[发明专利]一种煤层斜井套管射孔完井破裂压力的预测方法

说明书

本发明公开了一种煤层斜井套管射孔完井破裂压力的预测方法，包括步骤1)收集基本参数；2)分别计算原地应力产生的应力场、套管水泥环诱导产生的应力场、沿着射孔孔眼的诱导应力场、井筒注液产生的诱导应力场、流体渗流产生的诱导应力场，通过上述五个应力场的叠加，得到沿着射孔孔眼的总应力分布；3)基于张性破坏准则，并结合总应力分布，计算煤层斜井套管射孔完井的破裂压力。本发明通过完整的流体‑力学耦合模型，解决了现有技术中没有综合考虑套管、水泥环、射孔孔眼和流体渗流效应等因素对破裂压力综合影响的技术问题，提供了一种煤层斜井套管射孔完井破裂压力的预测方法。

技术领域

本发明涉及煤层勘探与开发领域，具体涉及到一种煤层斜井套管射孔完井破裂压力的预测方法。

背景技术

中国煤层气单井产量较低，已经成为煤层气勘探开发的瓶颈。只有增大煤层改造体积和范围，加快煤层气解吸速度，才能提高单井产量。水力压裂广泛应用于煤层气的开发，而水力压裂中裂缝起裂和延伸尤为重要，裂缝可以在井眼周围的任意点和任意方向处发生起裂延伸。在水力压裂过程中这种多裂缝的延伸导致高注入压力和过早的砂堵。水力裂缝沿着最大主应力方向所在平面延伸，即最优裂缝面(PFP)(Zeng，FH，&Guo，JC.(2016).Optimized Design and Use of Induced Complex Fractures in HorizontalWellbores of Tight Gas Reservoirs.Rock Mechanics and Rock Engineering，49(4)，1411-1423.)。

对于套管射孔的斜井，裂缝起裂和延伸完全受到井眼附近区域井眼，水泥环和射孔孔眼的复杂应力状态控制。当初始射孔方位没有沿着最大主应力方向时，裂缝从射孔孔眼延伸并在地层中转向，最终沿着最大主应力方向延伸，这将会增加施工过程中的裂缝起裂难度和流体摩阻，并且可能反过来导致过早的砂堵，减少支撑剂的体积，并显著降低生产效率。优化井眼周围射孔方向相对应的最低裂缝起裂压力(FIP)的方法称为定向射孔技术(OPT)。考虑到射孔在水力压裂中的重要性，许多研究人员已经研究了套管射孔完井的破裂压力预测问题。一些学者指出，对于与上覆应力分量方向一致的直井，垂直井筒受到两个水平的原地应力和沿着最大水平主应力方向相位为180°定方位射孔产生的应力。然而，斜井井眼轴偏离原地应力分量，周围井筒受正应力和剪切应力的共同作用。此外，由于套管水泥环、射孔和流体渗滤而产生的孔隙压力变化引起的附加诱导应力，将会增加射孔井周围应力的复杂性。套管水泥环射孔斜井的裂缝起裂本质上是一个三维问题，并且二维和拟三维都不能解决该问题。鉴于地应力测试对射孔井复杂几何构型的适用性有限，只有少数学者对裂缝起裂过程进行了建模。在他们的方法中，将射孔井分成井筒和射孔区域，每个区域代表着有恒定内压圆柱形腔的弹性问题。对于每一部分，该问题在相应的无限长圆柱体的情况下具有解析解。沿着射孔孔眼总应力分布可以近似为每一段结果的叠加(Zhu，Haiyan，Deng，Jingen，Jin，Xiaochun，Hu，Lianbo，&Luo，Bo.(2015).Hydraulic fractureinitiation and propagation from wellbore with oriented perforation.RockMechanics and Rock Engineering，48(2)，585-601.)。研究人员分析了井斜角，射孔方位角和远场原地应力状态对裂缝起裂压力的影响，发现射孔可以大大降低裂缝起裂压力。尽管在水力压裂过程中已经取得了相当大的进展以提高对射孔井裂缝起裂过程的认识，但还有几个方面需要进一步研究。首先，鲜有文献报道考虑套管水泥环对裂缝起裂的影响。大部分学者都将岩石视为非渗透性介质，即使它是多孔岩石。这一假设意味着所有学者都忽略了井筒压力将转移到周围地层的事实，这将导致压裂液注入过程中地层孔隙压力的增加。实际上，渗透的流体会通过增加邻近地层周围的孔隙压力来扰乱应力场。此外，孔隙压力逐渐增加并降低有效应力，这将导致压裂液渗透到地层中时的多孔弹性效应。以前研究人员发现，在不考虑应力分析过程中地层压力变化的情况下，假设岩石没有流体渗流以简化数学复杂性，可能会出现不准确的情况，压裂过程中的破裂压力往往被高估。也有研究通过两种类型的尝试来考虑由流体渗流效应引起的应力变化。第一种方法假设流体流入多孔介质过程中，遵循达西径向流动定律和质量守恒方程。这种方法假设井筒中的流体压力随时间线性增加，而在现场施工过程中是通过对注入排量的控制来实现对储层进行破裂的。第二种方法是研究者引入渗透系数以补偿由流体渗流引起的附加诱导应力的方法。在他们的公式中，假设渗透系数具体值等于0和1，它们分别对应了地层不可渗透和可渗透两种情况。该基本假设与实际煤层水力压裂不一致。实际上，所有的煤层都具有一定的渗透性能，而不仅仅是渗透或不渗透两种极限情况；此外，在他们的模型中，渗透系数是无量纲的，并且没有明确的物理意义，因此与实际情况存在较大偏差。