CN113011071B - 多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法及系统，该方法通过建立天然裂缝滑移剪切套管模型；对所述天然裂缝滑移剪切套管模型进行有限元网格划分，代入裂缝角度、地层弹性模量、套管弹性模量或套管壁厚分别得到套管Mises应力曲线图；代入裂缝角度和滑移距离分别得到关于裂缝角度和滑移距离的套管变形失效的内径曲线图。本发明针对不同裂缝角度、不同地层性质对页岩气水平井套管失效的问题，借助有限元软件，通过有限元分析对页岩气水平井套管的剪切变形进行研究，分析不同角度裂缝滑移导致剪切套变卡阻桥塞的滑移极限，为钻井时尽量避开天然裂缝，保证水力压裂工作正常进行，减小水平井失效概率提供数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及页岩气勘探开采技术领域，尤其涉及一种多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法及系统。
背景技术
在页岩气勘探开采工作中，为了增加页岩气井产量，需要对水平井进行多级压裂，但这种工艺可能会使套管发生变形，导致页岩气井减产或中止开采。损坏的套管并未出现管壁破损，钻井液泄露等现象，根据多臂井径测井显示，损坏方式主要是套管剪切变形，损坏位置多数有天然裂缝发育。以位于四川威远地区的井组为例，根据现场资料，90口水平井压裂过程中发现套损井数量高达54口，单井套管变形点为1~3个，多数为剪切变形。套管损坏后，输送钻磨桥塞时下入遇阻，出现不能到达预定位置的现象，导致作业时间延长，甚至被迫放弃部分压裂段，影响页岩气井产量的同时也造成了巨大经济损失。
在页岩气开采的相关问题中，水平井压裂导致地层原始裂缝滑移引起套管剪切变形从而阻碍井下工具输送是一个关键问题。总体来看，目前对于多级压裂过程中，天然裂缝、断层滑移剪切套管的研究多侧重于固井阶段，而对套管自身载荷与变形的研究仍然较少。
专利公开号为CN112127800A的中国专利公开了一种降低套管剪切变形的套管装置及其使用方法，但该专利技术方案中仅记载了一种通过增加水泥环厚度，增设具有径向可压缩性的金属层和遇水膨胀层，可以有效防止或降低因地层滑移而引起的套管剪切变形的套管装置，而对于在页岩气勘探开采过程中所遇到的套管自身载荷与变形所造成的原因并没有进行分析与研究，仅通过增加水泥环厚度增设金属层和遇水膨胀层在天然裂缝、断层滑移情境下并不能对套管剪切变形进行预防。
因此，如何在压裂设计中快速判断天然裂缝滑移导致的水平井套管剪切变形情况是一个亟待解决的问题。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法及系统，旨在解决现有技术中对于在页岩气勘探开采过程中所遇到的套管自身载荷与变形所造成的原因并没有进行分析与研究的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法，包括以下步骤：
建立有限元三维地层剪切滑移模型；
根据所述有限元三维地层剪切滑移模型选取套管参数，建立天然裂缝滑移剪切套管模型；
对所述天然裂缝滑移剪切套管模型进行有限元网格划分，代入裂缝角度、地层弹性模量、套管弹性模量或套管壁厚分别计算Mises应力，得到套管Mises应力曲线图；
代入裂缝角度和滑移距离分别计算套管变形失效的内径，得到关于裂缝角度和滑移距离的套管变形失效的内径曲线图。
优选的，多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法，所述根据所述有限元三维地层剪切滑移模型选取套管参数，建立天然裂缝滑移剪切套管模型步骤，具体包括：
定义管道-水泥环-地层结合面紧密无损坏，选取套管参数在地层中设置滑移面模拟天然裂缝的剪切效果；
模拟井筒穿过天然裂缝，改变地层与套管的参数，形成不同角度裂缝滑移导致桥塞遇阻的天然裂缝滑移剪切套管模型。
优选的，多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法，所述对所述天然裂缝滑移剪切套管模型进行有限元网格划分步骤，具体为：
