固井滑套端口參數(shù)對(duì)壓裂影響的試驗(yàn)研究及模擬分析

楊煥強(qiáng)， 王瑞和， 周衛(wèi)東， 李羅鵬， 桂 捷

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710021)

固井滑套端口參數(shù)對(duì)壓裂影響的試驗(yàn)研究
及模擬分析

楊煥強(qiáng)1， 王瑞和1， 周衛(wèi)東1， 李羅鵬1， 桂 捷2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710021)

為了解固井滑套端口參數(shù)對(duì)裂縫起裂壓力和裂縫形態(tài)的影響，利用全尺寸水力壓裂模擬試驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行了φ168.3 mm固井滑套不同類型端口下的滑套固井地面壓裂試驗(yàn)，采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在端口面積相同的條件下，槽型端口與翼型端口的起裂壓力相差較??；隨著端口角度的增大，起裂壓力呈升高的趨勢(shì)；端口長(zhǎng)度與端口數(shù)量對(duì)起裂壓力的影響較大，隨端口長(zhǎng)度的增大及端口數(shù)量的增多，起裂壓力降低；翼型端口及角度為0°槽型端口的試驗(yàn)樣本，壓裂后形成了較寬的單一對(duì)稱裂縫，帶角度端口的試驗(yàn)樣本破裂后形成的裂縫較為復(fù)雜。研究表明，端口角度及端口長(zhǎng)度與起裂壓力分別滿足二次函數(shù)關(guān)系；端口數(shù)量與起裂壓力呈線性關(guān)系。研究結(jié)果可為固井滑套端口參數(shù)的優(yōu)選提供理論依據(jù)及參考。

滑套固井 端口參數(shù) 起裂壓力 裂縫形態(tài) 壓裂試驗(yàn)

非常規(guī)油氣資源普遍具有滲透率低、產(chǎn)層薄、層數(shù)多和層間物性差異較大等性質(zhì)[1]，分層壓裂為開發(fā)該類油氣藏的主要技術(shù)[2-6]，但現(xiàn)有分層壓裂技術(shù)壓裂層數(shù)有限，存在較大的局限[7]?；坠叹侄螇毫鸭夹g(shù)是在固井技術(shù)的基礎(chǔ)上、結(jié)合了開關(guān)式固井滑套而形成的多層分段壓裂完井技術(shù)，與常規(guī)分層壓裂技術(shù)相比，具有不受層級(jí)限制、層數(shù)越多優(yōu)勢(shì)越明顯等特點(diǎn)[7-9]，成為開發(fā)非常規(guī)油氣資源的有效技術(shù)手段[10]。國(guó)外石油公司已在滑套固井壓裂技術(shù)的研究上取得了較大的進(jìn)展，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大規(guī)模的應(yīng)用，取得了較好的效果[11-14]。

固井滑套端口是壓裂液向水泥環(huán)或地層流通的通道，其合理的設(shè)計(jì)可以降低起裂壓力，減輕含砂流體對(duì)滑套孔眼周邊的沖蝕磨損[15]，減少?gòu)?fù)雜裂縫的產(chǎn)生和生成較寬的單一對(duì)稱裂縫。國(guó)外已針對(duì)φ139.7 mm套管開展了固井滑套端口參數(shù)對(duì)起裂壓力影響的試驗(yàn)研究，然而該研究的端口類型及試驗(yàn)樣本數(shù)較少，且端口面積不盡相同。因此，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)油田現(xiàn)場(chǎng)常用的φ168.3 mm固井滑套設(shè)計(jì)了不同類型的端口，并進(jìn)行了滑套固井壓裂試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)得到的各類型端口下的起裂壓力進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬分析，從降低起裂壓力的角度優(yōu)選了端口參數(shù)，以期為φ168.3 mm及其他尺寸固井滑套端口參數(shù)的優(yōu)選提供依據(jù)及參考。

1 滑套固井壓裂試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

固井滑套的端口基本參數(shù)主要包括角度、長(zhǎng)度、數(shù)量及有無(wú)側(cè)翼，綜合考慮以上參數(shù)，共設(shè)計(jì)11種端口。為了使相同壓力條件下端口水泥環(huán)處得到的水力能量相同，設(shè)計(jì)的各種類型端口面積相同，則各端口類型寬度不同。其中，翼型端口及帶角度槽型端口如圖1所示。

將端口角度為0°、長(zhǎng)度為160 mm、數(shù)量為6的槽型端口作為基準(zhǔn)端口，設(shè)計(jì)其余10種端口的參數(shù)(見表1)，將其余10種端口的試驗(yàn)結(jié)果與基準(zhǔn)端口進(jìn)行比較，分析端口參數(shù)變化對(duì)起裂壓力的影響。

