煤系水平井定向射孔压裂裂缝扩展机制

复杂含煤地层顶板水平井射孔压裂是增加煤层透气性、提升瓦斯抽采效率的关键,而地层结构和射孔位置影响裂缝扩展形态。考虑地层结构特征及射孔位置,建立压裂工程地质模型;基于有限元方法构建数值模型,研究射孔位置、地层条件、垂向应力与水平应力差对裂缝扩展的影响,并进行工程验证,提出施工建议。结果表明:射孔孔眼位置存在全部位于煤层中、全部位于顶板岩层中和部分位于顶板部分位于煤层3种情况。孔眼位于煤层中,裂缝受到界面的“阻隔”作用,对煤层改造有利;孔眼位于顶板,当顶板层理发育,垂向应力与最小水平主应力差大于2MPa时裂缝能够穿越层理和界面进入煤层,而顶板完整时,应力差大于-2MPa裂缝即可在孔眼诱导作用下进入煤层,顶板层理和界面对裂缝垂向扩展具有“阻挡”作用,结构完整地层有利于裂缝的垂向穿层扩展;孔眼部分进入煤层,对裂缝起裂、扩展产生明显诱导作用,形成沿界面的水平缝和进入煤层的垂直缝,无论顶板是否完整,都能形成有效改造裂缝。当射孔孔眼距煤层较远、孔眼与煤层间弱面发育、水平应力大于垂向应力或压裂施工规模不足时,建议采用深穿透射孔、分支孔等能够沟通煤层的工程措施,以保证压裂效果。研究结果在陕西韩城某煤矿的井下分段压裂施工中进行了应用,试验孔瓦斯抽采效果良好,可为类似地质、工程条件下的压裂施工提供借鉴。

定向射孔作业后BCPM2损坏原因分析

使用随钻测量工具进行定向射孔是一项新的应用探索,此项作业射孔枪定向精度高、管串结构简单、射孔可靠性高。但是在作业过程中,尤其是深度较大的井,在加压射孔时会压缩管柱内的完井液,在射孔压力释放瞬间产生较大排量。对有涡轮发电机的随钻测井设备,过大的排量会导致涡轮发电机转速过高,从而造成仪器电路损坏。因此文章旨在分析过排量造成仪器损坏的风险,并提出应对措施。

定向射孔对水力裂缝起裂与延伸的影响

射孔孔眼是沟通井筒和地层的通道,压裂施工中射孔参数影响施工效果。采用大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统,研究定向射孔方位角、水平应力差和微环隙对裂缝起裂、延伸、转向、破裂压力及形态的影响,并建立了射孔直井在地应力条件下产生垂直裂缝的破裂压力预测模型。实验结果表明:利用定向射孔压裂技术可以在地层中形成双翼弯曲水力裂缝;随着定向射孔方位角的增大,破裂压力越来越高,转向距离也越来越大;且水平最大主应力与水平最小主应力之间的应力差对裂缝的转向距离有很大影响;微环隙对裂缝形态及破裂压力也有影响,其使得破裂压力较从射孔孔眼起裂所需压力大幅降低,且裂缝形态与裸眼井起裂类似。结论对于实际的射孔参数优化设计和水力压裂施工具有参考意义。

定向射孔水力压裂起裂压力的预测模型

目前水力压裂起裂压力的预测模型均针对螺旋射孔的情形,忽略套管对井周应力场的影响,已不适用于定向射孔水力压裂起裂压力的预测。定向射孔时,井周未产生微环隙,以此建立了套管井井周应力的解析模型。以渤海BZ25-1油田A1井为例,将该井周应力解析模型与有限元模型进行对比,其最大误差仅为2.3%。同时,结合Hossain模型和最大拉应力准则,建立了套管井定向射孔时孔眼的起裂压力和起裂角的预测模型。考虑流体渗流和套管的共同作用,采用水力压裂的渗流与变形耦合的数值计算方法进行验证,该模型得到的起裂压力与数值计算的误差仅为2.9%,表明该模型准确可靠,可以用于指导定向射孔水力压裂的设计。

