CN112016188A - 考虑流固耦合与应力阴影页岩裂缝剪切风险定量评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑流固耦合与应力阴影页岩裂缝剪切风险定量评价方法，其包括：考虑流固耦合复杂裂缝动态扩展模拟方法、天然裂缝扩展方向的判断准则、考虑应力阴影的裂缝剪切位移计算和页岩套管发生剪切变形的风险量化评价四个步骤；该方法可有效评价页岩压裂层段套管壁处受到的水力裂缝剪切位移量，实现压裂过程中套管发生剪切形变的风险预测，为指导及优化施工参数，保障井筒完整性，提供了有效手段与技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气藏增产改造技术领域，具体涉及考虑流固耦合与应力阴影页岩裂缝剪切风险定量评价方法。
技术背景
随着我国页岩气规模开发的不断深入，每年新钻井及压裂施工井数量急剧攀升，截止2019年底，中石油川南页岩气区块日产气量已突破3000万方每天，稳步站上了年产100亿方产能的新台阶。但随着压裂规模的不断增大，压裂井发生套变的趋势愈演愈烈，2019年川南某页岩气区块套变率高达50％。压裂井一旦发生套变将会制约压裂工艺措施的执行水平，甚至无法进行压裂增产作业，在很大程度上影响了页岩气压后投产。页岩气套管变形受诸多因素影响，特别是压裂裂缝扩展动态与多级压裂缝相互之间形成的诱导应力导致的水力裂缝发生剪切滑移，通常情况下水力裂缝的剪切滑移垂直于水平井筒，该位移的大小在一定程度上主控页岩气井套管是否发生变形。在考虑水力裂缝动态扩展条件下，如何有效计算诱导应力影响时水力裂缝发生的剪切位移量是当前压裂工程亟需解决的客观难题，根据研判结果采取适宜的优化措施以减少套变对压裂施工的影响对提升页岩气开发效益具有重要意义。
目前，针对页岩气套管变形的风险判断及预测，主要有两类方法，一是经验统计法，即统计页岩压裂施工的地质工程参数并进行相关性分析，根据与套变的相关性排序寻找影响套变的主控因素，该方法目前尚未得到影响套变的强相关性因素，预测的结果准确率低，无法满足矿场应用；二是应用广义剪切理论，对天然裂缝或弱面是否会被水力裂缝激活进行研判，该方法所需天然裂缝或弱面的参数较多，且目前技术手段难以提供，此外该方法只能进行定性判断，无法进行定量预测。卢聪、郭建春等提出了一种页岩地层天然裂缝剪切滑移量的计算方法，该方法主要应用二维位移不连续法计算天然裂缝的剪切滑移量，未考虑水力裂缝的扩展及应力阴影的影响，与生产实际存在较大差距。经调研发现，目前现有技术暂无对考虑流固耦合与应力阴影条件下页岩水力压裂剪切套变风险量化评价的相关方法或措施。
发明内容
本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供了一种考虑流固耦合与应力阴影页岩裂缝剪切风险定量评价方法。该方法充分考虑页岩压裂作业过程中缝内流体压力与裂缝动态扩展的相互作用，考虑多级水力裂缝相互间的应力干扰及天然裂缝与水力裂缝的交互作用等影响因素，应用岩石形变方程，结合实际页岩气井剪切套损变形量，优化位移不连续法求解套管壁处的累计剪切位移，并给出套管发生剪切破坏的风险评价等级。该方法可有效评价页岩压裂层段套管壁处受到的水力裂缝剪切位移量，实现压裂过程中套管发生剪切形变的风险预测，为指导及优化施工参数，保障井筒完整性，提供了有效手段与技术支撑。
本发明是采用下述技术方案实现的：
