劉曉明

長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100中石化江漢油田分公司坪北經(jīng)理部，湖北 潛江 433100

涪陵頁(yè)巖氣藏巖石破裂機(jī)理分析

劉曉明

長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100中石化江漢油田分公司坪北經(jīng)理部，湖北 潛江 433100

涪陵頁(yè)巖氣田通過(guò)前期對(duì)地層的認(rèn)識(shí)及實(shí)踐形成了 “混合壓裂、組合加砂”工藝，取得了較好的改造效果。從建立壓裂井筒模型出發(fā)，結(jié)合射孔理論及水力學(xué)計(jì)算，并通過(guò)與低排量常規(guī)壓裂、水力噴射壓裂的巖石破裂機(jī)理比較研究，對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層起裂瞬間的巖石破裂機(jī)理進(jìn)行分析，探討了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層“復(fù)雜縫/網(wǎng)縫+主縫”的壓裂理念以及頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂改造的復(fù)雜性。

涪陵；頁(yè)巖氣藏；破裂機(jī)理；壓裂

涪陵地區(qū)頁(yè)巖氣藏埋深適中，深度在2250～3500m之間。五峰-龍馬溪組以產(chǎn)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣為主，不產(chǎn)水；頁(yè)巖氣組分以CH4為主，平均體積分?jǐn)?shù)98.27%，烴類(lèi)總體積分?jǐn)?shù)超過(guò)99%，不含H2S，為典型的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣，目的層溫度85.99℃，地溫梯度為2.91℃/100m，地層壓力因數(shù)為1.55。頁(yè)巖儲(chǔ)層段孔隙度主要介于3%～7%區(qū)間范圍內(nèi)，平均4.61%。垂直滲透率低于水平滲透率，垂直滲透率普遍低于1mD，平均值為3.2mD，水平滲透率普遍高于10mD，平均值為133mD。

在涪陵焦石壩地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，形成了“復(fù)雜縫/網(wǎng)縫+主縫”的壓裂理念，實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的“混合壓裂、組合加砂”的壓裂改造，截止到2015年3月，累計(jì)壓裂施工108口井，工藝成功率100%，有效率100%，平均單井無(wú)阻流量51.2×104m3，累計(jì)產(chǎn)氣14.8×108m3，建成產(chǎn)能30×108m3，壓裂改造成果顯著。通過(guò)對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層起裂瞬間的巖石破裂機(jī)理進(jìn)行分析，并與低排量常規(guī)壓裂、水力噴射壓裂的巖石破裂機(jī)理相對(duì)比，分析頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂改造的復(fù)雜性。

1 涪陵頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層破裂壓力計(jì)算

2 壓裂井筒模型建立

為了更好地分析頁(yè)巖氣井壓裂起裂瞬間巖石的破碎機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的鉆完井井身結(jié)構(gòu)和射孔參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)建立了壓裂井筒模型。

圖1 套管及水泥環(huán)示意圖

涪陵焦石壩頁(yè)巖氣目的層鉆開(kāi)儲(chǔ)層的鉆頭直徑為215.9mm，下入的套管外徑為139.7mm，壁厚12.34mm，內(nèi)徑為115.02mm。假設(shè)下入的套管位于鉆開(kāi)通道的正中心，那么水泥環(huán)單邊厚度為38.1mm，如圖1所示。

采用的SDP35HMX25-4XF射孔彈理論射孔深度為1m，大于水泥環(huán)深度，參數(shù)見(jiàn)表1。因此，壓裂液流經(jīng)孔眼后會(huì)繼續(xù)延伸1m，由于施工過(guò)程中排量不斷地得到補(bǔ)充，在地層破裂瞬間之前，整個(gè)流通通道內(nèi)會(huì)存在高速壓裂液，由于液體的慣性作用，高速流動(dòng)的液體瞬間遇阻于一個(gè)封閉的空間，就會(huì)在液體延伸的前端產(chǎn)生一個(gè)瞬間的沖擊壓力，沖擊力的主要作用范圍為射孔彈前端的截面積，在這個(gè)作用瞬間整個(gè)射孔通道的側(cè)面積則會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生摩阻消耗，同時(shí)由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層縱向滲透率極低加上此過(guò)程時(shí)間極短(約0.017～0.05s)，液體的濾失和水流的發(fā)散因素可以忽略。只有當(dāng)沖擊力大于巖石破裂應(yīng)力時(shí)，才會(huì)發(fā)生巖石的沖擊破裂。依據(jù)建立微型的射孔通道模型，對(duì)該過(guò)程中壓裂液的沖擊壓力進(jìn)行計(jì)算，整個(gè)過(guò)程受力主要包括巖石破裂應(yīng)力、射孔孔眼摩阻、通道摩阻、沖擊力。