定向射孔压裂起裂与射孔优化设计方法研究

目前定向射孔压裂时起裂压力的预测仅立足于裸眼的情况,忽视套管对起裂压力的影响,在工程应用中将产生较大的误差。考虑套管作用,推导建立定向井井周应力模型。假设地层岩石为张性破坏,并综合以上模型,得到定向射孔井水力压裂起裂压力和起裂角的预测模型。根据该模型编程开发一套定向射孔压裂起裂与射孔优化的软件,可预测定向射孔井的压裂起裂压力和起裂角,并优化选择射孔角度和射孔长度。应用软件对渤海油田三口井进行模拟计算和射孔优化,结果发现,模型的起裂压力预测结果与现场实测结果误差最大仅为4.33%,预测的起裂角也与实际结果相一致,从而验证了本模型的正确性。模型和软件对于现场压裂施工和射孔优化有重要的指导作用。

定向射孔提高低渗透油藏水力压裂效率的模拟试验研究

水力压裂是低渗透油气田提高开采效益的最重要技术手段之一,但目前对水力压裂裂缝延伸的研究大多建立在数值模拟计算的基础上,特别是射孔对水力压裂影响规律的研究较少,使得压裂成功率较低(低于70%)。通过室内真三轴水力压裂模拟试验及数值计算,研究了定向射孔对裂缝启裂压力、启裂位置及裂缝延伸的影响规律,得到通过定向射孔可达到降低地层破裂压力,形成一条大而平整的水力裂缝,提高低渗透储层水力压裂效率及成功率的目的。

致密气藏压裂井定向射孔优化技术

目前,致密气藏压裂施工普遍存在破裂压力较高的难题。为了研究和解决这一问题,针对低渗致密砂岩气藏的特点,并结合川西南致密气藏压裂井存在的实际问题,在分析了影响川西南致密气藏压裂井压裂效果的主要因素的基础上,通过室内大尺寸真三轴模拟实验系统和FLAC3D有限差分大型岩土数值模拟软件,研究了不同射孔方式和射孔方位、孔密、孔深及孔径对裂缝延伸和破裂压力的影响规律。根据室内实验和数值模拟结果,对川西南致密气藏压裂井进行了射孔优化,形成了最大主应力方向定向射孔、13～16孔/m中等孔密、大孔径和深穿透的优化射孔思路。现场应用结果表明,使用该思路进行压裂施工,能有效地降低地层破裂压力和提高产能。为致密砂岩气藏压裂改造提供了新型有效的技术手段,促进了致密砂岩气藏高效压裂技术的发展。

新井定向射孔转向压裂裂缝起裂与延伸机理研究

为了提高特低渗油藏新井的压裂效果,提出了采用定向射孔技术进行转向压裂从而形成双S型水力裂缝的新方法。基于有限元三维应力分析,研究了定向射孔下水力裂缝的起裂机理。考虑任意裂缝形态、地应力和缝内液体压力分布的影响,建立了任意形状裂缝应力强度因子的确定模型;同时考虑I型和II型断裂,建立了复合裂缝延伸准则。提出了定向射孔水力压裂裂缝的延伸轨迹计算模型和步骤,编制了裂缝延伸的模拟软件。采用地面微震进行了3口井的现场验证,地面微震检测结果与计算结果吻合。利用定向射孔压裂技术在单个层内可以形成双S型水力裂缝,可作为提高特低渗透油田产量的一种方式。

电缆传输定向射孔技术试验

长庆油田定向井井斜角变化范围大，现有的定向射孔技术无法满足施工要求，且均需油管传输射孔，施工效率低，对井斜角要求较高，工艺适应性差，为此需要研究新型定向射孔技术。分析认为制约定向射孔工艺适应性和效率的核心因素是油管传输工艺，取代油管传输是新技术研究的关键。研发了定位器，形成了“定位器定位＋陀螺仪定向＋电缆传输”新型定向射孔技术，该技术以定位器为基准，实现定深度、定方向，全程使用电缆起下工具。现场试验80余井次，施工成功率100％，作业周期缩短了75％，并适用于全部定向井。该技术适用于井斜角在15°～25°间的定向井，可进一步推广应用。

水力喷射定向射孔与压裂联作技术在水平井压裂中的应用

传统的水平井施工是通过油管传输射孔和分段压裂来进行的，为简化其施工工序，降低成本，在长庆油田多口水平井中应用了水力喷射定向射孔与压裂联作技术。结果证明了该技术是水平井压裂工艺中比较安全、高效的一种工艺。与传统技术相比，该技术具有井下工具简单、工序少等特点，一趟钻具可以压裂2～3层，明显缩短了施工周期，降低了施工成本。