一种考虑流固耦合与应力阴影页岩裂缝剪切风险定量评价方法，其特征在于包括：考虑流固耦合复杂裂缝动态扩展模拟方法、天然裂缝扩展方向的判断准则、考虑应力阴影的裂缝剪切位移计算和页岩套管发生剪切变形的风险量化评价四个步骤；其中，所述考虑流固耦合复杂裂缝动态扩展模拟方法，主要包括流体流动、裂缝扩展两个主要数学模型的建立；所述天然裂缝扩展方向的判断准则，主要是指通过嵌入裂缝拉伸模式和滑移模式，对水力裂缝不沿主应力方向扩展或与其它裂缝相互作用时，天然裂缝在两种情况下的扩展方向判定；所述考虑应力阴影的裂缝剪切位移计算，主要是指在给定牵引边界条件下的岩石断裂和剪切形变的计算模型；所述页岩套管发生剪切变形的风险量化评价，主要是指通过对套管壁处裂缝的剪切位移量计算，根据不同位移量对套管发生剪切变形进行量化风险评价。
所述的流体流动模型的建立，主要是指裂缝扩展由不可压缩和非牛顿流体驱动，分段压裂产生多个裂缝，因此其流体流动由三部分组成：裂缝中的流体流动，水平井筒中的流体流动以及所有裂缝的总物质平衡，即有：
井筒流体流动
po＝pw,fi+ppf,fi+pcf,fi (1)
式中，P0为井口泵注压力，Pw,fi为第i条缝内压力，Ppf,fi为第i条缝孔眼摩阻，Pcf,fi为第i条缝沿程摩阻；
裂缝流体流动
式中，p是流体压力，q是注入流量，H是裂缝高度，w是水力裂缝宽度，s是水力裂缝的长度，n'和k'分别是流体幂律指数和一致性指数；
支撑剂运移方程
基质漏失方程
总物质守恒方程
所述的裂缝扩展模型的建立，主要是指裂缝扩展过程长度的增量过程，即有扩展方向判定准则：
式中式中KI是I型应力强度因子，KII是II型应力强度因子；θ平面内扩展方向逆时针的角度，由此可以解得裂缝的扩展方向为θ。
所述的天然裂缝扩展方向的判断准则，主要是指通过嵌入裂缝拉伸模式(模式I)和滑移模式(模式II)，对水力裂缝不沿主应力方向扩展或与其它裂缝相互作用时，天然裂缝在两种情况下的扩展方向判定，即有：
水力裂缝扩展方向方程
所述的考虑应力阴影的裂缝剪切位移计算，主要是指在给定牵引边界条件下的岩石断裂和剪切形变的计算模型，即有：
应力阴影控制方程
剪切位移计算方程
目标剪切位移量公式
式中(r,θ)是以裂缝尖端为原点的极坐标，裂缝平面与x方向平行，SHmax是在x方向上的最大水平应力，Shmin是在y方向上的最小水平应力，KI和KII分别是模式I和II应力强度因子，G是剪切模量，Dx和Dy是x和y方向的位移不连续量，Pfrac是流体内部压力，σn remote是由于远程边界条件引起的作用在单元上的法向应力，σs local是局部施加的作用在元件上的剪切牵引力(通常如果当裂纹表面接触时摩擦阻力为0，裂纹张开)，σs remote是边界剪切应力，如果裂缝与最小主应力垂直，Δσn等于净压力，C为影响系数。
所述页岩套管发生剪切变形的风险量化评价，主要是指通过对套管壁处裂缝的剪切位移量计算，根据不同位移量对套管发生剪切变形进行量化风险评价，即有：一级剪切套变风险：套管壁处剪切位移量值Do(mm)为(0,10)；二级剪切套变风险：套管壁处剪切位移量值Do(mm)为(11,20)；三级剪切套变风险：套管壁处剪切位移量值Do(mm)为(21,50)。
与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
1、本发明理论可靠，模型严谨，计算简便，考虑因素全面，结果符合实际，为页岩气水平井套管变形预测及判断提供了新的技术手段；
2、本发明在裂缝扩展方法上，考虑了缝内流体压力与岩石形变之间的流固耦合，同时兼顾了多级水力裂缝之间诱导应力对裂缝扩展的影响，使得水力裂缝的扩展及形态参数具有更高的可靠性；
3、本发明同时考虑了天然裂缝与水力裂缝的交互作用，并且明确了二者交互后的扩展方向，进一步提高了裂缝剪切位移量的计算精度；
4、本发明的评价手段设计理念新颖，思路清晰，方法便捷，实施步骤具有良好的可操作性，特别适宜页岩压裂现场推广应用。