对套管-水泥环-地层几何模型进行外疏内密六面体类型单元的网格划分，并分别设置套管、水泥环和地层的网格尺寸。
优选的，多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法，所述代入裂缝角度、地层弹性模量、套管弹性模量或套管壁厚分别计算Mises应力，得到套管Mises应力曲线图步骤，具体包括：
代入裂缝角度计算套管变形时的Mises应力，得到套管Mises应力关于裂缝角度的变化曲线图；
代入不同区域、不同井地层弹性模量计算套管应力，得到套管Mises应力关于地层弹性模量的变化曲线图；
代入不同钢材制成套管的弹性模量计算套管应力，得到套管Mises应力关于套管钢材弹性模量的变化曲线图；
代入不同套管具有的不同套管壁厚计算套管应力，得到套管Mises应力关于套管壁厚的变化曲线图。
优选的，多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法，所述代入裂缝角度和滑移距离分别计算套管变形失效的内径，得到关于裂缝角度和滑移距离的套管变形失效的内径曲线图步骤，具体为：
代入不同地质井的多组天然裂缝角度和滑移量，计算不同角度下的天然裂缝的套管失效时滑移量，进而得到天然裂缝滑移致套管剪切变形失效时不同天然裂缝的滑移量。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟系统，包括以下模块：
第一构建模块，用于建立有限元三维地层剪切滑移模型；
第二构建模块，用于根据所述有限元三维地层剪切滑移模型选取套管参数，建立天然裂缝滑移剪切套管模型；
应力计算模块，用于对所述天然裂缝滑移剪切套管模型进行有限元网格划分，代入裂缝角度、地层弹性模量、套管弹性模量或套管壁厚分别计算Mises应力，得到套管Mises应力曲线图；
套管失效内径计算模块，用于代入裂缝角度和滑移距离分别计算套管变形失效的内径，得到关于裂缝角度和滑移距离的套管变形失效的内径曲线图。
优选的，多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟系统，所述第二构建模块，具体包括：
套管参数选取模块，用于定义管道-水泥环-地层结合面紧密无损坏，选取套管参数在地层中设置滑移面模拟天然裂缝的剪切效果；
参数调整模块，用于模拟井筒穿过天然裂缝，改变地层与套管的参数，形成不同角度裂缝滑移导致桥塞遇阻的天然裂缝滑移剪切套管模型。
优选的，多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟系统，所述应力计算模块包括：
网格划分模块，用于对套管-水泥环-地层几何模型进行外疏内密六面体类型单元的网格划分，并分别设置套管、水泥环和地层的网格尺寸。
优选的，多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法，所述应力计算模块，还包括：
裂缝角度-应力计算模块，用于代入裂缝角度计算套管变形时的Mises应力，得到套管Mises应力关于裂缝角度的变化曲线图；
地层弹性模量-应力计算模块，用于代入不同区域、不同井地层弹性模量计算套管应力，得到套管Mises应力关于地层弹性模量的变化曲线图；
套管钢材弹性模量-应力计算模块，用于代入不同钢材制成套管的弹性模量计算套管应力，得到套管Mises应力关于套管钢材弹性模量的变化曲线图；
套管壁厚-应力计算模块，用于代入不同套管具有的不同套管壁厚计算套管应力，得到套管Mises应力关于套管壁厚的变化曲线图。
优选的，多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法，所述套管失效内径计算模块，用于代入不同地质井多组天然裂缝角度和滑移量，计算不同角度下天然裂缝的套管失效时滑移量，得到天然裂缝滑移致套管剪切变形失效时不同天然裂缝的滑移量。
