薄差油层压裂改造的有限元分析

薄差油层压裂改造的有限元分析

1储层压裂改造中国东部大部分油田进入了油田开采阶段。为了保持油田产量，应采取高产措施（如油压裂、聚合物驱油、b2驱油等），并使用薄油层。岩芯测试表明：薄差油层多为泥质粉砂岩，孔隙度小、渗透率低，要有效动用此类储层的储量，压裂改造是最有效的措施。常规压裂技术要求的隔层厚度下限是1.8m，井距小于40m，因此制约了其在三次加密井中的应用，致使三次加密井的大部分预改造层段不能获得压裂改造。针对三次加密井这种井距小、隔层薄且临近高含水层、油层物性差且分散等实际情况，必须清楚地认识薄差油层的压裂机理，从而可使0.4m以上的隔层实现分层压裂，解放薄隔层相邻的难采储层，提高油田储层的动用程度和油田的最终采收率。2计算模型的建立为了揭示出同一压裂段内，水平多裂缝相互干扰的规律，本文根据实际施工中经常出现的地层条件建立了多个不同的模型。首先，假设缝长达到20m时，裂缝已经不再扩展，按同一压裂段内裂缝有3,5,7条和裂缝间距为3.0,2.0,1.0和0.6m等情况，共建立了12个模型。图1所示为有3条水平裂缝的压裂井的典型计算模型。对于一次改造3个层段的压裂井，建立以套管轴线为中心线，由内至外依次有套管、水泥环和围岩的轴对称空心柱体的计算模型。套管内壁及水平裂缝作用有液柱压力，上边界作用有上覆岩层压力，下边界和外边界为法向位移约束。为简化计算，特作如下几点假设：(1)忽略套管上射孔的影响，认为套管和水泥环完好，裂缝只出现在油层中。(2)套管水泥环和岩石之间胶结面的连接为完全固结。(3)套管、水泥环和岩石均为各向同性的均匀弹性体。这样定义的计算模型使实际问题得到大大简化，而且又保留了原问题的主要特征。3计算参数3.1计算地层直径及厚度(1)水平方向：套管内径为123.6mm，外径139.7mm，井眼直径为203mm，围岩外半径取50m。(2)竖直方向：取总计算深度108.4m，上层基岩厚度为60m，油层厚度为2m，下层基岩厚度为40m，泥岩隔层厚度暂取为0.6m；裂缝尺寸：裂缝面半径20m。3.2材料参数套管、水泥环及各岩层的力学参数见表1。3.3上覆地层压裂压力油田平均井深在1000m左右，上覆岩层的压力取井深1000m处的值。平均上覆岩层压力梯度取p=22.7kPa/m，压裂时套管及裂缝内的压力为35MPa。考虑自重，重力加速度取9.8m/s2。4多段干扰4.13裂缝间距对焊缝有效缝长的影响图2,3是3条裂缝在裂缝间距分别为3,2,1,0.6m时的缝高随缝长的变化情况。由于结构对称，这里只画出从上面数的第1和第2条(对7条情况也采用同样处理方法)。从图3可以看出，裂缝的间距越小，干扰越严重；裂缝的间距越大，干扰越小。对裂缝干扰最严重的(间距为0.6m)情况，第2条裂缝在离井轴线为约5m处，其张开宽度小于2.5mm，即其有效缝长只有5m。随着裂缝间距的增加，第2条裂缝的有效缝长也逐渐增加。当裂缝间距为3m时，第2条裂缝的有效缝长为12m左右。4.27裂缝间距越大，干扰越严重图4是7条裂缝在裂缝间距分别为3,2,1,0.6m时，7条对称裂缝中的4条有效缝长与裂缝间距的关系。图5是裂缝间距为0.6m时4条裂缝的缝高随缝长的变化情况。由于结构对称，这里只画出从上面数的第1～4条。图4,5也证实了裂缝的间距越小，干扰越严重；裂缝的间距越大，干扰越小。对裂缝干扰最严重的(间距为0.6m)情况，第3,4条裂缝在离井轴线距离约2.5m处，其张开宽度就小于2.5mm，也即其裂缝的有效缝长只有2.5m。随着裂缝间距的增加，7条裂缝的有效缝长都将逐渐增加。当裂缝间距为3m时，干扰最严重的第3,4条裂缝的有效缝长却能达到8m左右。综上所述，裂缝的间距越大，压裂时相互干扰越小；裂缝的间距越小，其干扰的程度就越严重。另外，一次压裂的裂缝条数越多，干扰也越强；压裂的裂缝条数越少，其压裂后的有效裂缝长度就越长，也即干扰强度就越弱。5第2胶结面破坏特点在前面的典型计算模型中，从研究胶结面的破坏情况得知，当有压裂液作用在胶结面时，油层会在裂缝张开的过程中，受拉应力和剪应力的联合作用，使油层与第2胶结面(即水泥环和地层的粘接面)间有一定的张开范围，模拟结果给出如图6的第2胶结面破坏张开宽度曲线。从曲线上可以看出，油层内的第2胶结面部分张开了，在油层附近的第2胶结面破坏张开的范围大约在0.8m左右。通过对隔层第2胶结面的变形状况及缝间干扰的分析，可以得到同一储层布孔的两个原则：储层厚度在1.5m以下可采用集中的方式布孔，保证裂缝在破裂压力相对较低的部位形成一条主裂缝；对于纵向上渗透率差异较大储层(厚度在1.5m以上的储层)，压裂层段内储层较少，为了提高油层的完善程度，可分别在较好的油层部位射孔，形成多条裂缝，但孔距应尽可能拉大以减小层间干扰。目前限流法压裂完井，仍采用的是螺旋方式射孔，相位角为90°。根据缝间干扰理论，该射孔方式有诸多弊端，一是不利于成缝，二是形成的水平缝很难在同一平面上扩展。不同位置的炮眼进液后会形成不同平面且相距很近的裂缝，从而造成缝间干扰。若仅在目标层适当的位置进行在同一平面上对称射孔，而不是无目的的射孔，将会大大提高水平造缝效率，使压裂改造的成功率大幅度提升。6裂缝间距大小的变化某井改造的层位资料如表2。本文利用有限元数值模拟，计算了设计7条缝和设计5条缝的干扰情况，其中7条缝的计算结果见图7。从图7可以看出，第1条裂缝张开最大，其受干扰最小。而裂缝间距很小的第3～6条裂缝受的干扰就非常大，几乎难以形成有效缝长。因此，可以肯定的是，即使7个小层都射孔，也不能保证7个小层都能形成有效裂缝，即一次改造7层是不可能的。从上述模拟计算的结果中可以看出，第3～6条裂缝受干扰严重。为增加裂缝间距，假设第4,6层不改造，则剩下改造的5层间距都将大于1m。计算结果如图8。模拟计算的结果表明，这5层中都能形成有效裂缝。同时，环空实测的结果也验证了这5层均出液，也即在这5层中的确形成了有效裂缝。由此可以得出，模拟计算对水力压裂优化设计具有较好的指导作用。7层间干扰设计通过计算，揭示出多储层裂缝间(0.6～3.0m)之间的干扰规律，为限流法压裂提供了重要的理论根据。通过对隔层及第2胶结面受力状态的理论分析，结合缝间干扰理论