Lian等、Yin等、Xi等利用数模软件分析了压裂破碎带、地层滑移、 固井情况、天然裂缝对于套变的影响。付盼等、王向阳等基于大物模实验装置 分析了天然裂缝参数对于套变的影响；关于井筒管壁屈服挤毁以及热应力导致套变的研究主要从理论方面展开，赵均海等，林元华等基于统一强度理论分析 了套管的抗挤强度以及全管壁屈服挤毁压力。刘建中等建立复合力学模型研究 了套变的临界压力以及变形区的应力分布。于浩等利用数模软件分析了地应力 和岩石强度对套管失效的影响。刘奎等基于复变函数方法研究了压裂过程中温 度-压力变化对于井筒完整性的影响。Yan等利用数模软件分析了压裂过程中温 度变化导致的固井缺陷对于套变的影响。综上所述，前人多采用数模软件对套 变现象开展相关研究，而对于压裂过程中套管受力以及破坏机理认识则相对不 足。
此外，现场压裂改造需要一种能够快速对套变风险进行判断的方法，而数 模方法存在建模复杂、计算速度慢的限制。
发明内容
本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出天然裂缝页岩地层水力压 裂水平井井筒套变风险判断方法。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：天然裂缝页岩地层水力压 裂水平井井筒套变风险判断方法，包括以下步骤：
步骤一、获取目标工区的地应力、天然裂缝产状、井筒参数、缝内流体压 力pf，再根据地应力分别计算地应力在y方向的上的剪应力τxy、地应力在x方 向的上的正应力σx；
步骤二、分别建立裂缝未完全撑开-套管系统受力计算模型、裂缝完全撑开- 套管系统受力计算模型；
步骤三、根据缝内流体压力pf和地应力在x方向的上的正应力σx判断裂缝 状态，若pf≤σx，则裂缝属于未完全撑开状态；若pf＞σx，则裂缝属于完全撑 开状态；
步骤四、根据裂缝状态选择裂缝未完全撑开-套管系统受力计算模型、裂缝 完全撑开-套管系统受力计算模型计算得到井筒所受剪应力τc；
步骤五、最后根据步骤一的井筒参数和步骤三计算得到的井筒所受剪应力τc进行比较，从而判断井筒是否存在套变风险。
进一步的技术方案是，所述步骤一中地应力在y方向的上的剪应力τxy的计 算公式如下：
Figure BDA0002697338240000031
式中：τxy为地应力在y方向的上的剪应力，MPa；σH为最大水平主应力， MPa；σh为最小水平主应力，MPa；θ为最大水平主应力方向沿顺时针方向与裂 缝面夹角，°；σx为地应力在x方向的上的正应力，MPa。
进一步的技术方案是，所述井筒参数包括套管内径r1、套管外径r2、裸眼井 径R、套管抗剪强度。
进一步的技术方案是，所述裂缝未完全撑开-套管系统受力计算模型为：
Figure BDA0002697338240000032
Figure BDA0002697338240000033
fmax＝μσnAf
式中：τxy为地应力在y方向的上的剪应力，MPa；τc为井筒所受剪应力， MPa；Af为裂缝面积，m2；Ac为裂缝面上套管与水泥环围成的椭圆环面积，m2； θ为最大水平主应力方向沿顺时针方向与裂缝面夹角，°；r1为套管内径，mm； R为钻入油层钻头直径，mm；α为最大水平主应力方向沿顺时针方向与水平井 筒夹角，°；fmax为裂缝面最大静摩擦力，106N；σn为裂缝面上基岩接触正应力， MPa；μ为裂缝面摩擦系数，无因次。
进一步的技术方案是，所述裂缝完全撑开-套管系统受力计算模型为：
Figure BDA0002697338240000034
Figure BDA0002697338240000035
式中：τxy为地应力在y方向的上的剪应力，MPa；τc为井筒所受剪应力，MPa；Af为裂缝面积，m2；Ac为裂缝面上套管与水泥环围成的椭圆环面积，m2； θ为最大水平主应力方向沿顺时针方向与裂缝面夹角，°；r1为套管内径，mm； R为裸眼井径，mm；α为最大水平主应力方向沿顺时针方向与水平井筒夹角，°。
