CN113107362B - 一种促进裂隙错动提升自支撑能力的立井施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种促进裂隙错动提升自支撑能力的立井施工方法，适用于油气井致裂增透时使用。首先储层参数探测，获取储层目标开采层段的岩石力学参数、地应力参数；立井施工，立井轴向垂直于最大与最小水平主应力方向所在平面；射孔造缝，利用射孔枪进行聚能射孔造缝，射孔方向为与最大水平主应力方向呈夹角；扩缝压裂，利用水力压裂对射孔裂缝进行扩缝压裂，使之相互连通形成扁平状裂缝面；裂缝错动自支撑，利用高能气体燃爆技术促进裂缝剪切错动滑移，构建立体自支撑裂缝网络。通过对射孔造缝方向的选择，利用储层原岩应力场作用，使裂缝面最大程度地发生错动滑移，从而实现自支撑效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种立井施工方法，尤其适用于油气井致裂增透时使用的一种促进裂隙错动提升自支撑能力的立井施工方法。
背景技术
煤层气藏、致密砂岩气藏、页岩气藏等非常规气藏的探勘开发已经成为热点。非常规油气藏储层具有埋藏深、闭合压力大、渗透率低等特点，为充分挖掘储层潜能，建立相互连通的裂缝网络是关键。然而，人工产生的裂缝在闭合压力的作用下，可能会重新闭合。为此，国内外学者对自支撑压裂增产理论进行了研究，自支撑压裂施工中不使用或者使用少量的支撑剂，直接产生裂缝，裂缝面在剪切应力作用下发生错动滑移，由于裂缝断面往往呈现不规则的凹凸形态，错动后的裂缝上下断面的微凸点能够起到相互支撑的效果，有效提高裂缝的导流能力。
研究地下岩体的裂缝自支撑特性，必须考虑地下岩体中存在的三个主地应力，即最大水平主应力、最小水平主应力、垂直主应力，三个主地应力在方向上两两相互垂直。研究指出，采取人工压裂措施产生的裂缝，其扩展路径受储层原岩地应力场的影响。比如，水力压裂裂缝易沿垂直于最小水平主应力的方向扩展，即最大水平主应力方向的平行方向往往是裂缝集中延展的方向。但是此方向下多产生拉张型破坏，与自支撑所需要的滑开型裂纹不相符，不能够产生足够的错动滑移量，撤去压裂措施后不利于水力裂缝的自支撑。
错动滑移量的增加、自支撑的裂缝数量增加，对提高裂缝的导流能力具有积极作用。为此，从促进裂隙错动的角度出发，需要研究人工造缝时裂缝面与三大主地应力之间的角度关系，以期在原岩地应力场的作用下保证裂缝的错动滑移量，进而提升裂缝网络的自支撑能力。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种促进裂隙错动提升自支撑能力的立井施工方法，从促进裂隙错动的角度出发，需要研究人工造缝时裂缝面与三大主地应力之间的角度关系，以期在原岩地应力场的作用下保证裂缝的错动滑移量，进而提升裂缝网络的自支撑能力。
为达到上述目的，本发明促进裂缝错动提升自支撑能力的立井施工方法，其步骤为：
a首先进行储层参数探测：通过探测获取储层目标开采层段的岩石力学参数、地应力参数，从而确定聚能射孔造缝的水平射孔方向参数；其中岩石力学参数包括弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力，地应力参数包括垂直主应力、最大水平主应力和最小水平主应力的大小与方向；
b施工立井：于地表下钻立井至储层目标开采区域，立井井段轴向垂直于最大与最小水平主应力方向所在平面；
c利用射孔枪在立井中进行聚能射孔造缝，沿立井的钻进方向垂直布置一列射孔，每个射孔的方向均与目标开采区域内最大水平主应力方向呈夹角，射孔孔径为5-7cm，产生射孔间距为20cm的裂缝簇；
