射孔參數(shù)對(duì)水平井壓裂起裂壓力的影響

壓裂重建技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水平井經(jīng)濟(jì)高效開采的重要技術(shù)手段。水平井的射孔參數(shù)是影響壓裂施工的重要因素之一。水平井壓裂與直井壓裂有很大差別,并且更為復(fù)雜;水平井射孔參數(shù)對(duì)壓裂起裂壓力影響很大。張廣清等通過(guò)射孔參數(shù)對(duì)垂直井壓裂施工壓力和其對(duì)初始裂縫產(chǎn)生機(jī)理的分析,提出了壓裂施工井的射孔優(yōu)化設(shè)計(jì)方法;張士誠(chéng)等建立了限流法壓裂施工過(guò)程中各層流量隨時(shí)間、地層物性和射孔數(shù)變化的數(shù)學(xué)模型,與裂縫幾何參數(shù)模型聯(lián)立優(yōu)化設(shè)計(jì)射孔方案。鑒于江蘇油田水平井完井以射孔完井為主,為了優(yōu)化水平井壓裂設(shè)計(jì)和為現(xiàn)場(chǎng)施工提供一定的理論依據(jù),筆者依據(jù)Hossain提出的應(yīng)力模型,建立了射孔完井水平井井筒應(yīng)力模型,進(jìn)行了射孔參數(shù)、井筒位置等對(duì)水平井壓裂起裂壓力影響研究,以達(dá)到優(yōu)化射孔參數(shù)和井筒位置的目的。1水平井壓裂裂縫起裂模型1.1變換得到的應(yīng)力方程模型假設(shè)條件包括:①巖石均勻各向同性;②巖石為線彈性狀態(tài)的多孔介質(zhì);③不考慮壓裂液對(duì)巖石力學(xué)特性的影響;④水平井井筒處產(chǎn)生的應(yīng)力滿足疊加原理。由于水平井的井斜角為90°,根據(jù)坐標(biāo)變換得到的應(yīng)力方程為{σx=σvσy=σΗsin2β+σhcos2βσz=σΗcos2β+σhsin2βτyz=0.5(σh-σΗ)sin2β(1)???????????σx=σvσy=σHsin2β+σhcos2βσz=σHcos2β+σhsin2βτyz=0.5(σh?σH)sin2β(1)式中:σx為x軸方向的應(yīng)力,MPa;σv為上覆地應(yīng)力,MPa;σy為y軸方向的應(yīng)力,MPa;σH為水平最大主應(yīng)力,MPa;β為井筒方位角,(°);σh為水平最小主應(yīng)力,MPa;σz為z軸方向的應(yīng)力,MPa;τyz為yz平面上的剪切應(yīng)力,MPa。1.2應(yīng)力方程的建立假設(shè)在井筒與射孔孔眼之間連通良好,井筒和孔眼通道流體壓力相同,裂縫起裂之前在水泥環(huán)與孔眼之間存在微環(huán)面,射孔孔眼軸線方向與井筒方向是2個(gè)不同尺寸的孔眼相交,射孔井筒的幾何模型及其應(yīng)力重新分布如圖1所示。考慮射孔后應(yīng)力集中和切線應(yīng)力得到射孔井筒的應(yīng)力方程為{σθθ′=(σx+σy+σzθ)+2(σx+σy-σzθ)×cos2θ′-2(σx-σy)×(cos2θ+2cos2θ×cos2θ′)-pw(2cos2θ′+2)σzθ=σz-2v(σx-σy)cos2θτzθ=2τyzcosθσr=pwτrθ=0τrz=0(2)式中:pw為井底壓力,MPa;v為泊松比;τzθ為柱坐標(biāo)zθ平面上的剪切應(yīng)力,MPa;σr為射孔孔眼徑向應(yīng)力,MPa;τrθ為柱坐標(biāo)rθ平面上的剪切應(yīng)力,MPa;τrz為柱坐標(biāo)rz平面上的剪切應(yīng)力,MPa。1.3柱內(nèi)固結(jié)增強(qiáng)作用機(jī)理在柱坐標(biāo)系下,對(duì)于孔眼,徑向應(yīng)力是主應(yīng)力之一,另外2個(gè)主應(yīng)力可以通過(guò)主應(yīng)力合成法則確定。因此,作用在井筒的3個(gè)主應(yīng)力分別為{σ1=σrσ2=0.5[(σθθ′+σzθ)+√(σθθ′-σzθ)2+4τzθ2]σ3=0.5[(σθθ′+σzθ)-√(σθθ′-σzθ)2+4τzθ2](3)式中:σ1,σ2和σ3分別為柱坐標(biāo)系下作用在井筒方向的合力,MPa。從力學(xué)角度分析,水力壓裂地層破裂是由于井內(nèi)液柱壓力過(guò)大,使孔眼周圍巖層所受的軸向應(yīng)力超過(guò)巖石的拉伸強(qiáng)度而造成的,是一種拉伸破壞。因此,從式(3)可以看出,σ3為最小主應(yīng)力,只要滿足σ3與地層的孔隙壓力之差大于拉伸強(qiáng)度,地層就會(huì)發(fā)生破裂。