进一步的技术方案是，所述步骤四中将步骤三计算得到的井筒所受剪应力τc与步骤一井筒参数中的套管抗剪强度进行比较，若井筒所受剪应力τc小于或等于 套管抗剪强度，则不存在套变风险，若井筒所受剪应力τc大于套管抗剪强度，则 存在套变风险。
本发明具有以下有益效果：本发明可以快速预判水平井套变风险，在判断 套变风险较高的地区，可以考虑采用优化井筒方位、加强固井质量、适当降低 排量、采用暂堵技术等措施合理控制缝内流体压力降低套变风险。
附图说明
图1为地层-裂缝-套管系统受力图；
图2为受力单元体应力分析示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。
本发明的天然裂缝页岩地层水力压裂水平井井筒套变风险判断方法，包括 以下步骤：
步骤S10、获取目标工区的最小水平主应力σh、最大水平主应力σH、套管 内径r1、套管外径r2、裸眼井径R、套管抗剪强度、天然裂缝缝长、天然裂缝缝 高、最大水平主应力方向(oe方向)沿顺时针方向与裂缝面夹角θ、最大水平主 应力方向(oe方向)沿顺时针方向与水平井筒夹角α、缝内流体压力pf、裂缝面 上基岩接触正应力σn；
步骤S20、再根据以下公式分别计算地应力在y方向的上的剪应力τxy、地 应力在x方向的上的正应力σx：
Figure BDA0002697338240000051
式中：τxy为地应力在y方向的上的剪应力，MPa；σH为最大水平主应力， MPa；σh为最小水平主应力，MPa；θ为最大水平主应力方向沿顺时针方向与裂 缝面夹角，°；σx为地应力在x方向的上的正应力，MPa；
步骤S30、分别建立裂缝未完全撑开-套管系统受力计算模型、裂缝完全撑 开-套管系统受力计算模型；
其中所述裂缝未完全撑开-套管系统受力计算模型为：
Figure BDA0002697338240000052
Figure BDA0002697338240000053
fmax＝μσnAf
式中：τxy为地应力在y方向的上的剪应力，MPa；τc为井筒所受剪应力， MPa；Af为裂缝面积，m2；Ac为裂缝面上套管与水泥环围成的椭圆环面积，m2； θ为最大水平主应力方向沿顺时针方向与裂缝面夹角，°；r1为套管内径，mm； R为钻入油层钻头直径，mm；α为最大水平主应力方向沿顺时针方向与水平井 筒夹角，°；fmax为裂缝面最大静摩擦力，106N；σn为裂缝面上基岩接触正应力， MPa；μ为裂缝面摩擦系数，无因次；
所述裂缝完全撑开-套管系统受力计算模型为：
Figure BDA0002697338240000054
Figure BDA0002697338240000055
式中：τxy为地应力在y方向的上的剪应力，MPa；τc为井筒所受剪应力， MPa；Af为裂缝面积，m2；Ac为裂缝面上套管与水泥环围成的椭圆环面积，m2； θ为最大水平主应力方向沿顺时针方向与裂缝面夹角，°；r1为套管内径，mm； R为裸眼井径，mm；α为最大水平主应力方向沿顺时针方向与水平井筒夹角，°；
步骤S40、根据缝内流体压力pf和地应力在x方向的上的正应力σx判断裂缝 状态，若pf≤σx，则裂缝属于未完全撑开状态；若pf＞σx，则裂缝属于完全撑 开状态；
步骤S50、再根据裂缝状态选择裂缝未完全撑开-套管系统受力计算模型、 裂缝完全撑开-套管系统受力计算模型计算得到井筒所受剪应力τc；
步骤S60、最后将井筒所受剪应力τc与套管抗剪强度进行比较；
若井筒所受剪应力τc小于或等于套管抗剪强度，则不存在套变风险；
若井筒所受剪应力τc大于套管抗剪强度，则存在套变风险。
其中本发明中的计算模型的具体过程如下：
如图1所示，垂直方向上，由于天然裂缝为垂直缝，裂缝面平行于垂向应 力方向，地应力在裂缝面上无垂向剪应力分量，因此可以不考虑垂向上的裂缝 滑移以及垂向应力对裂缝的影响。水平方向上，裂缝面与水平主应力可能存在 夹角，裂缝在某些条件下可能发生滑移。因此，选取一套管与地层组合的立方 体受力分析单元(图1.a)开展受力分析，该受力分析单元的俯视图(受力分析 单元的四个侧面由a'，b'，c'，d'四条虚线表示)以及平面所受应力如图1.b所 示，图中x轴方向垂直于裂缝面，y轴方向平行于天然裂缝面。