d回收射孔枪并对立井进行封孔，利用水力压裂技术向立井中注入压裂液进一步对射孔造缝形成的裂缝进行扩缝压裂，从而使扩缝后的射孔造缝之间相互连通，形成沿射孔裂缝方向的扁平状裂缝面；
e裂缝错动自支撑：利用高能气体燃爆压裂技术促进裂缝剪切错动滑移，构建出立体自支撑裂缝网络。
根据不同井深处主应力分布差异对目标开采层段进行区域划分，各主应力大小变化小于5MPa、主应力方向变化角度小于5°的空间范围划分为一个目标开采区域，然后根据当前的目标开采区域的最大水平主应力方向设置射孔，施工射孔时采用后退式分段射孔方法，直至完成全层段的射孔造缝作业，从而保证立井在不同深度所生成的立体自支撑裂缝网络始终保持最佳效果。
裂缝的张开程度与裂缝短轴方向上有效压应力线性负相关，而裂缝短轴方向上有效压应力与主应力和裂缝面角度有关，推导过程如下：
首先利用式(1)计算裂缝的张开程度为：
式中e0为水力压裂扩缝措施作用下裂缝长短轴之比，e为水力压裂措施撤去后，原岩地应力作用下压缩后的裂缝长短轴之比，完全闭合时取0；υ为泊松比；E为弹性模量，单位为MPa；σep为水力压裂措施撤去后，原岩地应力作用下裂缝短轴方向上有效压应力，单位为MPa。
由式(1)可知，e0-e越大则裂缝在σep的作用下越容易闭合；
在原岩地应力场中，裂缝短轴有效正应力为：
式中σH为最大水平主应力；σh为最小水平主应力；σv为垂直主应力；α为裂缝面与最大水平主应力的夹角，α∈[0°，90°]；β为裂缝面法向与垂直主应力的夹角，β∈[0°，90°]；
已知f(α)＝cos2α在区间[0°，90°]上单调递减，分别将区间左右端点值代入式(1)，可得
由于σH﹥σh，所以有(e0-e)90°﹥(e0-e)0°，
当α＝0°时，裂缝张开程度最大，即裂缝沿着最大水平主应力方向扩展，此时式(2)化简为：
σep＝σhsin2β+σvcos2β (4)
由于σv﹥σh，所以当β＝90°时，σep取最小值，数值上等于最小水平主应力。
采用摩尔-库伦破坏准则求解裂缝面的极限剪应力，然后根据线弹性理论在平面应力状态下计算岩石受最大水平主应力和最小水平主应力，作用在裂缝面上的有效应力和剪切应力，从而推断出极限剪应力与最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的剪切应力之差越大表示剪切破坏越易发生，裂缝面错动滑移量越大，最终获得当时，裂缝面错动程度最大，α为射孔造缝的裂缝角度，/>为岩石内摩擦角。
具体来说：
在剪应力作用下，裂纹表面互相滑移产生剪切型裂纹，采用摩尔-库伦破坏准则研究剪应力作用下的裂缝面的错动，当作用于岩体裂缝面上的剪应力τ超过岩体所能承受的极限剪应力τf，剪切破坏发生，即破坏准则为：
τ≥τf (5)
利用式(6)求解极限剪应力τf是关于有效应力σep的函数：
式中τf为极限剪应力；为岩石内摩擦角；c为岩石黏聚力；
根据线弹性理论，平面应力状态下，岩石受最大水平主应力σH和最小水平主应力σh，作用在裂缝面上的有效应力σep和剪切应力τ分别为：
式中，σep为最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的法向应力，即β＝90°时的有效应力；τ为最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的剪切应力；
将式(5)(6)(7)(8)联立：
令δ＝τ-τf，可知δ越大表示剪切破坏越易发生，裂缝面错动滑移量越大；
由于最大水平主应力σH、最小水平主应力σh、岩石内摩擦角岩石黏聚力c是可测得的，均为已知量，故错动滑移量δ是关于夹角α的函数，定义有：
其中，常量常量/>
利用辅助角公式
其中，常量
由正弦函数性质，可得，当k∈Z时，函数δ(α)取得最大值。
因为射孔造缝的裂缝角度α∈[0°，90°]，故当