附图说明
图1为本发明的裂纹的二维边界示意图
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进一步叙述，但本发明并不限于这些实施例。
一种考虑流固耦合与应力阴影页岩裂缝剪切风险定量评价方法，其特征在于包括：考虑流固耦合复杂裂缝动态扩展模拟方法、天然裂缝扩展方向的判断准则、考虑应力阴影的裂缝剪切位移计算和页岩套管发生剪切变形的风险量化评价四个步骤；其中，所述考虑流固耦合复杂裂缝动态扩展模拟方法，主要包括流体流动、裂缝扩展两个主要数学模型的建立；所述天然裂缝扩展方向的判断准则，主要是指通过嵌入裂缝拉伸模式和滑移模式，对水力裂缝不沿主应力方向扩展或与其它裂缝相互作用时，天然裂缝在两种情况下的扩展方向判定；所述考虑应力阴影的裂缝剪切位移计算，主要是指在给定牵引边界条件下的岩石断裂和剪切形变的计算模型；所述页岩套管发生剪切变形的风险量化评价，主要是指通过对套管壁处裂缝的剪切位移量计算，根据不同位移量对套管发生剪切变形进行量化风险评价。
所述的流体流动模型的建立，主要是指裂缝扩展由不可压缩和非牛顿流体驱动，分段压裂产生多个裂缝，因此其流体流动由三部分组成：裂缝中的流体流动，水平井筒中的流体流动以及所有裂缝的总物质平衡，即有：
井筒流体流动
po＝pw,fi+ppf,fi+pcf,fi (1)
式中，P0为井口泵注压力，Pw,fi为第i条缝内压力，Ppf,fi为第i条缝孔眼摩阻，Pcf,fi为第i条缝沿程摩阻；
裂缝流体流动
式中，p是流体压力，q是注入流量，H是裂缝高度，w是水力裂缝宽度，s是水力裂缝的长度，n'和k'分别是流体幂律指数和一致性指数；
支撑剂运移方程
基质漏失方程
总物质守恒方程
所述的裂缝扩展模型的建立，主要是指裂缝扩展过程长度的增量过程，即有扩展方向判定准则：
式中式中KI是I型应力强度因子，KII是II型应力强度因子；θ平面内扩展方向逆时针的角度，由此可以解得裂缝的扩展方向为θ。
所述的天然裂缝扩展方向的判断准则，主要是指通过嵌入裂缝拉伸模式(模式I)和滑移模式(模式II)，对水力裂缝不沿主应力方向扩展或与其它裂缝相互作用时，天然裂缝在两种情况下的扩展方向判定，即有：
水力裂缝扩展方向方程
所述的考虑应力阴影的裂缝剪切位移计算，主要是指在给定牵引边界条件下的岩石断裂和剪切形变的计算模型，即有：
应力阴影控制方程
剪切位移计算方程
目标剪切位移量公式
式中(r,θ)是以裂缝尖端为原点的极坐标，裂缝平面与x方向平行，SHmax是在x方向上的最大水平应力，Shmin是在y方向上的最小水平应力，KI和KII分别是模式I和II应力强度因子，G是剪切模量，Dx和Dy是x和y方向的位移不连续量，Pfrac是流体内部压力，σn remote是由于远程边界条件引起的作用在单元上的法向应力，σs local是局部施加的作用在元件上的剪切牵引力(通常如果当裂纹表面接触时摩擦阻力为0，裂纹张开)，σs remote是边界剪切应力，如果裂缝与最小主应力垂直，Δσn等于净压力，C为影响系数。
所述页岩套管发生剪切变形的风险量化评价，应用页岩气井套变统计的剪切位移量与模型计算值进行比对，对水力裂缝动态扩展过程中套管发生形变进行风险量化评价：
表1页岩套管剪切变形风险量化表
| 风险等级 | 套管壁处剪切位移量值D<sub>o</sub>(mm) |
| 一级剪切套变风险 | (0,10) |
| 二级剪切套变风险 | [10,20) |
| 三级剪切套变风险 | [20,50) |
Claims (6)