本发明中，通过建立天然裂缝滑移剪切套管模型；对所述天然裂缝滑移剪切套管模型进行有限元网格划分，代入裂缝角度、地层弹性模量、套管弹性模量或套管壁厚分别计算Mises应力，得到套管Mises应力曲线图；代入裂缝角度和滑移距离分别计算套管变形失效的内径，得到关于裂缝角度和滑移距离的套管变形失效的内径曲线图。本发明针对不同裂缝角度、不同地层性质对页岩气水平井套管失效的问题，借助有限元软件，通过有限元分析对页岩气水平井套管的剪切变形进行研究，分析不同角度裂缝滑移导致剪切套变卡阻桥塞的滑移极限，为钻井时尽量避开天然裂缝，保证水力压裂工作正常进行，减小水平井失效概率提供数据支撑。
附图说明
图1为本发明多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法第一实施例的流程示意图。
图2为本发明多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟系统第二实施例的流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，图1为本发明多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法第一实施例的流程示意图，提出本发明第一实施例。
在第一实施例中，一种多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法，包括以下步骤：
步骤S10：建立有限元三维地层剪切滑移模型；
步骤S20：根据所述有限元三维地层剪切滑移模型选取套管参数，建立天然裂缝滑移剪切套管模型；
步骤S30：对所述天然裂缝滑移剪切套管模型进行有限元网格划分，代入裂缝角度、地层弹性模量、套管弹性模量或套管壁厚分别计算Mises应力，得到套管Mises应力曲线图；
步骤S40：代入裂缝角度和滑移距离分别计算套管变形失效的内径，得到关于裂缝角度和滑移距离的套管变形失效的内径曲线图。
需要理解的是，根据所述有限元三维地层剪切滑移模型选取套管参数，建立天然裂缝滑移剪切套管模型步骤，具体包括：
步骤S201：定义管道-水泥环-地层结合面紧密无损坏，选取套管参数在地层中设置滑移面模拟天然裂缝的剪切效果；
步骤S202：模拟井筒穿过天然裂缝，改变地层与套管的参数，形成不同角度裂缝滑移导致桥塞遇阻的天然裂缝滑移剪切套管模型。
需要理解的是，对所述天然裂缝滑移剪切套管模型进行有限元网格划分步骤，具体为：对套管-水泥环-地层几何模型进行外疏内密六面体类型单元的网格划分，并分别设置套管、水泥环和地层的网格尺寸。
需要理解的是，代入裂缝角度、地层弹性模量、套管弹性模量或套管壁厚分别计算Mises应力，得到套管Mises应力曲线图步骤，具体包括：
步骤S301：代入裂缝角度计算套管变形时的Mises应力，得到套管Mises应力关于裂缝角度的变化曲线图；
步骤S301：代入不同区域、不同井地层弹性模量计算套管应力，得到套管Mises应力关于地层弹性模量的变化曲线图；
步骤S301：代入不同钢材制成套管的弹性模量计算套管应力，得到套管Mises应力关于套管钢材弹性模量的变化曲线图；
步骤S301：代入不同套管具有的不同套管壁厚计算套管应力，得到套管Mises应力关于套管壁厚的变化曲线图。
需要理解的是，代入裂缝角度和滑移距离分别计算套管变形失效的内径，得到关于裂缝角度和滑移距离的套管变形失效的内径曲线图步骤，具体为：代入不同地质井的多组天然裂缝角度和滑移量，计算不同角度下的天然裂缝的套管失效时滑移量，进而得到天然裂缝滑移致套管剪切变形失效时不同天然裂缝的滑移量。
参照图2，图2为本发明第二实施例的流程示意图，提出本发明多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法第二实施例。
在第二实施例中，多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟系统，包括以下模块：
第一构建模块，用于建立有限元三维地层剪切滑移模型；
第二构建模块，用于根据所述有限元三维地层剪切滑移模型选取套管参数，建立天然裂缝滑移剪切套管模型；
应力计算模块，用于对所述天然裂缝滑移剪切套管模型进行有限元网格划分，代入裂缝角度、地层弹性模量、套管弹性模量或套管壁厚分别计算Mises应力，得到套管Mises应力曲线图；