时，裂缝面错动程度最大，。
有益效果：本发明充分利用原岩地应力场对裂缝扩展的作用，利用射孔造缝生成裂缝面，并使裂缝面最大程度地发生错动滑移，从而实现自支撑效果。
附图说明
图1为本发明的促进裂隙错动提升自支撑能力的立井施工方法的流程框图；
图2为本发明实施聚能射孔的示意图；
图3为本发明实施水力扩缝的示意图；
图4为本发明实施多区域立体裂缝网络的示意图；
图5为实施本发明的促进裂隙错动提升自支撑能力的立井施工方法后的立体应力状态示意图；
图6为实施本发明的促进裂隙错动提升自支撑能力的立井施工方法后的平面应力状态示意图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的促进裂缝错动提升自支撑能力的立井施工方法，步骤为：
a首先进行储层参数探测：通过探测获取储层目标开采层段的岩石力学参数、地应力参数，从而确定聚能射孔造缝的水平射孔方向参数；其中岩石力学参数包括弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力，地应力参数包括垂直主应力、最大水平主应力和最小水平主应力的大小与方向；
b施工立井：于地表下钻立井至储层目标开采区域，立井井段轴向垂直于最大与最小水平主应力方向所在平面；
c如图2所示，利用射孔枪在立井中进行聚能射孔造缝，沿立井的钻进方向垂直布置一列射孔，每个射孔的方向均与目标开采区域内最大水平主应力方向呈夹角，射孔孔径为5-7cm，产生射孔间距为20cm的裂缝簇；
d如图3所示，回收射孔枪并对立井进行封孔，利用水力压裂技术向立井中注入压裂液进一步对射孔造缝形成的裂缝进行扩缝压裂，从而使扩缝后的射孔造缝之间相互连通，形成沿射孔裂缝方向的扁平状裂缝面；
e裂缝错动自支撑：利用高能气体燃爆压裂技术促进裂缝剪切错动滑移，构建出立体自支撑裂缝网络。
如图4所示，根据不同井深处主应力分布差异对目标开采层段进行区域划分，各主应力大小变化小于5MPa、主应力方向变化角度小于5°的空间范围划分为一个目标开采区域，然后根据当前的目标开采区域的最大水平主应力方向设置射孔，施工射孔时采用后退式分段射孔方法，直至完成全层段的射孔造缝作业，从而保证立井在不同深度所生成的立体自支撑裂缝网络始终保持最佳效果。
裂缝的张开程度与裂缝短轴方向上有效压应力线性负相关，而裂缝短轴方向上有效压应力与主应力和裂缝面角度有关，推导过程如下：
首先利用式(1)计算裂缝的张开程度为：
式中e0为水力压裂扩缝措施作用下裂缝长短轴之比，e为水力压裂措施撤去后，原岩地应力作用下压缩后的裂缝长短轴之比，完全闭合时取0；υ为泊松比；E为弹性模量，单位为MPa；σep为水力压裂措施撤去后，原岩地应力作用下裂缝短轴方向上有效压应力，单位为MPa。
由式(1)可知，e0-e越大则裂缝在σep的作用下越容易闭合；
在原岩地应力场中，裂缝短轴有效正应力为：
式中σH为最大水平主应力；σh为最小水平主应力；σv为垂直主应力；α为裂缝面与最大水平主应力的夹角，α∈[0°，90°]；β为裂缝面法向与垂直主应力的夹角，β∈[0°，90°]；
已知f(α)＝cos2α在区间[0°，90°]上单调递减，分别将区间左右端点值代入式(1)，可得
由于σH﹥σh，所以有(e0-e)90°﹥(e0-e)0°，
如图5和图6所示，当α＝0°时，裂缝张开程度最大，即裂缝沿着最大水平主应力方向扩展，此时式(2)化简为：
σep＝σh sin2β+σvcos2β (4)
由于σv﹥σh，所以当β＝90°时，σep取最小值，数值上等于最小水平主应力。