表1 射孔參數(shù)

3 頁(yè)巖氣壓裂巖石破碎機(jī)理

在建立的壓裂井筒模型基礎(chǔ)上，分析壓裂液在通過(guò)炮眼進(jìn)入射孔通道到達(dá)前端作用區(qū)域之前，會(huì)受到孔眼摩阻損失和射孔通道側(cè)面積的摩阻損耗，開(kāi)展液體經(jīng)過(guò)射孔通道后的力學(xué)分析，以分析射孔前端截面積處巖石的受力情況。

3.1 射孔摩阻損失計(jì)算

套管中流體在進(jìn)入孔眼的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生孔眼摩阻，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ppf為射孔孔眼摩阻，Pa；Q為壓裂液注入流量，m3/min；ρ為壓裂液混合密度，kg/m3；d為孔眼直徑，m；n為孔眼數(shù)量，個(gè)；C為系數(shù)常數(shù)，0.8～1.0。

由于孔眼摩阻對(duì)液體所產(chǎn)生的阻力表現(xiàn)在施工壓力上，即在持續(xù)保持壓裂液注入流量為14m3/min的施工過(guò)程中，進(jìn)入孔眼的流體總質(zhì)量不會(huì)改變，進(jìn)入射孔孔眼后的流速不會(huì)改變，因此孔眼摩阻不會(huì)對(duì)后續(xù)的沖擊力產(chǎn)生影響。

3.2 瞬時(shí)摩阻損失計(jì)算

結(jié)合頁(yè)巖氣井射孔參數(shù)可知，每次射孔總長(zhǎng)度為3m，總計(jì)60孔，孔徑為9.5mm，假設(shè)每孔均勻進(jìn)液，利用公式(2)計(jì)算不同注入排量孔眼流速，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

(2)

式中：v為流速，m/s；A為孔眼總面積，m2。

高速流體經(jīng)過(guò)內(nèi)徑9.5mm的圓筒通道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生阻力損失，采用的壓裂液減阻劑為非牛頓流體，需要借助一些經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算，通常采用的是冪律流體紊流摩阻系數(shù)Blasius 型經(jīng)驗(yàn)式：

(3)

式中：f為紊流摩阻系數(shù)，1；Re為雷諾數(shù)，1；a、b為冪律流體參數(shù)，與流變指數(shù)n關(guān)系擬合式為a= 0.0665 + 0.01175n；b=0.365-0.1775n+ 0.0625n2。

表2 不同施工排量下單孔眼流速值

推導(dǎo)出的損失力(摩阻力)為：

(4)

式中：F2為射孔通道中損失力，N；t為時(shí)間，s。

根據(jù)公式(4)計(jì)算出1m射孔通道中的損失力，見(jiàn)表3。

表3 摩阻及損失力計(jì)算

3.3 沖擊力計(jì)算

動(dòng)量定理反映了力對(duì)時(shí)間的累積效應(yīng)(沖量)，其增量是力在時(shí)間上的積累。高速流體作用在前端截面時(shí)速度瞬時(shí)變?yōu)?或逆向速率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊力，此沖擊力的大小可以分析液體對(duì)巖石的破壞性。

已知?jiǎng)恿慷ɡ砣缦拢?/p>

Ft=mv1-mv2

(5)

1m射孔距離液體從急速瞬間變?yōu)?，作用過(guò)程是一個(gè)短暫的累積作用，可以利用動(dòng)量定理計(jì)算單孔沖擊力的大小，即有：

(6)

(7)

(8)

推導(dǎo)理論上連續(xù)噴射作用在物體上的沖擊力為：

(9)

作用在前端截面積上的沖擊壓力：

(10)