1.一种考虑流固耦合与应力阴影页岩裂缝剪切风险定量评价方法，其特征在于包括：考虑流固耦合复杂裂缝动态扩展模拟方法、天然裂缝扩展方向的判断准则、考虑应力阴影的裂缝剪切位移计算和页岩套管发生剪切变形的风险量化评价四个步骤；其中，所述考虑流固耦合复杂裂缝动态扩展模拟方法，主要包括流体流动、裂缝扩展两个主要数学模型的建立；所述天然裂缝扩展方向的判断准则，主要是指通过嵌入裂缝拉伸模式和滑移模式，对水力裂缝不沿主应力方向扩展或与其它裂缝相互作用时，天然裂缝在两种情况下的扩展方向判定；所述考虑应力阴影的裂缝剪切位移计算，主要是指在给定牵引边界条件下的岩石断裂和剪切形变的计算模型；所述页岩套管发生剪切变形的风险量化评价，主要是指通过对套管壁处裂缝的剪切位移量计算，根据不同位移量对套管发生剪切变形进行量化风险评价。
2.根据权利要求1所述的一种考虑流固耦合与应力阴影页岩裂缝剪切风险定量评价方法，其特征在于：所述的流体流动模型的建立，主要是指裂缝扩展由不可压缩和非牛顿流体驱动，分段压裂产生多个裂缝，因此其流体流动由三部分组成：裂缝中的流体流动，水平井筒中的流体流动以及所有裂缝的总物质平衡，即有：
井筒流体流动
po＝pw,fi+ppf,fi+pcf,fi (1)
式中，P0为井口泵注压力，Pw,fi为第i条缝内压力，Ppf,fi为第i条缝孔眼摩阻，Pcf,fi为第i条缝沿程摩阻；
裂缝流体流动
式中，p是流体压力，q是注入流量，H是裂缝高度，w是水力裂缝宽度，s是水力裂缝的长度，n'和k'分别是流体幂律指数和一致性指数；
支撑剂运移方程
基质漏失方程
总物质守恒方程
3.根据权利要求1或2所述的一种考虑流固耦合与应力阴影页岩裂缝剪切风险定量评价方法，其特征在于：所述的裂缝扩展模型的建立，主要是指裂缝扩展过程长度的增量过程，即有扩展方向判定准则：
式中式中KI是I型应力强度因子，KII是II型应力强度因子；θ平面内扩展方向逆时针的角度，由此可以解得裂缝的扩展方向为θ。
4.根据权利要求1所述的一种考虑流固耦合与应力阴影页岩裂缝剪切风险定量评价方法，其特征在于：所述的天然裂缝扩展方向的判断准则，主要是指通过嵌入裂缝拉伸模式(模式I)和滑移模式(模式II)，对水力裂缝不沿主应力方向扩展或与其它裂缝相互作用时，天然裂缝在两种情况下的扩展方向判定，即有：
水力裂缝扩展方向方程
5.根据权利要求1所述的一种考虑流固耦合与应力阴影页岩裂缝剪切风险定量评价方法，其特征在于：所述的考虑应力阴影的裂缝剪切位移计算，主要是指在给定牵引边界条件下的岩石断裂和剪切形变的计算模型，即有：
应力阴影控制方程
剪切位移计算方程
目标剪切位移量公式
式中(r,θ)是以裂缝尖端为原点的极坐标，裂缝平面与x方向平行，SHmax是在x方向上的最大水平应力，Shmin是在y方向上的最小水平应力，KI和KII分别是模式I和II应力强度因子，G是剪切模量，Dx和Dy是x和y方向的位移不连续量，Pfrac是流体内部压力，σn remote是由于远程边界条件引起的作用在单元上的法向应力，σs local是局部施加的作用在元件上的剪切牵引力，σs remote是边界剪切应力，如果裂缝与最小主应力垂直，Δσn等于净压力，C为影响系数。
6.根据权利要求1或5所述的一种考虑流固耦合与应力阴影页岩裂缝剪切风险定量评价方法，其特征在于：所述页岩套管发生剪切变形的风险量化评价，主要是指通过对套管壁处裂缝的剪切位移量计算，根据不同位移量对套管发生剪切变形进行量化风险评价，即有：一级剪切套变风险：套管壁处剪切位移量值Do(mm)为(0,10)；二级剪切套变风险：套管壁处剪切位移量值Do(mm)为(11,20)；三级剪切套变风险：套管壁处剪切位移量值Do(mm)为(21,50)。
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