采用摩尔-库伦破坏准则求解裂缝面的极限剪应力，然后根据线弹性理论在平面应力状态下计算岩石受最大水平主应力和最小水平主应力，作用在裂缝面上的有效应力和剪切应力，从而推断出极限剪应力与最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的剪切应力之差越大表示剪切破坏越易发生，裂缝面错动滑移量越大，最终获得当时，裂缝面错动程度最大，α为射孔造缝的裂缝角度，既射孔方向与水平最大主应力方向的夹角，/>为岩石内摩擦角。
裂缝面错动程度：
在剪应力作用下，裂纹表面互相滑移产生剪切型裂纹，采用摩尔-库伦破坏准则研究剪应力作用下的裂缝面的错动，当作用于岩体裂缝面上的剪应力τ超过岩体所能承受的极限剪应力τf，剪切破坏发生，即破坏准则为：
τ≥τf (5)
利用式(6)求解极限剪应力τf是关于有效应力σep的函数：
式中τf为极限剪应力；为岩石内摩擦角；c为岩石黏聚力；
根据线弹性理论，平面应力状态下，岩石受最大水平主应力σH和最小水平主应力σh，作用在裂缝面上的有效应力σep和剪切应力τ分别为：
式中，σep为最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的法向应力，即β＝90°时的有效应力；τ为最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的剪切应力；
将式(5)(6)(7)(8)联立：
令δ＝τ-τf，可知δ越大表示剪切破坏越易发生，裂缝面错动滑移量越大；
由于最大水平主应力σH、最小水平主应力σh、岩石内摩擦角岩石黏聚力c是可测得的，均为已知量，故错动滑移量δ是关于夹角α的函数，定义有：
其中，常量常量/>
利用辅助角公式
其中，常量
由正弦函数性质，可得，当k∈Z时，函数δ(α)取得最大值。
因为射孔造缝的裂缝角度α∈[0°，90°]，故当
时，裂缝面错动程度最大。
实施例一、
以某页岩储层为例，采用本发明提供的一种促进裂隙错动提升自支撑能力的立井施工方法，如图1所示，主要步骤如下：
(a)储层参数探测。所述实施例中的页岩储层岩石力学与地应力各项参数如表1所示：
表1储层参数
(b)立井施工；
(c)射孔造缝。为探究射孔所产生的裂缝角度与裂缝在原岩地应力场作用下的错动滑移量的关系，对裂缝面进行张开程度与错动程度分析，其中的受力分析包括垂直主应力、最大水平主应力、最小水平主应力、有效压应力、剪切应力等。
根据式(12)计算裂缝角度为
根据式(7)式(8)计算得出有效压应力为
根据式(1)计算得出裂缝张开程度为
根据式(8)计算得出剪应力为
根据式(10)计算错动滑移函数值为
Claims (3)
1.一种促进裂缝错动提升自支撑能力的立井施工方法，其特征在于步骤为：
a首先进行储层参数探测：通过探测获取储层目标开采层段的岩石力学参数、地应力参数，从而确定聚能射孔造缝的水平射孔方向参数；其中岩石力学参数包括弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力，地应力参数包括垂直主应力、最大水平主应力和最小水平主应力的大小与方向；
b施工立井：于地表下钻立井至储层目标开采区域，立井井段轴向垂直于最大与最小水平主应力方向所在平面；
c利用射孔枪在立井中进行聚能射孔造缝，沿立井的钻进方向垂直布置一列射孔，每个射孔的方向均与目标开采区域内最大水平主应力方向呈夹角，射孔孔径为5-7cm，产生射孔间距为20cm的裂缝簇；
d回收射孔枪并对立井进行封孔，利用水力压裂技术向立井中注入压裂液进一步对射孔造缝形成的裂缝进行扩缝压裂，从而使扩缝后的射孔造缝之间相互连通，形成沿射孔裂缝方向的扁平状裂缝面；
e裂缝错动自支撑：利用高能气体燃爆压裂技术促进裂缝剪切错动滑移，构建出立体自支撑裂缝网络；