2儲(chǔ)層及儲(chǔ)層密度江蘇油田某油井的參數(shù)包括:上覆地應(yīng)力為45MPa,水平最大主應(yīng)力為35MPa,水平最小主應(yīng)力為32MPa,泊松比為0.2,排量為4m3/min,地層孔隙壓力為11MPa,巖石拉伸強(qiáng)度為3MPa,射孔孔眼直徑為1cm,射孔密度為16孔/m,壓裂液密度為1.02g/cm3。根據(jù)建立的水平井裂縫起裂壓力計(jì)算模型,分析水平井射孔方位角、井筒方位角和射孔相位角對(duì)壓裂起裂壓力的影響。2.1周期400當(dāng)井筒方位角為90°時(shí),起裂壓力是射孔方位角的周期函數(shù),周期為180°。由圖2可以看出,水平井射孔方位角對(duì)起裂壓力的影響很大,射孔方位角為90°與射孔方位角為0°時(shí)的起裂壓力相差約為20MPa,射孔方位角為0°時(shí)的起裂壓力最小。2.2射孔方位角065由水平井井筒方位角與起裂壓力的關(guān)系(圖3)可見(jiàn),射孔方位角越小,起裂壓力越小;當(dāng)射孔方位角為0°～45°時(shí),井筒方位角越接近90°,起裂壓力越小;當(dāng)射孔方位角為45°～90°,起裂壓力隨水平井井筒方位角的增加變化不大;當(dāng)水平井井筒方位角為90°時(shí),起裂壓力最小,但容易產(chǎn)生縱向縫,壓裂增產(chǎn)效果差。2.3射孔溫度影響由江蘇油田水平井射孔方位角為0°時(shí)常見(jiàn)射孔相位角每個(gè)孔眼計(jì)算得到的起裂壓力(表1)可見(jiàn),水平井常見(jiàn)射孔相位角均有起裂壓力最小的孔眼。當(dāng)射孔方位角和井筒方位角均為0°,水平井射孔相位角分別為60°,90°,120°和180°時(shí),孔眼起裂壓力最大值為51.1MPa,最小值為39.9MPa;當(dāng)起裂壓力在最大值與最小值之間時(shí),有些孔眼是不進(jìn)液的。當(dāng)射孔方位角為0°、井筒方位角為90°時(shí),起裂壓力的最小值比兩者均為0°時(shí)起裂壓力的最小值要小,但是產(chǎn)生縱向縫,一般壓裂效果不好。因此,建議水平井壓裂采用射孔方位角和井筒方位角均為0°,產(chǎn)生橫向縫,壓裂效果好。2.4射孔時(shí)長(zhǎng)為20時(shí),孔眼最大方位角當(dāng)射孔方位角小于15°、射孔相位角為180°、采用定向射孔時(shí),起裂壓力較小,壓裂施工相對(duì)安全。采用非定向射孔時(shí),從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看,射孔相位角與射孔孔眼最大方位角密切相關(guān):當(dāng)射孔相位角為90°時(shí),射孔孔眼最大方位角為45°;當(dāng)射孔相位角為180°時(shí),射孔孔眼最大方位角為90°;當(dāng)射孔相位角為60°或120°時(shí),射孔孔眼最大方位角為30°。因此,采用非定向射孔時(shí),射孔相位角應(yīng)為60°或120°,以降低起裂壓力高的風(fēng)險(xiǎn)。3下挖深度為4.0m的地層起裂壓力江蘇油田某水平井基本參數(shù)包括:射孔井段為2411.1～2468.4m,上覆地應(yīng)力為54.8MPa,水平最大主應(yīng)力為39.8MPa,水平最小主應(yīng)力為36.8MPa,泊松比為0.2,排量為4.5m3/min,地層孔隙壓力為11MPa,巖石拉伸強(qiáng)度為4MPa,射孔孔眼直徑為1cm,射孔密度為16孔/m,壓裂液密度為1.02g/cm3,射孔長(zhǎng)度為39.4m,井筒方位角為85°,射孔方位角為0°,射孔相位角為180°。采用新建模型計(jì)算得到的地層起裂壓力為45MPa,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)階梯降曲線(圖4a)計(jì)算得到的起裂壓力為44.8MPa,壓裂施工曲線(圖4b)計(jì)算得到的起裂壓力為45.3MPa,兩者起裂壓力比較吻合,比同條件直井的起裂壓力高5.3MPa。因此,通過(guò)模型可預(yù)測(cè)起裂壓力,降低水平井壓裂施工的風(fēng)險(xiǎn)。4射孔方位角影響起裂壓力的影響主要表現(xiàn)在水水平井井筒方位角是影響起裂壓力的主要因素,水平井井筒方位角與最大主應(yīng)力方向一致時(shí),起裂壓力最小,此時(shí)容易產(chǎn)生縱向縫,壓裂增產(chǎn)效果差;對(duì)水平井進(jìn)行壓裂,要充分考慮水平井井筒方位是否有利于