水力压裂多裂缝基础理论研究

论文摘要

水力压裂是一种广泛应用的改造低渗储层的工艺技术。自上世纪八十年代以来，随着石油工业的发展、需要改造储层的复杂性增加，人们认识到用单一平面裂缝理论无法在理论上圆满解释一些施工参数、施工情况；多种检测手段证明地下存在多条横向上或纵向上同时延伸的裂缝，而这也是造成早期砂堵与加砂施工失败的原因；目前关于多裂缝的理论模型较少。因此，迫切需要研究多裂缝的形成机理、多裂缝同时延伸的模型等，来研究、理解多裂缝存在的利弊、多裂缝延伸的施工压力异常、多裂缝情况下的裂缝延伸形态、早期砂堵机理等，进而为多裂缝的消除提供理论上的支撑，以指导人们顺利改造低渗透、复杂储层。另一方面，也将提升人们对压裂机理的认识，促进基础理论的发展。 多裂缝理论是水力压裂理论的前沿理论，研究难度较大，面临问题很多。本文完成了以下探索研究工作，形成了一套研究多裂缝问题的思路与模型： 1、根据弹性力学、岩石力学、断裂力学、空间几何的基本原理，建立了套管射孔斜井中射孔孔眼周围两孔相交处由于应力的“二次集中”而产生的切应力的计算模型；建立了存在较小微环面情况下、较大微环面情况下套管射孔斜井的破裂压力计算模型。根据类比推理，建立了射孔孔眼内部的破裂压力模型；建立了射孔破裂后形成的裂缝对相邻射孔孔眼破裂压力影响的模型；建立了一般斜井不同方位射孔处起裂裂缝的总的转向角度的计算模型。 2、利用弹性力学、工程力学、断裂力学、有限元基本理论的相关理论，建立了三种用于计算应力强度因子的理论模型，即端部应力模型、DDM模型、位错密度模型；建立了计算转向角度的几种模型。上述模型可用于研究近井裂缝连接。 3、在普通二维压裂模型的基础上，考虑近井裂缝转向与沿程闭合应力变化，建立了二维单裂缝转向延伸的新模型，该模型解法的主要特点是以每单元的长度为准去搜索对应的延伸时间。 4、在考虑井筒流体压缩性形变的基础上，结合裂缝的延伸，建立了考虑井筒内压力升高的多个三维裂缝相继开启的新模型，主要包括井筒憋压模型、三维单裂缝转向延伸模型、井筒憋压模型，同时考虑裂缝连接模型和破裂压力模型，该模型用于压裂初期判断井底压力升高、多个裂缝相继开启的情况，模拟水力压裂过程中初期裂缝条数的变化。 5、结合井筒内压力协调的模型、多裂缝的连接模型、单个大裂缝的转向延伸模型的模拟结果，阐述了多裂缝的产生机理。 6、在考虑多裂缝的闭合应力干扰、滤失规律变化、裂缝转向、流量分流的基础上，建立了计算多条二维裂缝同时延伸的模型与多条纵向三维裂缝同时延伸的新模型，模拟了多裂缝闭合应力的干扰、滤失规律的变化对施工压力、裂缝宽度、长度的影响。 7、建立了分析不同方位起裂的转向多裂缝、同方位起裂的转向多裂缝、同方位起