其中，基準(zhǔn)端口與翼型端口用于比較端口有無(wú)側(cè)翼對(duì)起裂壓力的影響；基準(zhǔn)端口與不同角度、不同長(zhǎng)度、不同數(shù)量槽型端口，分別研究端口角度、端口長(zhǎng)度及端口個(gè)數(shù)對(duì)起裂壓力的影響。

1.2 試驗(yàn)樣本制備

采用水泥砂漿巖樣代替天然巖心進(jìn)行水力壓裂模擬試驗(yàn)。將水與G級(jí)油井水泥按質(zhì)量比0.4∶1.0混合制成模擬固井用水泥環(huán)；將水泥型號(hào)為425的水泥與黃沙、水按質(zhì)量比為1.00∶2.00∶0.42混合制成模擬地層。在試驗(yàn)樣本制作過(guò)程中，先將φ168.3 mm帶端口的滑套與直徑為240 mm、高為1.5 m的模具內(nèi)部環(huán)空用水泥漿膠結(jié)，養(yǎng)護(hù)72 h后拆除模具，以模擬固井水泥環(huán)；再將制好的水泥環(huán)置于直徑為0.9 m、高為1.5 m的模具中，并在環(huán)空內(nèi)灌注水泥砂漿，養(yǎng)護(hù)28 d，以模擬地層。按照上述巖樣制備方法，每種類型的端口制作3個(gè)試驗(yàn)樣本，共計(jì)33件。

1.3 試驗(yàn)方法

將高壓泵、高壓軟管、試驗(yàn)樣本、壓力變送器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接安裝完畢。開泵進(jìn)行壓裂試驗(yàn)，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄泵注壓力數(shù)據(jù)，試驗(yàn)樣本破裂后觀察裂縫形態(tài)，并沿裂縫面剖開試驗(yàn)樣本，記錄裂縫斷面。

2 起裂壓力試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 起裂壓力試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上試驗(yàn)方法，依次對(duì)33個(gè)試驗(yàn)樣本進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)過(guò)程中的壓力曲線，得到了33個(gè)試驗(yàn)樣本的起裂壓力(見表2)。

由表2可知，槽型端口起裂壓力略低于翼型端口。將端口角度、端口長(zhǎng)度及端口數(shù)量對(duì)起裂壓力影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖2—圖4所示。

由圖2—圖4可以看出，端口角度與起裂壓力的關(guān)系滿足二次函數(shù)關(guān)系，起裂壓力隨端口角度的增大而增大，當(dāng)端口角度達(dá)到一定值時(shí)，對(duì)起裂壓力的影響減弱；端口長(zhǎng)度與起裂壓力之間呈二次函數(shù)關(guān)系，起裂壓力隨端口長(zhǎng)度的增大而減小，當(dāng)端口長(zhǎng)度達(dá)到一定值時(shí)，對(duì)起裂壓力的影響減弱；端口數(shù)量與起裂壓力呈線性關(guān)系，隨著端口數(shù)量的增加，起裂壓力降低。

2.2 滑套端口參數(shù)對(duì)起裂壓力的影響分析

采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)起裂壓力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]等的研究，當(dāng)井壁存在的最大周向應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)初始裂縫，因此可以用端口水泥環(huán)處的最大周向應(yīng)力的大小來(lái)衡量起裂壓力的大小。試驗(yàn)樣本的套管、水泥環(huán)及地層材料參數(shù)見表3。

根據(jù)基準(zhǔn)端口的有限元數(shù)值模擬結(jié)果，端口水泥環(huán)處產(chǎn)生了周向應(yīng)力集中，當(dāng)端口水泥環(huán)處的最大周向應(yīng)力為5.27 MPa時(shí)，達(dá)到了水泥環(huán)的抗拉強(qiáng)度(見圖5)，此時(shí)壓裂液壓力為3.80 MPa，即起裂壓力為3.80 MPa，與試驗(yàn)得到的4.22 MPa的平均起裂壓力相比，誤差僅為9.8%。

當(dāng)向其他類型端口的套管內(nèi)壁及端口水泥環(huán)處施加3.80 MPa壓力時(shí)，各類型端口試驗(yàn)樣本的水泥環(huán)上產(chǎn)生的最大周向應(yīng)力見表4。

從表4可以看出，翼型端口在水泥環(huán)處產(chǎn)生的最大周向應(yīng)力比槽型端口小12%，即翼型端口不利于降低起裂壓力；隨著端口角度的增大，端口水泥環(huán)處產(chǎn)生的最大周向應(yīng)力有減小的趨勢(shì)，即起裂壓力隨著端口角度的增大而升高；端口長(zhǎng)度對(duì)最大周向應(yīng)力的影響較大，隨著端口長(zhǎng)度的增大，最大周向應(yīng)力增大，即增大端口長(zhǎng)度可明顯降低起裂壓力；隨著端口數(shù)量的增加，最大周向應(yīng)力有增加的趨勢(shì)，即起裂壓力隨著端口數(shù)量的增加而降低。這與試驗(yàn)得到的各類型端口對(duì)起裂壓力的影響規(guī)律一致。