压裂施工前，基于平面应力分析，可以计算地应力在受力分析单元各个面 上的正应力与剪应力。其中，x方向的正应力与y方向的剪应力分别为：
Figure BDA0002697338240000071
式中：σx为地应力在x方向的上的正应力，MPa；τxy为地应力在y方向的 上的剪应力，MPa；σH、σh分别为最大、最小水平主应力，MPa。
(1)裂缝未完全撑开-套管系统受力计算模型
压裂施工时，压裂液进入并支撑天然裂缝。当裂缝未被完全撑开时，裂缝 面在x方向上受基岩接触正应力以及压裂液流体压力，在y方向上受到裂缝面 摩擦力以及可能受到井筒抵抗裂缝滑移的剪应力(图2.a)。假设受力分析单元 静止，基于静力平衡，在x方向上有：
σxAf+τyxAf＝pfAf+σnAf+τyxAf
在y方向上可建立力平衡关系：
σyAf+τxyAf＝σyAf+f+τcAc
式中：Af为裂缝面积，m2；pf为裂缝内流体压力，MPa；σn为裂缝面上基 岩接触正应力，MPa；f为裂缝面实际摩擦力，106N；τc为井筒需要承受的剪应 力，MPa；Ac为裂缝面上套管与水泥环围成的椭圆环面积，m2；
当裂缝面最大静摩擦力大于地层在y方向上(b'面)所受的剪力时，由式可 知，裂缝面实际摩擦力等于地层剪力。由于固井前井眼周围应力已经完全释放， 并忽略固井水泥凝固的附加应力，当前条件下井筒受到地层的剪应力为零。
当裂缝面最大静摩擦力小于地层在y方向上所受的剪力时，若地层内无井 筒存在，地层会沿裂缝面发生滑移。当井筒存在时，井筒会承受一部分剪力以 抵抗地层滑移，此时裂缝面实际摩擦力为最大静摩擦力fmax。因此，由式可以计 算当前条件下井筒需要承受的剪应力(以下简称井筒剪应力)：
Figure BDA0002697338240000081
式中：fmax为裂缝面最大静摩擦力，106N；
fmax可以采用裂缝面摩擦系数计算，在较高有效正应力作用下(≥10MPa)， 裂缝面摩擦系数可以取0.6～1：
fmax＝μσnAf
式中：μ为裂缝面摩擦系数，无因次。
当裂缝几何参数(裂缝面积，产状)一定时，假设受力分析单元不发生移 动，由式、可以建立裂缝内流体压力与裂缝面上各力的关系，如图2所示。随 着缝内流体压力pf增加，裂缝面可产生的最大静摩擦力fmax线性递减，裂缝面实 际摩擦力f等于地层在y方向上所受的剪力τxyAf，此时井筒需要承受的剪力为零。 当fmax递减至等于τxyAf后，井筒需要承担一部分剪力τcAc以保持受力分析单元静 止，此时裂缝面实际摩擦力等于裂缝面最大静摩擦力；当pf增加至等于σx时， 裂缝被压裂液完全撑开，裂缝面上岩体不再接触，摩擦力为零，此时井筒需要 承受剪应力等于τxyAf。
(2)裂缝完全撑开-套管系统受力计算模型
当天然裂缝被压裂液完全撑开时，基质岩体不再接触(图2.b)，裂缝面在 x方向上只受裂缝内流体压力，在y方向上裂缝面摩擦力为零，地层剪应力由井 筒承受。因此，由式可以计算当前条件下井筒剪应力为：
Figure BDA0002697338240000082
上式中，Ac为裂缝面上套管与水泥环围成的椭圆环面积，m2，其计算公式 如下：
Figure BDA0002697338240000083
式中：τxy为地应力在y方向的上的剪应力，MPa；τc为井筒所受剪应力， MPa；Af为裂缝面积，m2；Ac为裂缝面上套管与水泥环围成的椭圆环面积，m2； θ为最大水平主应力方向沿顺时针方向与裂缝面夹角，°；r1为套管内径，mm； R为裸眼井径，mm；α为最大水平主应力方向沿顺时针方向与水平井筒夹角，°。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实 施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离 本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等 同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技 术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明 技术方案的范围内。

