CN113107363B - 一种促进裂隙错动提升自支撑能力的水平井施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种促进裂隙错动提升自支撑能力的水平井施工方法，适用于煤矿井下。首先储层参数探测，获取储层目标开采层段的岩石力学参数、地应力参数；施工竖井，竖井轴向垂直于最大与最小水平主应力方向所在平面；施工转向水平井，转向后的水平井轴向与最大水平主应力方向呈夹角；在水平井中射孔扩缝，射孔产生相间的纵向双翼裂缝，扩缝后，裂缝之间构成一个过水平井轴线且与最大、最小水平主应力所在的平面相垂直的裂缝面；裂缝错动自支撑，利用人工压裂手段促进裂缝上下断面发生错动滑移，构建立体自支撑裂缝网络。
Description
技术领域
本发明涉及一种水平井施工方法，尤其适用于一种促进裂隙错动提升自支撑能力的水平井施工方法。
背景技术
煤层气藏、致密砂岩气藏、页岩气藏等非常规气藏的探勘开发已经成为热点。非常规油气藏储层具有埋藏深、闭合压力大、渗透率低等特点，为充分挖掘储层潜能，建立相互连通的裂缝网络是关键。然而，人工产生的裂缝在闭合压力的作用下，可能会重新闭合。为此，国内外学者对自支撑压裂增产理论进行了研究，自支撑压裂施工中不使用或者使用少量的支撑剂，直接产生裂缝，裂缝面在剪切应力作用下发生错动滑移，由于裂缝断面往往呈现不规则的凹凸形态，错动后的裂缝上下断面的微凸点能够起到相互支撑的效果，有效提高裂缝的导流能力。
水平井分段压裂已经成为致密气储层开发的重要方式，与传统钻井工艺相比，水平井钻井成本有着明显的优势，在我国有着广泛的应用空间。水平井是泛指井倾斜角处于90°左右区域内的直段井总称，水平井井深沿水平方向钻进至气储层，通过地下泵组和地面设备配合实现开采。一般情况下水平井的井身较度与90°存在一定的偏差，根据油气藏的实际情况一般会进行角度调整。
研究地下岩体的裂缝自支撑特性，必须考虑地下岩体中存在的三个主地应力，即最大水平主应力、最小水平主应力、垂直主应力，三个主地应力在方向上两两相互垂直。研究指出，采取人工压裂措施产生的裂缝，其扩展路径受储层原岩地应力场的影响。
为提升裂缝网络的自支撑能力，从促进裂隙错动的角度出发，基于原岩应力场对裂缝进行受力分析，得到裂缝面与三大主地应力之间的角度关系，并由此优化水平井转向方向选择，以期在原岩地应力场的作用下保证裂缝的错动滑移量，增加自支撑的裂缝数量。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种促进裂隙错动提升自支撑能力的水平井施工方法，从促进裂隙错动的角度出发，需要研究人工造缝时裂缝面与三大主地应力之间的角度关系，以期在原岩地应力场的作用下保证裂缝的错动滑移量，进而提升裂缝网络的自支撑能力。
为达到上述目的，本发明促进裂缝错动提升自支撑能力的水平井施工方法，其特征在于步骤为：
a首先获取储层目标开采层段的岩石力学参数、地应力参数，所述岩石力学参数包括弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力，所述地应力参数包括垂直主应力、最大水平主应力和最小水平主应力的大小与方向；
b在地面打设竖井至储层目标开采层段，竖井井段轴向垂直于最大与最小水平主应力方向所在平面；
c在竖井的端部转向施工水平井，水平井轴向与最大水平主应力方向呈夹角；
d下放射孔枪于水平井段，利用射孔枪在水平井的上下分别垂直布置两排聚能射孔，射孔的方向垂直于水平井轴线且与垂直主应力方向平行，并通过聚能射孔造缝在水平井的上下产生对称式的纵向双翼裂缝簇；射孔孔径为5-7cm，产生射孔间距为20cm的裂缝簇；
e回收射孔枪并对水平井进行封孔，利用水力压裂技术向水平井段中注入压裂液进一步对射孔造缝形成的裂缝簇进行扩缝压裂，使相邻射孔裂缝之间互相连通，构成一个过水平井轴线且与最大、最小水平主应力所在平面相垂直的平面，此平面即为纵向裂缝面，即裂缝长度方向平行于水平井轴线方向；
f裂缝错动自支撑：用高能气体燃爆压裂技术促进裂缝剪切错动滑移，构建出立体自支撑裂缝网络。
所述转向施工水平井步骤中水平井轴向角度的选择以及射孔扩缝步骤中射孔方向的选择过程如下：
裂缝的张开程度为：