定向射孔水力压裂复杂裂缝形态

在岩石力学试验测试和现场资料解释的基础上,建立了三维弹塑性有限元模型,通过大量计算研究了定向射孔水力裂缝形态的影响因素。研究结果表明,定向射孔水力裂缝起裂主要受相邻射孔之间应力干扰的影响,而影响定向射孔水力裂缝形态的主要因素为定向射孔方向与最大地应力方位的夹角和水平应力差。水力裂缝不一定沿着定向射孔的方位起裂;定向射孔形成的水力初始裂缝一般为锯齿状;在水平应力差和射孔夹角较大的情况下,容易形成由定向射孔和最大地应力方位起始的双裂缝。提高地应力测试和定向射孔的精度可以有效避免复杂形态水力裂缝的产生。

定向射孔参数对压裂裂缝扩展规律的影响

为了探究直井水力压裂过程中定向射孔参数对压裂裂缝扩展规律的影响,采用扩展有限元方法对水压致裂岩石的流固耦合模型进行求解,从射孔方位、射孔长度和射孔相位角3个方面分析了裂缝自射孔孔眼起裂的扩展和转向规律。研究结果表明:射孔方位对裂缝周围地层压力分布几乎没有影响;射孔方位角较小的孔眼具有较低的起裂压力和较高的扩展压力,压裂后容易形成长而宽的裂缝;射孔方位角较大的孔眼则具有较高的起裂压力和较低的扩展压力,压裂后容易形成短而窄的裂缝;随着射孔长度的增加,重新定向距离逐渐增长,在转向处易形成相对较宽的裂缝;射孔相位角过小容易引发裂缝干扰,射孔方位角较小的裂缝优先扩展并对后扩展的裂缝产生较强的抑制作用。在施工时,为获得较好的改造效果,应尽量选择小方位射孔;为避免缝间干扰,射孔相位角应大于45°。

定向射孔在致密储层改造中的应用

川西地区低渗透致密砂岩气藏经过常规聚能射孔后进行压裂改造时,普遍存在破裂压力高、弯曲摩阻大的问题,这在对斜井进行压裂时问题就更加突出。介绍了马蓬49D井定向射孔技术应用情况,并重点阐述了定向仪的选择、射孔器材的设计、施工设计和操作。通过对比该井三层射孔段不同射孔工艺对后续压裂的影响效果,并对比同一区块内目的层为同一小层的井压裂施工情况,从现场实践证实了定向射孔技术有利于降低地层破裂压力和近井摩阻,提高了斜井的压裂效果。

水平井重力定向射孔方式研究

介绍了内定向和外定向两种水平井重力定向射孔方式，从运用范围、定向精度的定量分析以及定向射孔的检测手段方面比较了两者的优缺点，列举了该技术在国内的使用情况，并讨论了特殊井况下水平井定向射孔方式的优选方法。

造斜器定向射孔技术探讨

根据油气开采需求,有时需要将多分支套管井分支井筒与主井筒沟通合并开采,对分支井套管及造斜器进行射孔作业就是一个方便快速的技术措施。与常规射孔工艺或常规定向射孔工艺相比,造斜器定向射孔工艺具有定方位要求高、定深度要求准、射孔参数严、施工工艺复杂等特点。在进行施工设计时,必须对射孔对象具体剖析并采取针对性技术措施,才能保证施工安全有效。有针对性地进行了技术探讨,提出了相应射孔技术参数及施工工艺。

斜井的定向射孔压裂技术研究

通过真三轴模拟试验及数值模拟研究了斜井的定向射孔压裂技术,利用弹塑性力学分析了斜井井周以及炮孔孔眼处的应力分布,制定出了一套进行射孔优化的步骤:①确定地层原始地应力的大小和方向;②利用编制的程序,确定最佳射孔方位,进行射孔的优化设计。③采用大孔径深穿透聚能弹,高孔密进行射孔操作。探索出了定向射孔形成一条平整大裂缝的途径,以提高压裂成功率和压裂效果。