式中：p為沖擊壓力，Pa；F為瞬時(shí)沖擊力，N；m為作用瞬間流體質(zhì)量，kg；t為瞬時(shí)作用時(shí)間，s。

根據(jù)公式(5)計(jì)算不同施工排量下的沖擊壓力，結(jié)果見(jiàn)表4。當(dāng)施工排量達(dá)到12m3/min時(shí)，靠水流的沖擊壓力產(chǎn)生的壓力大于沿巖石本體拉伸破壞和沿裂縫剪切破壞的壓力，產(chǎn)生劈裂破壞，再加上后續(xù)持續(xù)的液體注入迫使巖石產(chǎn)生拉伸破壞和剪切破壞，從而產(chǎn)生復(fù)雜的壓裂裂縫。頁(yè)巖氣復(fù)雜的起裂方式，必然引起射孔周?chē)喾N張開(kāi)性裂縫，從裂縫起裂角度證實(shí)了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂改造的復(fù)雜性。

表4 不同施工排量下的沖擊力

3.4 起裂機(jī)理對(duì)比

通過(guò)對(duì)幾種壓裂的起裂機(jī)理分析，3種裂縫對(duì)比情況見(jiàn)表5。通過(guò)與水力噴射和常規(guī)壓裂方式的對(duì)比，頁(yè)巖氣井這種依靠高速高壓水流快速壓開(kāi)地層，并通過(guò)持續(xù)施壓促使地層裂縫快速拓展和延伸的起裂方式能夠增加裂縫的復(fù)雜程度，達(dá)到充分改造儲(chǔ)層的目的。因此，后續(xù)壓裂施工時(shí)，能夠瞬間提升施工排量至12m3/min以上，能夠更有力地增加裂縫的復(fù)雜性，提高改造效果。

表5 3種裂縫對(duì)比

4 結(jié)論

1)頁(yè)巖氣壓裂具備高速水流沖擊破裂巖石的理論基礎(chǔ)。從建立壓裂井筒模型出發(fā)，結(jié)合射孔理論及水力學(xué)計(jì)算公式，對(duì)頁(yè)巖氣井瞬時(shí)起裂壓力進(jìn)行了計(jì)算分析，水流沖擊力大于巖石本體破裂壓力時(shí)，可以沖擊破碎巖石。同時(shí)，通過(guò)與水力壓裂和常規(guī)壓裂起裂機(jī)理對(duì)比分析，表明高速水流沖擊破壞，有利于提高頁(yè)巖氣井近井筒裂縫的復(fù)雜性。

2)高速水流沖擊大幅度提高了近井筒附近的復(fù)雜程度。單孔高速水流起到了一定的水力噴射作用；多級(jí)分簇射孔，起到了多點(diǎn)限流壓裂效果(孔眼摩阻>破裂壓力差)；簇間相互干擾作用提高近井筒附近的復(fù)雜程度。從以上3個(gè)層次分析，認(rèn)為高速水流沖擊作用大幅度提高了近井筒附近的復(fù)雜程度。

3)提高排量方式影響高速水流沖擊巖石破裂。緩慢提高排量時(shí)，往往以1簇或2簇進(jìn)液為主，進(jìn)液簇由于持續(xù)施壓地層發(fā)生巖石本體破裂，在裂縫形成初期隨著繼續(xù)提高排量，流速急劇增大，可能會(huì)引起剩余的1簇或2簇發(fā)生高速水流沖擊破裂；迅速提高排量，進(jìn)而提高瞬時(shí)流速，有利于3簇均發(fā)生高速水流沖擊破裂巖石。

[1]李根生，沈忠厚.高壓水射流理論及其在石油工程中應(yīng)用進(jìn)展研究[J].石油勘探與開(kāi)發(fā)，2005，32(1)：96～99.

[2]劉永亮.水力噴射壓裂射流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2005.

[3]呂志凱，何順利，羅富平，等.射孔水平井分段壓裂起裂壓力理論研究[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39(4)：72～76.

[編輯] 帥群

2016-09-12

劉曉明(1985-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事油田開(kāi)發(fā)技術(shù)工作，172696081@qq.com。

TE375

A

1673-1409(2017)15-0046-05

[引著格式]劉曉明.涪陵頁(yè)巖氣藏巖石破裂機(jī)理分析[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2017,14(15):46～50.