Claims (6)

1.天然裂缝页岩地层水力压裂水平井井筒套变风险判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取目标工区的地应力、天然裂缝产状、井筒参数、缝内流体压力pf，再根据地应力分别计算地应力在y方向的上的剪应力τxy、地应力在x方向的上的正应力σx；
步骤二、分别建立裂缝未完全撑开-套管系统受力计算模型、裂缝完全撑开-套管系统受力计算模型；
步骤三、根据缝内流体压力pf和地应力在x方向的上的正应力σx判断裂缝状态，若pf≤σx，则裂缝属于未完全撑开状态；若pf＞σx，则裂缝属于完全撑开状态；
步骤四、根据裂缝状态选择裂缝未完全撑开-套管系统受力计算模型、裂缝完全撑开-套管系统受力计算模型计算得到井筒所受剪应力τc；
步骤五、最后根据步骤一的井筒参数和步骤三计算得到的井筒所受剪应力τc进行比较，从而判断井筒是否存在套变风险。
2.根据权利要求1所述的天然裂缝页岩地层水力压裂水平井井筒套变风险判断方法，其特征在于，所述步骤一中计算地应力在y方向的上的剪应力τxy、地应力在x方向的上的正应力σx的计算公式如下：
Figure FDA0002697338230000011
式中：τxy为地应力在y方向的上的剪应力，MPa；σH为最大水平主应力，MPa；σh为最小水平主应力，MPa；θ为最大水平主应力方向沿顺时针方向与裂缝面夹角，°；σx为地应力在x方向的上的正应力，MPa。
3.根据权利要求1所述的天然裂缝页岩地层水力压裂水平井井筒套变风险判断方法，其特征在于，所述井筒参数包括套管内径r1、套管外径r2、裸眼井径R、套管抗剪强度。
4.根据权利要求3所述的天然裂缝页岩地层水力压裂水平井井筒套变风险判断方法，其特征在于，所述裂缝未完全撑开-套管系统受力计算模型为：
Figure FDA0002697338230000021
Figure FDA0002697338230000022
fmax＝μσnAf
式中：τxy为地应力在y方向的上的剪应力，MPa；τc为井筒所受剪应力，MPa；Af为裂缝面积，m2；Ac为裂缝面上套管与水泥环围成的椭圆环面积，m2；θ为最大水平主应力方向沿顺时针方向与裂缝面夹角，°；r1为套管内径，mm；R为钻入油层钻头直径，mm；α为最大水平主应力方向沿顺时针方向与水平井筒夹角，°；fmax为裂缝面最大静摩擦力，106N；σn为裂缝面上基岩接触正应力，MPa；μ为裂缝面摩擦系数，无因次。
5.根据权利要求3所述的天然裂缝页岩地层水力压裂水平井井筒套变风险判断方法，其特征在于，所述裂缝完全撑开-套管系统受力计算模型为：
Figure FDA0002697338230000023
Figure FDA0002697338230000024
式中：τxy为地应力在y方向的上的剪应力，MPa；τc为井筒所受剪应力，MPa；Af为裂缝面积，m2；Ac为裂缝面上套管与水泥环围成的椭圆环面积，m2；θ为最大水平主应力方向沿顺时针方向与裂缝面夹角，°；r1为套管内径，mm；R为裸眼井径，mm；α为最大水平主应力方向沿顺时针方向与水平井筒夹角，°。
6.根据权利要求4或5所述的天然裂缝页岩地层水力压裂水平井井筒套变风险判断方法，其特征在于，所述步骤四中将步骤三计算得到的井筒所受剪应力τc与步骤一井筒参数中的套管抗剪强度进行比较，若井筒所受剪应力τc小于或等于套管抗剪强度，则不存在套变风险，若井筒所受剪应力τc大于套管抗剪强度，则存在套变风险。
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