式中e0为人工压裂措施作用下裂缝长短轴之比；e为人工压裂措施撤去后，原岩地应力作用下压缩后的裂缝长短轴之比，完全闭合时取0；υ为泊松比；E为弹性模量；σep为裂缝有效压应力；
由式(1)可知，e0-e越大，意味着裂缝在σep的作用下更易闭合，在原岩地应力场中，裂缝有效压应力为：
式中σH为最大水平主应力；σh为最小水平主应力；σv为垂直主应力；α为裂缝面与最大水平主应力的夹角，α∈[0°，90°]；β为裂缝面法向与垂直主应力的夹角，β∈[0°，90°]；
已知f(α)＝cos2α在区间[0°，90°]上单调递减，分别将区间左右端点值代入式(1)，可得
由于σH﹥σh，所以有(e0-e)90°﹥(e0-e)0°，
所以α＝0°时，裂缝张开程度最大，即沿着最大水平主应力方向最不易闭合；此时式(2)化简为：
σep＝σhsin2β+σvcos2β (4)
在σHv型、σv型原岩地应力场中，有σv﹥σh，所以当β＝90°时，σep取最小值，数值上等于最小水平主应力。
综上，由式(1)、式(2)可知，裂缝的张开程度与有效应力σep存在线性负相关关系，而有效应力σep又与主应力和裂缝面角度有关；
在剪应力作用下，裂纹表面互相滑移产生剪切型裂纹，采用摩尔-库伦破坏准则研究剪应力作用下的裂缝面的错动，当某一面上的剪应力τ超过其所能承受的极限剪应力τf，岩石便发生剪切破坏，即破坏准则为：
τ≥τf (5)
极限剪应力τf是关于有效压应力σep的函数，公式为：
式中τf为极限剪应力；为岩石内摩擦角；c为岩石黏聚力；
根据线弹性理论，平面应力状态下，岩石受最大水平主应力σH和最小水平主应力σh，作用在裂缝面上的有效压应力σep和剪切应力τ分别为：
式中，σep为最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的法向应力，即β＝90°时的有效应力；
τ为最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的剪切应力。
联立式(5)(6)(7)(8)，则：
令δ＝τ-τf，可知δ越大表示剪切破坏越易发生，裂缝面错动滑移量越大；
由于最大水平主应力σH、最小水平主应力σh、岩石内摩擦角、岩石黏聚力c是可测得的参数，故定义错动滑移量δ关于夹角α的函数关系式δ(α)有：
其中，常量常量/>α表示水平井轴向与最大水平主应力方向夹角，
由辅助角公式可得，
其中，常量
由正弦函数性质，当k∈Z时，函数δ(α)取得最大值；
因为α∈[0°，90°]，故当水平井轴向与最大水平主应力方向夹角α满足：
时，裂缝面错动程度最大。
所述步骤f中的高能气体为甲烷气体。
有益效果：本发明通过选择合适的角度施工水平井，所选取的施工转向在使裂缝保持一定张开程度的前提下可以充分利用原岩地应力场对裂缝的剪切作用，前期配合聚能射孔造缝和水力压裂扩缝，形成平行于水平井轴向的纵向裂缝面，后期利用技术手段主要为甲烷高能气体燃爆压裂，使裂缝面最大程度地发生错动滑移，实现较为良好的自支撑效果，使得未闭合裂缝数量增加，进而提高人工裂缝的导流能力，提高储层气体抽采效率。
附图说明
图1为本发明的促进裂隙错动提升自支撑能力的水平井施工方法的步骤图；
图2(a)为本发明促进裂隙错动提升自支撑能力的水平井施工示意图；
图2(b)为本发明促进裂隙错动提升自支撑能力的水平井上射孔施工示意图；
图2(c)为本发明促进裂隙错动提升自支撑能力的水平井上生成纵向裂缝面示意图；
图3(a)为本发明促进裂隙错动提升自支撑能力的水平井施工方法的立体受力图；
图3(b)为本发明促进裂隙错动提升自支撑能力的水平井施工方法的平面受力图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的促进裂缝错动提升自支撑能力的水平井施工方法，其特征在于步骤为：
a首先获取储层目标开采层段的岩石力学参数、地应力参数，所述岩石力学参数包括弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力，所述地应力参数包括垂直主应力、最大水平主应力和最小水平主应力的大小与方向；
b在地面打设竖井至储层目标开采层段，竖井井段轴向垂直于最大与最小水平主应力方向所在平面；
c在竖井的端部转向施工水平井，水平井轴向与最大水平主应力方向呈夹角；