3 裂縫形態(tài)分析

復(fù)雜的水力裂縫形態(tài)(包括彎曲縫、多裂縫等)可能會(huì)導(dǎo)致縫寬變窄、壓裂液效率降低、脫砂和壓裂施工凈壓力過(guò)高等問(wèn)題[18-19],因此需要對(duì)生成的裂縫形態(tài)進(jìn)行研究，優(yōu)選出能生成較寬的單一對(duì)稱裂縫的端口。

翼型端口及0°槽型端口沿端口方向產(chǎn)生周向應(yīng)力集中，且固井水泥環(huán)脆性較強(qiáng)，因此裂縫由端口處起裂后迅速擴(kuò)展形成了2條較大的單一對(duì)稱裂縫(見圖6)。對(duì)于帶角度的端口，由于水泥環(huán)在沿端口角度方向產(chǎn)生周向應(yīng)力集中，因此試驗(yàn)樣本破裂后,裂縫沿端口角度方向擴(kuò)展，在多個(gè)角度方向上形成了至少2個(gè)裂縫面的裂縫(見圖7)。以上分析可知，角度為0°的端口有利于生成較寬的單一對(duì)稱裂縫。

4 結(jié)論及建議

1) 在端口面積相同的條件下，翼型端口與槽型端口起裂壓力相差較?。欢丝诮嵌燃伴L(zhǎng)度與起裂壓力分別滿足二次函數(shù)關(guān)系，起裂壓力隨端口角度、長(zhǎng)度的增大或端口數(shù)量的增多而降低；端口數(shù)量與起裂壓力呈線性關(guān)系，隨著端口數(shù)量的增加，起裂壓力降低。

2) 翼型端口及端口角度為0°的槽型端口試驗(yàn)樣本的裂縫由端口處起裂后，形成了較寬的單一對(duì)稱裂縫；帶角度端口的試驗(yàn)樣本破裂后，裂縫沿端口角度方向擴(kuò)展，在多個(gè)角度方向上形成了至少2個(gè)裂縫面的裂縫。

3) 研究時(shí)未考慮固井滑套與水泥環(huán)間第一界面的膠結(jié)情況，后續(xù)研究中將考慮第一界面膠結(jié)質(zhì)量對(duì)起裂壓力的影響。

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[編輯 滕春鳴]

Testing and Simulating the Effect on Fracturing of Port Parameters
of a Cemented Sliding Sleeve

Yang Huanqiang1,Wang Ruihe1,Zhou Weidong1,Li Luopeng1,Gui Jie2

(1.SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong,266580,China;2.OilandGasTechnologyResearchInstitute,PetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’an,Shaanxi,710021,China)

In order to understand the effect of port parameters on fracture initiation pressure and fracture geometry,a fracturing test withφ168.3 mm cemented sliding sleeve that has different types of ports was conducted by theoretical and experimental studies.A ground test of cemented sliding-sleeve fracturing was carried out by use of full-size hydraulic fracturing simulation system,and the test result has been analyzed by using a finite element numerical simulation (FEM).The results show that fracture initiation pressure difference between slot-type port and wing-type port is smaller.The fracture initiation pressure rises with increase of the port angle.The length and quantity of the ports have a large effect on the fracture initiation pressure and the fracture initiation pressure decreases with increase of the port quantity and tube length.A test sample with a wing-type port and 0° slot-type port can form a single symmetric crack after fracturing,and the test sample of port with an angle can form a more complex one.The research results show that the port angle and tube length follow a quadric function relationship with the fracture initiation pressure,and the port quantity follows a linear relationship with the fracture initiation pressure.The results provide a basis and reference for optimizing the port parameters ofφ168.3 mm cemented sliding-sleeve and other sleeves.

sliding sleeve cementing;port parameters;fracture initiation pressure;fracture geometry;fracturing test

2014-09-05；改回日期：2015-02-09。

楊煥強(qiáng)(1985—)，男，山東安丘人，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)，2010年獲長(zhǎng)江大學(xué)油氣井工程專業(yè)碩士學(xué)位，油氣井工程專業(yè)在讀博士研究生，主要從事水力壓裂試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究工作。

國(guó)家科技重大專項(xiàng) “山西沁水盆地南部煤層氣直井開發(fā)示范工程二期”(編號(hào)：2011ZX05060)資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201502010

TE357.1+1;TE925+.2

A

1001-0890(2015)02-0054-05

聯(lián)系方式：yhq840310@sina.com。