套管失效内径计算模块，用于代入裂缝角度和滑移距离分别计算套管变形失效的内径，得到关于裂缝角度和滑移距离的套管变形失效的内径曲线图。
需要理解的是，多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟系统，所述第二构建模块，具体包括：
套管参数选取模块，用于定义管道-水泥环-地层结合面紧密无损坏，选取套管参数在地层中设置滑移面模拟天然裂缝的剪切效果；
参数调整模块，用于模拟井筒穿过天然裂缝，改变地层与套管的参数，形成不同角度裂缝滑移导致桥塞遇阻的天然裂缝滑移剪切套管模型。
需要理解的是，多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟系统，所述应力计算模块包括：
网格划分模块，用于对套管-水泥环-地层几何模型进行外疏内密六面体类型单元的网格划分，并分别设置套管、水泥环和地层的网格尺寸。
需要理解的是，多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法，所述应力计算模块，还包括：
裂缝角度-应力计算模块，用于代入裂缝角度计算套管变形时的Mises应力，得到套管Mises应力关于裂缝角度的变化曲线图；
地层弹性模量-应力计算模块，用于代入不同区域、不同井地层弹性模量计算套管应力，得到套管Mises应力关于地层弹性模量的变化曲线图；
套管钢材弹性模量-应力计算模块，用于代入不同钢材制成套管的弹性模量计算套管应力，得到套管Mises应力关于套管钢材弹性模量的变化曲线图；
套管壁厚-应力计算模块，用于代入不同套管具有的不同套管壁厚计算套管应力，得到套管Mises应力关于套管壁厚的变化曲线图。
需要理解的是，多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法，所述套管失效内径计算模块，用于代入不同地质井多组天然裂缝角度和滑移量，计算不同角度下天然裂缝的套管失效时滑移量，得到天然裂缝滑移致套管剪切变形失效时不同天然裂缝的滑移量。
在本实施例中，通过建立天然裂缝滑移剪切套管模型；对所述天然裂缝滑移剪切套管模型进行有限元网格划分，代入裂缝角度、地层弹性模量、套管弹性模量或套管壁厚分别计算Mises应力，得到套管Mises应力曲线图；代入裂缝角度和滑移距离分别计算套管变形失效的内径，得到关于裂缝角度和滑移距离的套管变形失效的内径曲线图。进而能够在压裂设计中快速判断天然裂缝滑移导致的水平井套管剪切变形情况，获得与水平井套管剪切变形有关变化的参数，通过优化来有效避免天然裂缝滑移导致的套管剪切变形：
1）水力压裂作用下的人工裂缝扩张从而挤压地层导致天然裂缝滑移，使套管发生剪切变形并产生应力集中。随着裂缝滑移量的增加，套管剪切变形越剧烈，通径越小，应力集中越大，当变形至一定程度后会卡阻井下工具（桥塞），增长施工时间，若无法修复则会使该压裂段失效，页岩气井减产。 2）套管应力集中区域的应力只与自身材料和变形大小有关，与地层弹性模量无关，套管弹性模量越大，所受应力越大，同时壁厚越小，所受应力也越大。 3）在0°~90°范围内，随着裂缝夹角的增加，套管所受应力越大，套管变形后通径越小，当裂缝与套管垂直时，套管变形最为显著。 4）在地质设计阶段详细勘测地下天然裂缝发育情况，并根据不同井的地质环境特点优化钻井和压裂设计，可以有效避免天然裂缝滑移导致的套管剪切变形。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括....个限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立有限元三维地层剪切滑移模型；
根据所述有限元三维地层剪切滑移模型选取套管参数，建立天然裂缝滑移剪切套管模型；
对所述天然裂缝滑移剪切套管模型进行有限元网格划分，代入裂缝角度、地层弹性模量、套管弹性模量或套管壁厚分别计算Mises应力，得到套管Mises应力曲线图；
所述代入裂缝角度、地层弹性模量、套管弹性模量或套管壁厚分别计算Mises应力，得到套管Mises应力曲线图步骤，具体包括：
代入裂缝角度计算套管变形时的Mises应力，得到套管Mises应力关于裂缝角度的变化曲线图；
