相位對斜井射孔破裂壓力的影響

摘 要

摘要：斜井破裂壓力是壓裂設計的一個重要參數，一般只能從已知射孔方位角來預測該參數。但現場采用的是非定向射孔，缺乏相應破裂壓力的預測方法，而傳統的破裂壓力計算方法并沒有獲
摘要：斜井破裂壓力是壓裂設計的一個重要參數，一般只能從已知射孔方位角來預測該參數。但現場采用的是非定向射孔，缺乏相應破裂壓力的預測方法，而傳統的破裂壓力計算方法并沒有獲得非定向射孔井破裂壓力的變化規律。為此，針對射孔斜井的主應力與射孔夾角未知的情況，利用應力分析及裂縫起裂機理，分析相位對斜井破裂壓力的影響，并分析了多縫破裂壓力的變化及破裂壓力與裂縫延伸條數的關系。結果表明：當射孔方位角變化，各個射孔破裂壓力交替地達到最大、最小值，在某個方位角，相應有多個破裂壓力；其中最小破裂壓力對應射孔處裂縫最先產生，通過優化射孔參數可降低裂縫起裂壓力、優化裂縫延伸參數。這為優化壓裂設計、降低施工風險及提高后期改造效果提供了依據。
關鍵詞：水力壓裂；射孔；破裂壓力；應力；相位；定向井；數學模型
1 斜井井筒周圍的應力場模型
裂縫總是垂直于最小主應力方向延伸，分析井筒周圍應力方向，尤其是最小主應力的大小和方向，對于研究裂縫延伸是非常重要的。隨著研究坐標系的角度變化，法向應力和剪切應力大小是不斷變化的[1～5]。即
 
式中：σ是主應力，l、m、n是各自主應力與x、y、z的方向余旋。
上式也可以表示為：
 
根據坐標轉換的張量形式為：
 
法向應力為：
σaa=σxxl12+σyym12+σzzn12+2τxyl1m1+2τyxm1n1+2τzxn1l1
   切向應力為：
τab=τba=σxxl1l2+σyym1m2+σzzn1n1+τxy(l1m2+l2m1)+τyx(m1n2+m2n1)+τzx(n1l2+n2l1)
2 破裂壓力計算模型
建立斜井井壁處應力場分布模型的就是要確定井壁處的水力壓裂裂縫起裂壓力和起裂角的大小，而起裂壓力和起裂角又取決于其中的主應力分布狀態。對于一個任意方向的井筒，徑向應力仉是主應力之一，其他兩個主應力可以利用復合應力理論計算。根據抗張強度準則，當一個主應力超過巖石抗張強度時，裂縫在井筒壁處起裂[1～5]。3個主應力σ1、σ2、σ3的大小分別為：
 
根據巖石張性破裂準則，初始斷裂應處于z-θ平面內，由彈性力學理論，最大拉伸應力為[6～7]：
 
    由此可以得到對應的破裂壓力。
3 某個相位射孔L斜井的破裂壓力模型
    圖1中采用120°相位射孔完井，在得到任意射孔方位角對應的破裂壓力下，3個射孔處對應的破裂壓力分別為p1，p2，p3；某個角度對應的破裂壓力應該為3個孔中對應最小的破裂壓力，即min(p1，p2，p3)，據此可以做出任意角度θ對應的破裂壓力，也就得到了該相位射孔井在該地層對應的破裂壓力變化范圍。
 

    下面的計算給出了120°及90°相位的射孔斜井的第一破裂壓力及第二破裂壓力隨射孔方位角變化的關系，并比較了不同斜度(30°、50°、70°)情況下破裂壓力的變化值。
    當射孔方位角變化，各個射孔破裂壓力交替地達到最大、最小值，在某個方位角，多個射孔相應就有多個對應的破裂壓力，其中最小破裂壓力對應射孔處裂縫最先產生；隨著這個裂縫延伸，由于裂縫近井效應，裂縫可能還會繼續在稍高破裂壓力對應的射孔處產生，即達到第二破裂壓力值。圖2即為不同斜度120°相位射孔斜井對應的破裂壓力，可以看出，三孔破裂壓力變化區間將比單孔的變化區間要小得多，可以確保破裂壓力在可控的范圍內。
 

    圖3表明可以實現兩處破裂壓力相同，同時可以產生對稱的兩條裂縫，有利于裂縫延伸，有助于造縫和后期的生產效果；同樣地，對于類同120°相位的射孔，當裂縫不在優選平面，也可能產生兩條裂縫，最終轉向優選平面[8～9]。
 

4 結論
    1) 當射孔方位角變化，各個射孔破裂壓力交替地達到最大、最小值，在某個方位角，相應有多個破裂壓力，其中最小破裂壓力對應射孔處裂縫最先產生。
    2) 當某個射孔恰好處于最小破裂壓力處，其他射孔對應破裂壓力會處于較高水平，如果近井效應不能達到第二破裂壓力，將可能只有對應這個破裂壓力的射孔處起裂。
    3) 當破裂壓力相同的兩處最有利于裂縫延伸，同時可以產生對稱的兩條裂縫，有助于造縫和后期的生產效果。
參考文獻
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(本文作者：劉欣1，2 劉從箐1 劉同斌3 趙立強2 王強1 1.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院；2.西南石油大學石油工程學院；3.中國石油天然氣集團公司四川石油管理局)