有限元分析显示屏幕输出发展和水泥胶结在水平井的破坏.docx
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有限元分析显示屏幕输出发展和水泥胶结在水平井的破坏
有限元分析显示屏幕输出发展和水泥胶结在水平井的破坏
摘要
支撑剂放置在已筛选出的易受干扰的水平井压裂套管上。
压裂和扭曲被认为会导致减少压裂宽度,这反过来又被认为是出砂原因。
没有人能够确定哪个(或如果)这两种现象的主要原因是脱砂。
本文研究了一种理论,可以提供第三种出砂的因素,即使在处理工程师采取极端措施为了避免扭曲和多处压裂的情况下。
本次调查通过使用有限元力学分析重点研究了压裂液的复杂的相互作用。
该模型主要针对发生在水平井垂直于套管方向的压裂。
达西-魏斯巴赫关系是用来分析压裂流体在径向的流动形式。
从这个分析中,在破裂压力分布可以计算和用于有限元模型的输入。
通过使用该技术,可以评价裂缝宽度的发展,使出砂的预测可以在作业前进行。
使用有限元分析(FEA)技术可以评估避免出砂的可能的解决方案。
最后,还分析了不同的工具和解决方案,如扩展的接头和水力喷射的射孔使用,本文都有涉及。
绪论
多年来,很多公司已成功压裂直井。
虽然大多数的这些井没有表现出预期的效果,但压裂过程中本身就可以被称作很大程度上的成功。
在这里,我们粗略的把压裂过程定义为“压裂”,出现裂缝后用自然的或人为的支撑剂支撑。
早在1865年写的有关压裂的文件已被发现。
压裂在当时是使用炸药来完成的,水力压裂时代是在1948年开始的。
自1948年以来,在压裂过程中作了专业的改进。
随着水平井的发展,许多新的问题出现了。
钻井过程中往哪个方向钻进,下什么套管都要提前做出决定。
目前使用的许多技术表现出良好的效果,而其他的许多技术只有零星的成功。
为了解决这些问题,提出了水平井压裂的要求,工程师必须考虑井眼经验的位置。
了解这些因素,并在规划和执行中考虑到这些因素是成功的关键。
在其中的主要解决方案中,在可能的情况下,建议水平井在最小应力的近似方向上进行钻进。
虽然由于早期的经济考虑,裸眼完井是最佳的选择,但也有充足的理由来支持套管完井。
套管完井的支持者更关心的是这种技术对井的控制能力通过井的寿命和未来适当的放弃。
在本文中,仅限于对水平井裂缝发育的讨论。
特别是,套管完井在最小应力方向上的钻进在本文中有赘述。
讨论
在水平井安装压裂套管通常会导致脱砂。
过去已采取了各种方式来解决这些问题。
1减少射孔的时间间隔,可以减少井眼的弯曲,从而减少出砂的发生。
2共面,针点开槽,是一种可以更大幅度减少射孔间隔和减少出砂的方法。
3段塞被证明是成功的50%的时间。
尽管有以上列出的方法,出砂仍然会发生。
因此,本文的意图,是研究不同的方法来解决出砂的现象。
这项工作的重点在于径向流体通过裂缝的影响作为可能的出砂的主要原因。
两个裂缝的流动条件描述如下:
一种是裂缝平行于井孔轴向的方向,另一种是垂直于井孔(图1)。
这种流动状态是被假定在一维的,相似的虑失条件下进行的。
在裂缝中,流体流速被假定为常数。
当裂缝对齐井孔时(图1a),直线形式的裂缝将被要求维持上述条件。
由于这种类型的裂缝,通常会发生在垂直井,而出砂通常不发生在垂直井。
然而,当裂缝是垂直于井孔,一个完全不同的情况将会发生。
为了维持上述流量条件,这种形状的断裂要如在图1b中所示。
这创建了一个严重的两难问题:
在一个点上,靠近井孔的裂缝宽度是只有一小部分在井孔处的开口的宽度。
这意味着,在这种情况下,出砂很容易出现,尤其是当岩石由壳体的存在下运动受限时。
有限元分析法
有限元分析(FEA)被称为行业中的一个强大的工具,提供相对准确的解决方案,以困难或复杂的问题。
然而,在最近的工作中,笔者很快发现由于以下原因仅通过有限元分析问题不能得到解决。
1问题是动态的。
一个稳定的状态不会显示在什么时候或是什么地方出砂。
2裂缝的发展是由裂缝中流动模式来定义的。
3裂缝中的流动模式是由裂缝的发育来确定的。
对于本文的目的,我们将限制范围,以解决径向垂直于外壳发展的裂缝。
此外,我们假设在此分析中,杨氏模量是不变的。
注意在这个时候,样式模量会根据围压或自身条件而有所变化,例如裂缝的存在等。
我们预计套管的放置和加压水泥的使用将部分程度上恢复杨氏模量。
我们开始通过假设的圆筒穿孔模拟来反馈如图2所示的一个潜在的裂缝。
流体流入裂缝,从而产生一个压力降。
这个压力可以使用达西魏斯巴赫关系来计算。
这里:
f为摩擦系数
ΔL为裂缝长度增量
V为流体的流速
γ为流体密度
H为裂缝宽度
相对于井孔的距离绘制的压降,此压降似乎集中在3至4英尺之内,距该井孔壁(图3a)。
因此,作用于断裂面的压力可以被计算出来。
(图3B)。
然后,把该压力分布输入到有限元建模软件中来计算地层岩石的变形。
本文作者选择了使用ANSYS软件程序包,其他程序包也可以产生类似的结果。
在这个解决方案中,断裂面的位移被列成表,并作为流体模型的输入。
解决方案迭代进行,直到达到一个稳定状态。
案例1:
传统射孔井
考虑水平井模型具有以下假定的特点:
真实深度:
7000英尺
套管直径:
5英寸
压裂梯度:
0.7磅/英尺
透气性:
113md
地层压力:
1000psi
杨氏模量:
1,000,000psi
泊松比:
0.25
该井直径0.5英寸,深8英寸,是用射孔枪穿孔的。
泵功率被设定在40桶每分钟,泵马力被假定为可没有任何压力限制。
在观察图4a,4b和4c时,断裂不会增长是明显的,而事实上,从井筒几英尺远的位置处的裂缝的宽度均小于直径20-40砂。
将压力升高到9900psi(砂堵塞滤失点的帮助),在该点的裂缝开始打开,释放过去的近井缩颈路径。
此时,即使当压力降低到5900psi时,裂缝也自由增长(图4d和4e).如果压力没有及时增加到9900psi,这种情况将导致无法避免的出砂。
因此,在作业之前知道这一点是重要的,如图4a,4b和图4c所示开始出砂发生在砂到达构造后的几秒钟内。
在这个裂缝发育的过程中,可以观察到另外两个现象:
1随着裂缝的增长(图4),岩石朝向远离彼此的方向运动,并在穿孔处的入口点产生高的剪切应力。
在我们的分析中,我们使用的阈值约1,200psi的剪切应力点在岩石和水泥,水泥和套管之间的纽带将失败。
在这一点上,岩石和壳体之间的纽带开始产生裂纹,并且此裂纹随着裂缝的发育延伸的很迅速。
事实上,持续的泵送将延长纽带的损坏超过五十英尺(未示出)。
2图5示出了这样一种现象:
随着岩石的破碎,岩石的部分被加载了张力,特别是岩石和套管之间的纽带丢失后。
由于大多数的岩石在张力的作用下容易破碎(我们使用岩石的拉伸强度为300磅),所以岩石延井眼(或纸张表面)方向破裂,裂缝中的压力也会使裂缝迅速增长。
这两种现象造成故障或密封包装性能的降低并没有被放置在这口井的拟裂缝处。
案例2:
“猛击”打孔井
猛击是一个在垫的过程中,一定体积的流体,含有低浓度的沙子,被泵入井内。