d下放射孔枪于水平井段，利用射孔枪在水平井的上下分别垂直布置两排聚能射孔，射孔的方向垂直于水平井轴线且与垂直主应力方向平行，并通过聚能射孔造缝在水平井的上下产生对称式的纵向双翼裂缝簇；射孔孔径为5-7cm，产生射孔间距为20cm的裂缝簇；
e回收射孔枪并对水平井进行封孔，利用水力压裂技术向水平井段中注入压裂液进一步对射孔造缝形成的裂缝簇进行扩缝压裂，使相邻射孔裂缝之间互相连通，构成一个过水平井轴线且与最大、最小水平主应力所在平面相垂直的平面，此平面即为纵向裂缝面，即裂缝长度方向平行于水平井轴线方向；
f裂缝错动自支撑：用甲烷气体燃爆压裂技术促进裂缝剪切错动滑移，构建出立体自支撑裂缝网络。
所述转向施工水平井步骤中水平井轴向角度的选择以及射孔扩缝步骤中射孔方向的选择过程如下：
裂缝的张开程度为：
式中e0为人工压裂措施作用下裂缝长短轴之比；e为人工压裂措施撤去后，原岩地应力作用下压缩后的裂缝长短轴之比，完全闭合时取0；υ为泊松比；E为弹性模量；σep为裂缝有效压应力；
由式(1)可知，e0-e越大，意味着裂缝在σep的作用下更易闭合，在原岩地应力场中，有效压应力为：
式中σH为最大水平主应力；σh为最小水平主应力；σv为垂直主应力；α为裂缝面与最大水平主应力的夹角，α∈[0°，90°]；β为裂缝面法向与垂直主应力的夹角，β∈[0°，90°]；
已知f(α)＝cos2α在区间[0°，90°]上单调递减，分别将区间左右端点值代入式(1)，可得
由于σH﹥σh，所以有(e0-e)90°﹥(e0-e)0°，
所以α＝0°时，裂缝张开程度最大，即沿着最大水平主应力方向最不易闭合；此时式(2)化简为：
σep＝σhsin2β+σvcos2β (4)
在σHv型、σv型原岩地应力场中，有σv﹥σh，所以当β＝90°时，σep取最小值，数值上等于最小水平主应力。
综上，由式(1)、式(2)可知，裂缝的张开程度与有效应力σep存在线性负相关关系，而有效应力σep又与主应力和裂缝面角度有关；
在剪应力作用下，裂纹表面互相滑移产生剪切型裂纹，采用摩尔-库伦破坏准则研究剪应力作用下的裂缝面的错动，当某一面上的剪应力τ超过其所能承受的极限剪应力τf，岩石便发生剪切破坏，即破坏准则为：
τ≥τf (5)
极限剪应力τf是关于有效压应力σep的函数，公式为：
式中τf为极限剪应力；为岩石内摩擦角；c为岩石黏聚力；
根据线弹性理论，平面应力状态下，岩石受最大水平主应力σH和最小水平主应力σh，作用在裂缝面上的有效压应力σep和剪切应力τ分别为：
式中，σep为最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的法向应力，即β＝90°时的有效压应力；τ为最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的剪切应力。
联立式(5)(6)(7)(8)，则：
令δ＝τ-τf，可知δ越大表示剪切破坏越易发生，裂缝面错动滑移量越大；
由于最大水平主应力σH、最小水平主应力σh、岩石内摩擦角岩石黏聚力c是可测得的参数，故定义错动滑移量δ关于夹角α的函数关系式δ(α)：
其中，常量常量/>α表示水平井轴向与最大水平主应力方向夹角，
由辅助角公式可得，
其中，常量
由正弦函数性质，当k∈Z时，函数δ(α)取得最大值；
因为α∈[0°，90°]，故当水平井轴向与最大水平主应力方向夹角α满足：
时，裂缝面错动程度最大。
实施例一、
以某页岩储层为例，采用本发明提供的一种促进裂隙错动提升自支撑能力的水平井施工方法，如图1所示，主要步骤如下：
(A)储层参数探测。所述实施例中的页岩储层岩石力学与地应力各项参数如表1所示：
表1储层参数
(B)竖井施工；
(C)射孔扩缝。如图2、图3，为探究射孔所产生的裂缝角度与裂缝在原岩地应力场作用下的错动滑移量的关系，对裂缝面进行张开程度与错动程度分析，其中的受力分析包括垂直主应力、最大水平主应力、最小水平主应力、有效压应力、剪切应力等。
根据式(12)计算裂缝角度为
根据式(7)式(8)计算得出有效压应力为
根据式(1)计算得出裂缝张开程度为
根据式(8)计算得出剪应力为
根据式(10)计算错动滑移函数值为
(D)-(E)略。
Claims (2)