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Contents
• 第一章 引言
• 1.1 水力压裂多裂缝机理研究的目的与意义
• 1.2 国内外的研究与发展现状
• 1.2.1 多裂缝的确认与鉴别
• 1.2.2 多裂缝起裂的破裂压力研究
• 1.2.3 多裂缝起裂的综合、动态原因研究
• 1.2.4 多裂缝转向与连接研究
• 1.2.5 多裂缝同时延伸模型研究
• 1.2.6 净压拟合研究
• 1.2.7 多裂缝的消除研究
• 1.3 本文技术思路、研究内容
• 1.3.1 技术思路
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 本文主要研究成果与发展
• 1.4.1 主要研究成果
• 1.4.2 主要发展
• 第二章 射孔斜井破裂压力及总转向角度研究
• 2.1 破裂压力研究
• 2.1.1 存在较小微环面时套管射孔斜井的破裂压力模型
• 2.1.1.1 裸眼斜井的井壁应力场及破裂压力理论
• 2.1.1.2 微环面理论
• 2.1.1.3 套管射孔斜井的破裂压力计算
• 2.1.2 射孔孔眼内部各点的破裂压力模型及应用分析
• 2.1.3 存在较大微环面时套管射孔斜井的破裂压力模型
• 2.1.4 射孔破裂后微裂缝对邻孔破裂压力的干扰研究
• 2.2 初始起裂位置平面的总转向角度研究
• 2.3 本文模型与M.M.Hossain模型计算结果的比较
• 2.4 纵向各射孔破裂压力的差别
• 2.5 破裂压力与总转向角度应用研究
• 2.6 本章小结
• 第三章 多裂缝的近井连接理论
• 3.1 裂缝尖端的应力强度因子
• 3.1.1 应力强度因子基本理论
• 3.1.2 井壁原应力场计算
• 3.1.3 端部应力模型
• 3.1.4 DDM模型（Displacement Discontinuity Method）
• 3.1.4.1 不连续位移求解
• 3.1.4.2 求解应力强度因子
• 3.1.5 位错密度模型
• 3.1.5.1 模型描述
• 3.1.5.2 模型求解
• 3.2 转向角度计算理论
• 3.2.1 最大拉应力理论
• 3.2.2 应变能密度因子理论
• 3.3 裂缝在井壁的转向轨迹与多裂缝连接可能性分析
• 3.3.1 单射孔裂缝延伸过程的计算步骤
• 3.3.2 井壁多裂缝的连接可能性几何分析
• 3.3.3 多裂缝连接的模拟结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 二维单裂缝转向模型
• 4.1 裂缝沿程闭合应力与转向计算
• 4.1.1 裂缝起裂位置
• 4.1.2 几何关系分析
• 4.1.3 沿裂缝各处的应力转换
• 4.1.4 转向裂缝尖端应力强度因子的求法
• 4.2 裂缝的延伸模型
• 4.2.1 质量守恒原理
• 4.2.2 压降求法
• 4.2.3 缝宽求法
• 4.2.4 各处流速的计算
• 4.2.5 计算的总体步骤及框图
• 4.3 影响裂缝转向的因素及裂缝转向过程的分析
• 4.3.1 起裂位置对井底压力的影响
• 4.3.2 排量对裂缝转向的影响
• 4.3.3 粘度对裂缝转向的影响
• 4.3.4 裂缝的粗糙度对裂缝转向的影响
• 4.3.5 裂缝转向对裂缝宽度的影响
• 4.3.6 井斜对裂缝转向的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 井筒协调条件下多裂缝的相继开启模型及多裂缝形成机理初探
• 5.1 井筒憋压模型的由来
• 5.2 井筒憋压模型
• 5.2.1 多余憋量与压力的关系
• 5.2.2 井底流出流量与常压下流量的关系
• 5.2.3 井底压力与裂缝延伸压力的协调
• 5.2.4 射孔压力降
• 5.3 裂缝延伸的三维模型
• 5.3.1 缝中流体流动的连续性方程
• 5.3.2 缝中压力分布的求法
• 5.3.3 裂缝宽度计算
• 5.3.4 裂缝高度方程
• 5.3.5 各裂缝之间的流量分配模型
• 5.4 考虑井筒压力协调的多条转向裂缝开启并延伸的模型解法
• 5.5 多裂缝相继起裂模型的结果分析
• 5.5.1 不同裂缝破裂时间的差别分析
• 5.5.2 井底排量、压力变化分析
• 5.5.3 射孔摩擦阻力的影响分析
• 5.6 多裂缝起裂机理初探
• 5.6.1 裂缝起裂过程是多个小裂缝向少数大裂缝的发展过程
• 5.6.2 地应力状况的影响
• 5.6.3 天然微裂缝的影响
• 5.6.4 井斜对多裂缝的影响
• 5.6.5 射孔位置的影响
• 5.6.6 射孔孔密的影响
• 5.6.7 射孔段厚度的影响
• 5.6.8 射孔方式的影响
• 5.6.9 地层倾斜的影响
• 5.6.10 微环面的影响
• 5.7 本章小结
• 第六章 多条裂缝的同时延伸模型及应用
• 6.1 等效多裂缝理论
• 6.2 同层不同方位起裂的多条二维裂缝模型
• 6.2.1 前置液阶段模型及计算步骤
• 6.2.2 加砂阶段模型
• 6.2.3 计算示例
• 6.3 同层同方位起裂的多条二维裂缝
• 6.4 不同层同方位起裂的多条三维裂缝
• 6.4.1 裂缝宽度方程
• 6.4.2 高度方程
• 6.4.3 压降方程
• 6.4.4 各层大裂缝纵向相交可能性分析
• 6.4.5 多层多裂缝三维压裂模型的求解方法和步骤
• 6.4.6 多层多裂缝三维压裂模型应用分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 多裂缝的危害、压力响应与消除
• 7.1 多裂缝及裂缝转向的危害浅析
• 7.2 多裂缝及转向裂缝的压力响应
• 7.2.1 压力响应分析
• 7.2.2 高施工压力产生的其它原因及特点
• 7.3 各种摩阻的特点及多裂缝识别理论
• 7.3.1 利用降低排量法分解近井地带的摩阻
• 7.3.2 利用压力降落（IT）与多级速率测试（MSRT）判断多裂缝
• 7.3.3 其它测试手段
• 7.4 多裂缝的消除
• 7.4.1 对地层的准确认识
• 7.4.2 合理的完井措施
• 7.4.2.1 完井段斜度选择
• 7.4.2.2 阻止较大微环面的形成
• 7.4.2.3 合理的射孔位置
• 7.4.2.4 合理的射孔方式
• 7.4.2.5 射孔层段厚度的选择
• 7.4.3 施工参数、流体参数的选择
• 7.4.4 多级支撑剂段塞技术降滤防堵
• 7.4.5 前置液量选择
• 7.4.6 小型测试压裂辅助补孔
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论与建议
• 8.1 主要结论
• 8.2 主要建议
• 致谢
• 参考文献
• 发表论文
• 答辩委员会