根据不同井深处主应力分布差异对目标开采层段进行区域划分，各主应力大小变化小于5MPa、主应力方向变化角度小于5°的空间范围划分为一个目标开采区域，然后根据当前的目标开采区域的最大水平主应力方向设置射孔，施工射孔时采用后退式分段射孔方法，直至完成全层段的射孔造缝作业，从而保证立井在不同深度所生成的立体自支撑裂缝网络始终保持最佳效果；
裂缝的张开程度与裂缝短轴方向上有效压应力线性负相关，而裂缝短轴方向上有效压应力与主应力和裂缝面角度有关，推导过程如下：
首先利用式(1)计算裂缝的张开程度为：
式中e0为水力压裂扩缝措施作用下裂缝长短轴之比，e为水力压裂措施撤去后，原岩地应力作用下压缩后的裂缝长短轴之比，完全闭合时取0；υ为泊松比；E为弹性模量，单位为MPa；σep为水力压裂措施撤去后，原岩地应力作用下裂缝短轴方向上有效压应力，单位为MPa；
由式(1)可知，e0-e越大则裂缝在σep的作用下越容易闭合；
在原岩地应力场中，裂缝短轴有效正应力为：
式中σH为最大水平主应力；σh为最小水平主应力；σv为垂直主应力；α为裂缝面与最大水平主应力的夹角，α∈[0°，90°]；β为裂缝面法向与垂直主应力的夹角，β∈[0°，90°]；
已知f(α)＝cos2α在区间[0°，90°]上单调递减，分别将区间左右端点值代入式(1)，可得
由于σH﹥σh，所以有(e0-e)90°﹥(e0-e)0°，
当α＝0°时，裂缝张开程度最大，即裂缝沿着最大水平主应力方向扩展，此时式(2)化简为：
σep＝σhsin2β+σvcos2β (4)
由于σv﹥σh，所以当β＝90°时，σep取最小值，数值上等于最小水平主应力。
2.根据权利要求1所述一种促进裂缝错动提升自支撑能力的立井施工方法，其特征在于：采用摩尔-库伦破坏准则求解裂缝面的极限剪应力，然后根据线弹性理论在平面应力状态下计算岩石受最大水平主应力和最小水平主应力，作用在裂缝面上的有效应力和剪应力，从而推断出极限剪应力与最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的剪应力之差越大表示剪切破坏越易发生，裂缝面错动滑移量越大，最终获得当时，裂缝面错动程度最大，α为射孔造缝的裂缝角度，/>为岩石内摩擦角。
3.根据权利要求1所述一种促进裂缝错动提升自支撑能力的立井施工方法，其特征在于裂缝面错动程度：
在剪应力作用下，裂纹表面互相滑移产生剪切型裂纹，采用摩尔-库伦破坏准则研究剪应力作用下的裂缝面的错动，当作用于岩体裂缝面上的剪应力τ超过岩体所能承受的极限剪应力τf，剪切破坏发生，即破坏准则为：
τ≥τf (5)
利用式(6)求解极限剪应力τf是关于有效应力σep的函数：
式中τf为极限剪应力；为岩石内摩擦角；c为岩石黏聚力；
根据线弹性理论，平面应力状态下，岩石受最大水平主应力σH和最小水平主应力σh，作用在裂缝面上的有效应力σep和剪应力τ分别为：
式中，σep为最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的法向应力，即β＝90°时的有效应力；τ为最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的剪应力；
将式(5)(6)(7)(8)联立：
令δ＝τ-τf，可知δ越大表示剪切破坏越易发生，裂缝面错动滑移量越大；
由于最大水平主应力σH、最小水平主应力σh、岩石内摩擦角岩石黏聚力c是可测得的，均为已知量，故错动滑移量δ是关于夹角α的函数，定义有：
其中，常量常量/>
利用辅助角公式
其中，常量
由正弦函数性质，可得，当k∈Z时，函数δ(α)取得最大值；
因为射孔造缝的裂缝角度α∈[0°，90°]，故当
时，裂缝面错动程度最大。
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