这些段塞流体经常混有清洁液,并重复这个过程。
猛击被认为能改善裂缝之间的沟通,并促进裂缝的发育。
猛击有成功和失败的历史。
问题是,无论成功是否是巧合,猛击确实有效。
为了讨论及建模,猛击的讨论在上一节已考虑。
在其他的一切条件都相同的情况下,操作员泵入一系列的段塞流体以侵蚀出一条进入裂缝的通道。
为了这次建模的目的,假设猛击的确把穿孔的尺寸增加到直径为1英寸,长度为20英寸。
像以前一样演绎相同的过程显示猛击确实能把打开裂缝所需的压力降低到7900磅(图6a,6b和6c)。
裂缝被认为能够跳过这种无形的,近井筒的屏障而毫不费力的发展。
然而,要成功的启动裂缝,需要7900磅的泵送压力以防止出砂。
注意前面一节中讨论的现象,套管和岩石之间的纽带和轴向裂缝的破坏,可以看作是在这种情况下发生的(图6c和6d)。
案例3:
共平面水润喷射穿孔
水润喷射穿孔可以用于套管井。
高压射孔处理是一个过程,在这个过程中高压流体被用来切割套管和岩石。
一般来说,砂与流体混合作为磨料,射流能够以用户期望的任何方式排列。
共面或基本共面放置的射流能在套管墙后面创造出一个大的腔体。
腔的深度取决于泵送时间;在这个技术中深度17至20英寸的情况并不少见。
图7可以看到一个典型的排列。
在上一节中的模拟井中应用这项技术显然可以绕过近井的限制(图8a)。
在5900磅的水平,裂缝开始发育,甚至能在压力降低的情况下继续。
然而,即使使用此方法时,壳体粘结破坏和轴向断裂也会发生(图8a和8b)。
外壳扩展工具
外壳扩展工具能使外壳的一部分在较小的力的作用下跟随其对应的部分一起移动。
该工具被设定为波纹管,并安装在受压环境中,以至于可以使工具的使用寿命得到加长。
外壳扩展工具的图在图9示出。
本质上,该工具背后的工作理论在图10中绘出。
此图显示的裂缝的发育是垂直于水平井套管的。
图10a显示没有扩展工具的情况。
在压裂过程中,左侧岩石尝试向左侧移动,而右侧岩石尝试向右侧移动。
然而,壳体是整体的,并且也不允许移动。
在这种情况下,某些组件必须失败。
最有可能失败的是套管和水泥之间的纽带
(1)或水泥和岩石之间的纽带
(2),因为它们是在此系统中的薄弱环节。
图10b显示建议使用CE工具。
在该模型中,将孔眼放置在离工具尽可能近的地方(在工具的中间是允许的,虽然不是优选的)。
随着压裂的发生,岩石之间相互运动,一些水泥胶结将会发生损坏,知道损坏到达CE工具。
在这一点上,损坏将会停止,因为套管能用较小的力进行扩展。
在下面的章节中有限元分析是用来支持这一说法的。
上述例3所用的相同的例子的情况,再次使用在这里,只是这里使用了扩展工具。
由于疗穿孔技术已被证明是裂缝发育的首选方法,因此在此例中使用了这一方法。
当即发现了裂缝发育所需的最小压力,和出砂量减少的可能(图11a)。
图中也显示了没有水泥胶结的破坏。
图11b阐述了一个没有预测到的差异。
当使用CE工具时,裂缝在井眼方向上的发育将减少或消除。
和我们以前发现的一样FEA表明岩石是处于压缩状态而不是拉伸状态。
除了帮助裂缝的发育,CE工具在以下方面也是有用的。
1.减少井筒方向的小构造运动的影响。
允许外壳略有扩大,小的运动也是被允许的在出现问题之前。
2.减少沉降的影响。
通过在套管弯曲处的多点安装这个工具,我们允许套管在弯曲部分延伸而套管的水平部分的比例将减少。
通过这种方式,井的寿命将延长。