1.一种促进裂缝错动提升自支撑能力的水平井施工方法，其特征在于步骤为：
a首先获取储层目标开采层段的岩石力学参数、地应力参数，所述岩石力学参数包括弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力，所述地应力参数包括垂直主应力、最大水平主应力和最小水平主应力的大小与方向；
b在地面打设竖井至储层目标开采层段，竖井井段轴向垂直于最大与最小水平主应力方向所在平面；
c在竖井的端部转向施工水平井，水平井轴向与最大水平主应力方向呈夹角；
d下放射孔枪于水平井段，利用射孔枪在水平井的上下分别垂直布置两排聚能射孔，射孔的方向垂直于水平井轴线且与垂直主应力方向平行，并通过聚能射孔造缝在水平井的上下产生对称式的纵向双翼裂缝簇；
e回收射孔枪并对水平井进行封孔，利用水力压裂技术向水平井段中注入压裂液进一步对射孔造缝形成的裂缝簇进行扩缝压裂，使相邻射孔裂缝之间互相连通，构成一个过水平井轴线且与最大、最小水平主应力所在平面相垂直的平面，此平面即为纵向裂缝面，即裂缝长度方向平行于水平井轴线方向；
f裂缝错动自支撑：用高能气体燃爆压裂技术促进裂缝剪切错动滑移，构建出立体自支撑裂缝网络；
射孔孔径为5-7cm，产生射孔间距为20cm的裂缝簇；
所述转向施工水平井步骤中水平井轴向角度的选择以及射孔扩缝步骤中射孔方向的选择过程如下：
裂缝的张开程度为：
式中e0为人工压裂措施作用下裂缝长短轴之比；e为人工压裂措施撤去后，原岩地应力作用下压缩后的裂缝长短轴之比，完全闭合时取0；υ为泊松比；E为弹性模量；σep为裂缝有效压应力；
由式(1)可知，e0-e越大，意味着裂缝在σep的作用下更易闭合，在原岩地应力场中，有效压应力为：
式中σH为最大水平主应力；σh为最小水平主应力；σv为垂直主应力；α为裂缝面与最大水平主应力的夹角，α∈[0°，90°]；β为裂缝面法向与垂直主应力的夹角，β∈[0°，90°]；
已知f(α)＝cos2α在区间[0°，90°]上单调递减，分别将区间左右端点值代入式(1)，可得
由于σH﹥σh，所以有(e0-e)90°﹥(e0-e)0°，
所以α＝0°时，裂缝张开程度最大，即沿着最大水平主应力方向最不易闭合；此时式(2)化简为：
σep＝σh sin2β+σvcos2β (4)
在σHv型、σv型原岩地应力场中，有σv﹥σh，所以当β＝90°时，σep取最小值，数值上等于最小水平主应力；
综上，由式(1)、式(2)可知，裂缝的张开程度与有效应力σep存在线性负相关关系，而有效应力σep又与主应力和裂缝面角度有关；
在剪应力作用下，裂纹表面互相滑移产生剪切型裂纹，采用摩尔-库伦破坏准则研究剪应力作用下的裂缝面的错动，当某一面上的剪应力τ超过其所能承受的极限剪应力τf，岩石便发生剪切破坏，即破坏准则为：
τ≥τf (5)
极限剪应力τf是关于有效压应力σep的函数，公式为：
式中τf为极限剪应力；为岩石内摩擦角；c为岩石黏聚力；
根据线弹性理论，平面应力状态下，岩石受最大水平主应力σH和最小水平主应力σh，作用在裂缝面上的有效压应力σep和剪应力τ分别为：
式中，σep为最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的法向应力，即β＝90°时的有效压应力；τ为最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的剪应力；
联立式(5)(6)(7)(8)，则：
令δ＝τ-τf，可知δ越大表示剪切破坏越易发生，裂缝面错动滑移量越大；
由于最大水平主应力σH、最小水平主应力σh、岩石内摩擦角岩石黏聚力c是可测得的参数，故定义错动滑移量δ关于夹角α的函数关系式δ(α)：
其中，常量常量/>α表示水平井轴向与最大水平主应力方向夹角，
由辅助角公式可得，
其中，常量
由正弦函数性质，当k∈Z时，函数δ(α)取得最大值；
因为α∈[0°，90°]，故当水平井轴向与最大水平主应力方向夹角α满足：
时，裂缝面错动程度最大。
2.根据权利要求1所述的一种促进裂缝错动提升自支撑能力的水平井施工方法，其特征在于，所述步骤f中的高能气体为甲烷气体。
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