定向射孔技术在适度出砂管理中的应用

在适度出砂管理中成功实施定向射孔,需要一系列的地质力学分析和设计工具来评价地层出砂可能性、带砂生产风险、优化安全界限等。并要有新的定向工具保证定向射孔精度。介绍了地质力学理论在确定地应力、预测不同应力方向上射孔的临界压差和出砂量方面的研究进展、新式定向射孔工具的定向精度及其应用情况,提出了我国如何开展疏松砂岩油藏定向射孔适度出砂管理的研究模式。该方法可以有效避免砾石充填防砂成本高、工艺复杂、表皮系数高等不利因素。认为我国开展该项研究,对于实施弱胶结地层“适度出砂、优化产能”具有广阔的应用前景。

煤岩定向射孔对水力压裂裂纹扩展影响的研究

瓦斯抽采是制约煤矿高效生产的关键。为提高低渗透、难抽采煤层瓦斯抽采效率,针对煤岩定向射孔对压裂裂纹扩展的影响,采用扩展有限元方法对水力致裂煤层流固耦合模型进行求解,研究并揭示了应力差、射孔方位角及射孔深度对裂纹扩展规律、起裂压力及裂纹宽度的影响。研究结果表明:射孔转压裂时,裂纹先在射孔的孔底处起裂,并最终转向了与最大水平主应力一致的方向上继续扩展;平面应力差增大时,更容易形成长而宽的裂纹,平面应力差由2 MPa增加到7 MPa的过程中,起裂压力增加了94.4%,但最终形成的裂缝宽度增加了375%;射孔方位角越大,所形成的裂纹越短,射孔方位角从0°增加到60°的过程中,裂纹的起裂压力增加了187%,而最终形成的裂纹宽度降低了84%;较深的射孔能形成较长和较宽的裂纹,当射孔深度与钻孔半径的比值从1.0增加到3.5的过程中,裂纹的起裂压力降低了51.4%,而裂纹的宽度增加了145%。因此建议在实际的施工中,要尽可能准确地取得煤层地应力分布情况,选择与最大主应力一致的方向上射孔,并选择合适的射孔参数,以达到较为理想的射孔深度。

定向射孔完井FLAC3D模型的建立与力学仿真

针对定向射孔完井工艺,以FLAC3D软件为平台对其进行了三维仿真,并运用应力坐标转换理论实现了任意井斜、井身方位和射孔方位的工况分析。应用建立的仿真模型对川西地区3口定向射孔井进行了仿真分析,实例应用表明,仿真结果与实际施工数据吻合性较好。建立的仿真模型与仿真方法可以较为合理地用于定向射孔完井的仿真研究,为油气井增产措施的制定提供了实用的仿真模型和简捷的仿真方法。

定向射孔多缝压裂工艺案例分析

一种新型的压裂工艺在中国长庆油田试验成功,该工艺在层内压裂形成了2条独立裂缝,大幅增加了裂缝与油藏的接触面积,提高了产量。长庆油田开发的超低渗透油藏岩芯分析渗透率一般在0.5 mD以下,且受到储层条件、注采井网、压裂工艺等多重限制,常规压裂工艺改造难以实现该类油藏的有效开发。历经多年研究并结合自身实际,长庆油田于2006年提出了体积压裂的理念,通过在油层内造多缝扩大油藏的泄流体积以提高单井产量。室内物模试验研究射孔对压裂影响时观察到,当射孔方向与最大水平主应力方位存在夹角的情况下裂缝发生转向,即裂缝均先沿射孔孔眼方向起裂,后转向最大主应力方向。在同一油层内上下各射一排孔,两排孔方位与最大主应力方向呈一定夹角,一排偏右,一排偏左。分别对两排孔眼进行压裂,这样由于初始裂缝转向导致两条裂缝在井眼处虚拟相交,但在地层内不会重合,形成近井类似于"X"形4条裂缝,远井形成2条近于平行的裂缝。提出了一种产生多裂缝的新型压裂工艺———定向射孔多裂缝压裂。开展了大量物模试验,证实了思路的可行性,并且长庆油田在A井开展了现场压裂试验。井下微地震裂缝测试表明:形成了"X"形多裂缝;产量数据表明:定向射孔多缝压裂井相比邻井产量提高38.1%。