点2几乎是点1的一个必然结果,因为它们都与各种地层的轻微的相互运动有关。
总结,结论和建议
无论有限元分析和仿真过程的结果的准确性是否存在问题,在井筒附近的一些点上,由于径向流的条件经常会发生一些压裂流体的流动。
在流体力学中我们知道,这些流体的流动将降低了局部静态压力,引起了裂缝的坍塌。
裂缝坍塌之后会出现出砂。
如果,一开始出砂,紧接着压力增大来进一步扩大裂缝,可以避免出砂;然而,在很多情况下,工人操作时是有压力限制的。
现在还没有强大的案例研究来支持本文中所做出的断言。
已经经历了几个偶然的情况,可能会或可能不会反映的有限元分析的结果:
1.几个针点水力喷射射孔工作成功地进行和断裂。
2.半数猛击工作成功完成。
建议采用以下程序来完成水平井。
1.规划孔区域的位置和数量。
2.在这些地方,安装外壳扩展工具。
3.根据经济技术等方面的考虑,选择一个射孔的方法。
从技术上讲,我们推荐使用水力喷射,共面穿孔。
4.本文讨论了使用有限元分析技术,计算工作中可能需要的压力。
如果所有其他假设是正确,在模拟和预测中,这个穿孔要求的压力是必要的条件。
准备所需压力。
根据前面的讨论,如果水力喷射共面穿孔使用扩展工具,所需压力应该是很低的。
5.如果没有选择水力喷射,那就猛击。
使用尽可能多的时间,创造一个良好的通道以穿过近井的问题区域。
参考文献
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图1a与井筒对齐的裂缝
图1b垂直与井筒的裂缝
图2圆柱穿孔孕育的一个潜在的裂缝
压力降
距井筒的距离
图3a压力降的变化形式
图3b作用于断裂面的压力
图4a在6900帕斯卡压力下的裂缝的发育
图4b在8900帕斯卡穿孔压力下裂缝的发育
图4c8900帕斯卡穿孔压力下裂缝的发育;水泥胶结裂缝5英寸
图4d裂缝在9900帕斯卡穿孔压力下发育,水泥胶结10英寸
图4e裂缝在6900帕斯卡穿孔压力下发育,水泥胶结20英寸
图5裂缝在5900帕斯卡穿孔压力下发育,水泥胶结50英寸
图6a裂缝在6900帕斯卡穿孔压力下发育
图6b裂缝在7900帕斯卡穿孔压力下发育
图6c裂缝在5900帕斯卡穿孔压力下发育
图6d裂缝在5900帕斯卡穿孔压力下发育
图7典型的水力井网分布
图8a裂缝在5900帕斯卡共面水力喷射穿孔压力下发育
图8b裂缝在5900帕斯卡共面水力喷射穿孔压力下发育
图9套管扩展工具
图10使用和没有使用套管扩展工具的裂缝发育情况
图11a使用套管扩展工具在5900帕斯卡共面水力喷射穿孔压力下裂缝的发育
图11b使用套管扩展工具在5900帕斯卡共面水力喷射穿孔压力下裂缝的发育
从一个水平井筒非平面裂缝延伸的实验研究
摘要
本文介绍了水力压裂水平井,具体的非平面裂缝萌生和扩展导致裂缝的几何形状有关的实验结果。
实验旨在探讨非平面裂缝的几何形状。
本文讨论了当水力压裂水平井时非平面裂缝是如何负责过早的筛选和过渡压力的。
水力压裂水平井失败的原因也被呈现,并给出了建议,以确保井筒和裂缝间清晰地沟通渠道。
绪论
研究人员调查了压裂水平井相关的几个重要机理。
在关于裂缝重新取向和剪切破坏机理的第一个实验和分析工作中,Daneshy表明倾斜的水力压裂裂缝表现出剪切以及拉伸破坏。
他通过实验表明剪切破坏在重新定位过程中发生,并使裂缝的台阶沿非平面裂缝的表面。
veeken等人执行的实验和理论研究,观察到三种类型的有限的断裂和井筒之间的通信:
(1)连通的穿孔数量有限,
