一种裂缝发育区体积压裂套管强度计算方法技术

本发明专利技术提供一种裂缝发育区体积压裂套管强度计算方法，有针对性的指导复杂构造区裂缝发育地层套管强度设计，该方法以套管变形量为评价目标，从影响套管变形程度的关键因素(天然裂缝滑移量)出发，综合考虑套管变形对井下压裂工具通过性的影响。该方法能够满足现场正常压裂施工需求，防止压裂丢段及工具阻塞。防止压裂丢段及工具阻塞。

【技术实现步骤摘要】
一种裂缝发育区体积压裂套管强度计算方法


[0001]本专利技术涉及地质工具领域，具体的说，涉及一种裂缝发育区体积压裂套管强度计算方法。

技术介绍

[0002]四川盆地天然裂缝及断层发育，页岩气体积压裂过程中套管变形问题频发，导致压裂工具无法正常下入，严重影响现场压裂施工作业，现场分析表明套管主要损坏特征是套管有效内径减小。国内外学者分别从固井质量、高套管内压、温度载荷、套管强度、储层不对称改造、地层剪切滑移等方面对对体积压裂过程中套管变形问题进行了研究。根据现场地震、铅印及井下成像测井分析表明天然裂缝/断层(下文以天然裂缝代替两者)滑移是导致套管剪切失效的主控因素，现场统计发现部分区域天然裂缝附近套损率达到56.76％，大部分套损为压裂液注入引起地层滑移导致的套管剪切破坏。
[0003]目前常用的套管强度设计准则主要有以下三类：1、拉应力准则(第一强度准则)；2、剪应力准则(第三强度准则)；3、Mises屈服准则(第四强度准则)；现场常采用第四强度准则对套管强度进行校核，但是对于套管超过屈服极限后的继续变形，现有基于应力的强度准则已不再适用。套管在保证其完整性的条件下允许发生一定塑性变形，而且传统的套管设计准则没有考虑地层滑移增加的套管剪切外载，套管作为抵抗地层滑移的阻力，受到地层作用在套管上的剪切力。
[0004]现有技术中通过考虑套管在不同施工工况及井深条件下的内压载荷、外挤载荷、温度载荷以及腐蚀导致的套管强度降低对套管强度进行设计。该方法考虑因素全面，能够有效应用在高温、高压及腐蚀性环境中的套管强度设计中。该方法没有考虑复杂构造区裂缝发育地层套管承受的较大剪切载荷。其次，对于页岩气体积压裂过程中套管变形较大的问题，现有基于应力的套管强度设计方法不适用现场压裂施工。