代入不同区域、不同井地层弹性模量计算套管应力，得到套管Mises应力关于地层弹性模量的变化曲线图；
代入不同钢材制成套管的弹性模量计算套管应力，得到套管Mises应力关于套管钢材弹性模量的变化曲线图；
代入不同套管具有的不同套管壁厚计算套管应力，得到套管Mises应力关于套管壁厚的变化曲线图；
代入裂缝角度和滑移距离分别计算套管变形失效的内径，得到关于裂缝角度和滑移距离的套管变形失效的内径曲线图；
所述代入裂缝角度和滑移距离分别计算套管变形失效的内径，得到关于裂缝角度和滑移距离的套管变形失效的内径曲线图步骤，具体为：
代入不同地质井的多组天然裂缝角度和滑移量，计算不同角度下的天然裂缝的套管失效时内径，进而得到天然裂缝滑移致套管剪切变形失效时不同天然裂缝的滑移量。
2.如权利要求1所述的多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法，其特征在于，所述根据所述有限元三维地层剪切滑移模型选取套管参数，建立天然裂缝滑移剪切套管模型步骤，具体包括：
定义管道-水泥环-地层结合面紧密无损坏，选取套管参数在地层中设置滑移面模拟天然裂缝的剪切效果；
模拟井筒穿过天然裂缝，改变地层与套管的参数，形成不同角度裂缝滑移导致桥塞遇阻的天然裂缝滑移剪切套管模型。
3.如权利要求1所述的多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟方法，其特征在于，所述对所述天然裂缝滑移剪切套管模型进行有限元网格划分步骤，具体为：
对套管-水泥环-地层几何模型进行外疏内密六面体类型单元的网格划分，并分别设置套管、水泥环和地层的网格尺寸。
4.多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟系统，其特征在于，包括以下模块：
第一构建模块，用于建立有限元三维地层剪切滑移模型；
第二构建模块，用于根据所述有限元三维地层剪切滑移模型选取套管参数，建立天然裂缝滑移剪切套管模型；
应力计算模块，用于对所述天然裂缝滑移剪切套管模型进行有限元网格划分，代入裂缝角度、地层弹性模量、套管弹性模量或套管壁厚分别计算Mises应力，得到套管Mises应力曲线图；
所述应力计算模块，还包括：
裂缝角度-应力计算模块，用于代入裂缝角度计算套管变形时的Mises应力，得到套管Mises应力关于裂缝角度的变化曲线图；
地层弹性模量-应力计算模块，用于代入不同区域、不同井地层弹性模量计算套管应力，得到套管Mises应力关于地层弹性模量的变化曲线图；
套管钢材弹性模量-应力计算模块，用于代入不同钢材制成套管的弹性模量计算套管应力，得到套管Mises应力关于套管钢材弹性模量的变化曲线图；
套管壁厚-应力计算模块，用于代入不同套管具有的不同套管壁厚计算套管应力，得到套管Mises应力关于套管壁厚的变化曲线图；
套管失效内径计算模块，用于代入裂缝角度和滑移距离分别计算套管变形失效的内径，得到关于裂缝角度和滑移距离的套管变形失效的内径曲线图；
所述套管失效内径计算模块，用于代入不同地质井多组天然裂缝角度和滑移量，计算不同角度下天然裂缝的套管失效时内径，得到天然裂缝滑移致套管剪切变形失效时不同天然裂缝的滑移量。
5.如权利要求4所述的多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟系统，其特征在于，所述第二构建模块，具体包括：
套管参数选取模块，用于定义管道-水泥环-地层结合面紧密无损坏，选取套管参数在地层中设置滑移面模拟天然裂缝的剪切效果；
参数调整模块，用于模拟井筒穿过天然裂缝，改变地层与套管的参数，形成不同角度裂缝滑移导致桥塞遇阻的天然裂缝滑移剪切套管模型。
6.如权利要求4所述的多级压裂下天然裂缝滑移剪切页岩气水平井套管变形模拟系统，其特征在于，所述应力计算模块包括：
网格划分模块，用于对套管-水泥环-地层几何模型进行外疏内密六面体类型单元的网格划分，并分别设置套管、水泥环和地层的网格尺寸。
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