(2)在井眼附近的裂缝宽度减少,(3)曲折(或歪斜的)裂缝。
在他的实验工作中,埃尔Rabaa显示当穿孔间隔大于四倍井筒直径而偏差角度小于75°时多处出现裂缝。
在微创和水平井微裂缝测试中Soliman显示裂缝的重新定位可能会影响综合测试分析。
Kim和Abass表明对于有高偏差角的井来说,一对相互垂直的裂缝被创建依赖注射速率。
实验研究
我们进行了一系列的实验来促进水平井压裂领域的研究。
试验所使用的岩石样品的尺寸为6×6×10英寸。
投入这些块的混合水和水石重量比为32/100.物理和机械性能如下:
26.5%的孔隙度,渗透率(N2)+3.9公斤;颗粒密度2.32克/立方厘米;散装密度1.71克/立方厘米;杨氏模量+2.07×106磅,泊松比,0.21;8.032帕斯卡的单轴抗压强度,拉伸强度(巴西)807.6磅。
在样品中心延样品轴10英寸的一射开井筒。
从不同的方向角度射开井筒,使它与最大水平应力成一个角度θ。
一系列可以考虑的角度:
θ=0°,15°,30°,34°,45°,60°,67.5°和90°。
具有垂直孔的一个样品被压裂来为一个在类似三轴加载条件下垂直孔裂缝提供参考数据。
所有的样品都放置在三轴加载容器里,主要应力为3000帕斯卡的垂直应力,最大水平应力2500帕斯卡,最小水平应力1400帕斯卡。
无孔隙流体存在。
在所有测试中所使用的压裂液是30重量,在74,83,195°F时表观粘度分别为580,360和14厘泊的发动机油。
所有试验均在室温下进行,注射速率为30立方厘米每分钟。
在整个测试过程中使用相同的岩石类型,岩石性质,加载条件,压裂液性能,注射速率,压裂条件。
唯一的变量是井孔的方位。
非平面断裂几何
图2显示了在θ=0°时实验的压力-时间记录。
在这些实验中,这是一个典型的处理压力记录的例子。
在每个取向角进行了两次实验,以确保数据的可靠性和可持续性。
在本文中,任何不遵循传统的单一平面裂缝的几何形状的断裂面,将被当作一个非平面断裂。
图3描绘了一个典型的沿井筒创建的单个平面断裂,被称为“纵向断裂”。
在这个测试中,井孔方向是在最大水平应力的方向(θ=0°)。
创建的裂缝是单一顺畅的,与井筒有充分的沟通,不仅经过开孔部分,而且还沿着套管部分。
非平面裂缝将被归类为多个平行的裂缝,重新定向的裂缝,T形裂缝。
多个平行裂缝
可能会在相同的时间间隔中在斜井或水平井建立多个裂缝,从而减小井筒附近的裂缝宽度。
这可能是高处理压力或出砂的原因。
图4示出了一个与最大水平应力成45°的水平井筒穿孔(θ=45°)。
创建多处裂缝,每个穿孔是一个裂缝源。
图4展示了裂缝扩展并远离井筒的进展情况。
裂缝的数量随着远离井筒而减少。
最终,这些断裂链会变成一个断裂,其传播方向垂直于最小水平应力方向。
图5显示了裸眼水平井眼θ=45°。
在井孔的两侧创建了三处裂缝。
图6显示了整个井筒的斜剖面遇到的两处裂缝。
众所周知,裂缝宽度的发展是载入并取代岩层流体压力造成的。
当两个裂缝在相同的时间间隔中紧密的传播时,如图6所示,他们将共享相同的岩石材料。
因此,结果是两个窄裂缝,而不是一个宽裂缝。
重新定向裂缝
如果井孔倾斜于最大水平应力的方向,诱导裂缝可能会沿井孔方向传播,它会重新定向为垂直于最小地应力。
由于这种重新定位机构,Daneshy1推测,剪切以及拉伸失效模式可能会发生,造成壁波纹或沿断裂面和内调整平面粗糙度。
他表示,断裂表面上存在的阶梯状是剪切破坏的一个证明。