技术实现思路

[0005]为解决现有套管强度设计缺陷，并针对体积压裂过程中套管缩径影响后续正常生产的问题提出了一种适用于裂缝发育区域的基于套管变形量与应力相结合的套管强度设计方法。
[0006]本专利技术旨在提供一种裂缝发育区体积压裂套管强度计算方法，有针对性的指导复杂构造区裂缝发育地层套管强度计算设计。
[0007]本专利技术提供一种体积压裂套管强度计算方法，包括如下步骤：
[0008]a)基于常规钻井及压裂设计要求，进行初始施工参数及井身结构设计，同时基于三维地震资料、蚂蚁体数据刻画井筒周围裂缝尺寸及方位；
[0009]b)对地层滑移潜力进行分析，若地层不滑移，利用基于Mises应力的强度准则进行强度设计,套管强度计算结束；若地层滑移，对裂缝滑移量Sc进行计算；(若地层不滑移就不需要继续进行步骤c)和步骤d))
[0010]c)根据井下作业工具外径D
to
及井身结构设计中的套管内径D
ci
确定最大允许套管变形量Da,同时利用有限元软件建立地层
‑
水泥环
‑
套管组合体模型通过不断试算获取最大允许套管变形量下的地层滑移量Sa；
[0011]d)比较Sa与Sc的相对大小，若Sa>Sc,按a)中的初始施工参数及井身结构设计进行施工，反之则通过调整措施，确保套管最大缩径量不超过Da，同时利用剪应力强度准则进行套管强度校核。
[0012]所述的在步骤b)中，地层滑移潜力进行分析的方法为：基于现场工况数据对地层滑移风险及滑移量进行评估，当缝面流体压力大于缝面滑移临界流体压力时缝面发生滑移，当缝面流体压力小于缝面滑移临界流体压力时缝面不发生滑移；
[0013]所述缝内流体压力取最大值Pf，所述缝面滑移临界流体压为P
i
，其计算方法为：
[0014][0015]p
f
＝3σ3‑
σ1‑
p
p
+S
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0016]式中：P
i
为缝面滑移临界流体压力；St为拉伸强度；P
P
为地层孔隙压力；f为缝面摩擦系数；σ1为最大地应力；σ3为最小地应力；β为裂缝面与最小地应力之间的夹角；
[0017]当地层滑移时裂缝滑移量Sc的计算方法为：
[0018][0019]式中：κ为Kolosov常数，无因次；K为地层剪切模量；a为裂缝半长；x为距裂缝中心距离。
[0020]所述步骤c)中，有限元软件为ABAQUS、ANSYS和FLAC3D中的至少一种。
[0021]所述步骤c)中，最大允许套管变形量下的地层滑移量Sa的计算方法为：根据现场井身结构参数，利用有限元软件ABAQUS,建立套管穿越裂缝情况下的套管
‑
水泥环
‑
地层组合体有限元模型(如图2所示)对套管受力及变形进行分析计算。根据圣维南原理，地层边界尺寸需大于井眼半径的5
‑
6倍，因此，模型尺寸取为3mx3mx10m,井眼轴线方向沿最小地应力方向，天然裂缝两侧分别设置为固定体和滑动体，在裂缝面之间设置摩擦接触，在滑动体上施加位移载荷使地层沿裂缝面滑移，模拟套管在不同滑移条件下的力学性质。在固定体外边界设置完全位移约束，滑动体沿滑动方向加载地层滑移距离，其它方向法向位移约束，在套管内壁作用流体压力，采用预定义场方法施加地应力载荷，计算模型见图2。利用建立的模型通过选取不同的地层滑移量进行试算，得到一组不同地层滑移量下对应的套管变形量，最后选取最大允许套管变形量对应的地层滑移量作为最大允许地层滑移量，Sa。
[0022]所述的步骤d)中，所述步骤d)中的的调整措施包括调整井眼轨迹穿过裂缝不同位置或控制施工泵压。
[0023]上述任一种体积压裂套管强度计算方法在石油工程井身结构设计中的应用。
[0024]本专利技术的方法以套管变形量为评价目标，从影响套管变形程度的关键因素(天然裂缝滑移量)出发，综合考虑套管变形对井下压裂工具通过性的影响。本专利技术的方法能够满足现场正常压裂施工需求，防止压裂丢段及工具阻塞。本专利技术的有益效果在于，1)本专利技术以控制裂缝发育区套管剪切变形为目标，对影响套管变形的地层滑移量进行评价，并将地层滑移量与套管变形量相联系，更符合现场套管强度校核实际；2)本专利技术的方法考虑了套管
剪切载荷对套管变形的影响以及套管大变形条件下的受力及变形特点，弥补了现有基于应力的强度准则的不足，对解决裂缝发育区大量套管剪切变形问题提供了方法，有助于现场压裂施工的正常进行。
附图说明
[0025]图1为水力压裂泵注压力曲线。
[0026]图2为本专利技术模型示意图。
具体实施方式
[0027]以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。
[0028]为实现上述目的，本专利技术提供了一种裂缝发育区体积压裂套管强度计算方法，该方法包括下列步骤：
[0029]a)基于三维地震资料、蚂蚁体数据刻画井眼周围裂缝尺寸及方位。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种体积压裂套管强度计算方法，其特征在于，包括如下步骤：a)基于常规钻井及压裂设计要求，进行初始施工参数及井身结构设计，同时基于三维地震资料、蚂蚁体数据刻画井筒周围裂缝尺寸及方位；b)对地层滑移潜力进行分析，若地层不滑移，利用基于Mises应力的强度准则进行强度设计,套管强度计算结束；若地层滑移，对裂缝滑移量Sc进行计算；c)根据井下作业工具外径D
to
及井身结构设计中的套管内径D
ci
确定最大允许套管变形量Da,同时利用有限元软件建立地层
‑
水泥环
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套管组合体模型通过不断试算获取最大允许套管变形量下的地层滑移量Sa；d)比较Sa与Sc的相对大小，若Sa>Sc,按a)中的初始施工参数及井身结构设计进行施工，反之则通过调整措施，确保套管最大缩径量不超过Da，同时利用剪应力强度准则进行套管强度校核。2.根据权利要求1所述的一种体积压裂套管强度计算方法，其特征在于，所述的在步骤b)中，地层滑移潜力进行分析的方法为：基于现场工况数据对地层滑移风险及滑移量进行评估，当缝面流体压力大于缝面滑移临界流体压力时缝面发生滑移，当缝面流体压力小于缝面滑移临界流体压力时缝面不发生滑移。3.根据权利要求2所述的一种体积压裂套管强度计算方法，其特征在于，所述缝内流体压力取最大值Pf，所述缝面滑移临界流体压为P
i
，其计算方法为：p
f
＝3σ3‑
σ1‑
p
p
+S
t
式中：P
i
为缝面滑移临界流体压力；St为拉伸强度；P
P
为地层孔隙压...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟胡，王小琼，葛洪魁，杨子轩，申颖浩，时尔瀚，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：