在我们的工作中,注意到在所有的样品中这些步骤或粗糙度投在一个角度范围0°<θ﹤90°。
这些步骤可能会显示创建单个粗糙裂隙,然而,仔细观察表明,每一步都是一个潜在的裂缝远离井眼的传播。
图7显示了样品HO60的结果(此代码表示水平井筒裸眼井段,与最大水平应力的方向成60°)。
它显示了沿断裂面发散远离井眼的步骤。
裂缝从井筒的低侧和高侧发起,展现了一个可以生成几个步骤的重新调整的过程,使多个裂缝的传播远离井眼,如图8所示。
这些裂缝的关闭检查表明他们具有比前面所述的多个并行的裂缝不同的特性。
这些裂缝被创建因为重新定向过程具有以下特点:
1.他们的传播相互接近。
2.两个相邻的裂缝的前端处的压力可以产生足够的应力使它们在轨迹点彼此牢牢的抓紧。
3.他们往往合并在井筒附近并且沿井孔形成一个断裂。
4.两个相邻裂缝的轨迹表示沿主破裂面发生的步骤。
断裂的重新定位,产生的步骤和多处裂缝带来了一个有争议的讨论。
关于这个问题,后面给出一个简短的背景。
丹尼斯总结到,倾斜裂缝的延伸是拉伸强度和剪切破坏机制的结果,因为他们经历了重新定位的过程。
阿巴斯也同意这个观点,剪切和拉伸破坏模式导致了裂缝壁面粗糙不平。
鲍姆加特纳建议从斜井井筒开始的裂缝只限于拉伸破坏机制。
哈勒姆和拉斯特争论道,丹尼斯和阿巴斯所观察的表面粗糙的裂缝只是起始裂缝,在水力压裂过程中,他们可能会,也可能不会连接。
在这样的文学背景下,有两个问题需要回答:
(1)在倾斜的井筒开始形成裂缝的过程中是否存在剪切破坏。
(2)这些步骤是粗糙表面的一部分,单裂缝,或是启动裂缝。
在观测压裂水平井(这是一种特殊情况下的斜井)的基础上,我们将尝试回答这些问题。
要回答第一个问题,参阅图4和图8,它们分别显示了取向角为45°和60°的压裂水平井眼。
图4表示始于井眼方向并垂直于最小水平应力的平行裂缝仅是拉伸破坏引起的。
另一方面,如图8所示,裂缝在拉伸区域中,沿着井孔的低侧和高侧发起。
在井孔的一个短距离范围内拉伸区域减少,并且对于传播方向垂直于最小水平应力的裂缝来说,它必须经历一个重新定向过程。
每一步都是剪切破坏的结果,但是,它变成立即拉伸破坏模式的场所。
因此,剪切破坏对裂缝的重新定位是必要的。
多处裂缝将因此与井筒之间出现一段距离,并且它们趋向于彼此相互抓紧。
在第二个问题中提到的步骤是潜在的裂缝,如果允许多个裂缝之间有一定距离的取向角,他们将单独传播。
然而,对于低方位角度,他们会重叠并出现单裂缝。
T型裂缝
改变井筒的原位应力状态,并在井筒附近建立一个新的应力场。
由于近井的应力场,裂缝倾向于沿着井筒的低侧和高侧开始传播。
这是真实的,假设上覆应力是三个主要地应力之中的最大应力。
图9显示出测试样品H090的压裂结果,在最小水平应力的方向上出现了一个水平开放孔。
生成一个横向断裂,然而,另一裂缝也沿着井筒开始传播,从而形成一个T型裂缝结构。
当小于井筒直径时,纵向裂缝消失,导致大部分的能量被用于传播主要的横向裂缝,如图9右侧所示。
因此,如果我们设计一个在最小水平应力方向的裸眼井的增产措施,应期望有两个断裂系统:
(Ⅰ)的主要控制的横向断裂
(2)一个沿井筒,受近井地带地应力控制的断裂。
发起和推广的压力与方向角
断裂起始压力作为取向角的函数来分析,如图10所示。
很明显,由于相对于最大水平应力的取向角的增大起始压力有增加的趋
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