1.一种裂缝性地层井壁裂缝扩展压力预测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:将地层当成均质且非渗透的弹性材料,考虑远场地应力、井壁压力以及裂缝内流体压力的相互作用,建立井壁及裂缝周围岩石弹性变形的二维位移不连续方程,并给出初始与边界条件;
步骤二:将裂缝内流体的流动当成平板间的层流流动,流体的流动特性用动力粘度俩表征,假设注入流体为牛顿流体,且不考虑其压缩性,根据流体质量守恒,建立裂缝内流体流动的局部连续性方程;
步骤三:考虑闭合裂缝的摩擦特性,根据滑移弱化摩擦定律得到裂缝面间的摩擦系数,根据库伦摩擦定律得出裂缝面间的剪切强度,根据缝内流体压力和裂缝的剪胀特性得出闭合裂缝的导流能力;
步骤四:将建立的井壁及裂缝周围岩石弹性变形的二维位移不连续方程采用位移不连续方法进行数值求解,将建立的裂缝内流体流动的局部连续性方程采用有限差分法进行求解,最后给出井壁裂缝扩展压力流-固耦合数值模型整体求解方法;
步骤五:将地层地应力参数、岩石力学参数、裂缝几何参数、流体参数以及施工参数代入裂缝扩展压力流-固耦合数值模型,模拟恒流量注入条件下井壁压力的响应特征和裂缝扩展动态。
2.根据权利要求1所述的一种裂缝性地层井壁裂缝扩展压力预测方法,其特征在于:所述步骤一中,当井壁诱导裂缝存在时,远场地应力和裂缝内的流体压力共同作用下井壁及裂缝周围岩石的弹性变形通过如下位移不连续方程表示:式中:x=(x,y);t—时间,s;σn—作用于张开裂缝面的法向应力,在数值上等于裂缝内流体压力Pf,MPa;τs—作用于裂缝面的剪应力,张开裂缝的剪应力等于零,MPa;σ1—远场地应力产生的法向应力分量,MPa;τ1—远场地应力产生的剪应力分量,MPa;Gij—格林函数(i,j=x或y),无因次量;E’—剪切模量,E’=E/(1-υ2),MPa;w—裂缝开度,m;v—裂缝剪切位移,m。
3.根据权利要求1所述的一种裂缝性地层井壁裂缝扩展压力预测方法,其特征在于:所述步骤一中,对于沿最大水平主应力方向分布的双翼裂缝,描述井壁和裂缝弹性变形的格林函数定义为:Gxy=Gyx=0 (5)
式中:r0—井眼半径,m;s—沿裂缝长度方向任意位置处分布位错的横坐标,m。
4.根据权利要求1所述的一种裂缝性地层井壁裂缝扩展压力预测方法,其特征在于:所述步骤一中,由于裂缝端口与井壁相连接,因此,裂缝端口的流体压力与井壁压力相等,即:Pfi(0,t)=Pw (6)
对于裂缝尖端,裂缝开度和剪切位移不连续均为零,即:
w(li)=v(li)=0 (7)。
5.根据权利要求1所述的一种裂缝性地层井壁裂缝扩展压力预测方法,其特征在于:所述步骤二中,由于裂缝内流体为层流流动的不可压缩牛顿流体,根据泊肃叶定律,流体流量q表示为:根据流体质量守恒,局部连续性方程满足:
将式(8)代入式(9),则裂缝内流体的流动由雷诺方程给出:
式中:t—注入时间,s;s—沿裂缝长度方向任意点的坐标,m; —裂缝面微观结构产生的等效水力开度,m;w—裂缝宽度,m;μ—流体的动力粘度,μ′=12μ,mPa·s;Pf—裂缝内流体压力,MPa。
假设初始状态下裂缝内不含任何流体,因此,流入井壁裂缝的总流量满足如下边界条件:式中:t—注入时间,s;qi—流入第i条裂缝的流量,m2/s;Q0—注入井眼的总流量,m2/s;
Pw—井壁流体压力,MPa;U—注入系统的压缩性,m2/MPa。
6.根据权利要求1所述的一种裂缝性地层井壁裂缝扩展压力计算方法,其特征在于,所述步骤三中,对于闭合裂缝,采用摩尔库伦摩擦准则描述裂缝面间的摩擦滑移特性,其剪切强度表示为:τs=λ(σn-Pf)+c (12)
根据滑移弱化摩擦定律,裂缝面的摩擦系数表示为:
式中:τs—闭合裂缝面的剪切强度,MPa;σn—作用于闭合裂缝面的法向应力,MPa;c—裂缝面的内聚力,MPa;λ—裂缝面的摩擦系数,无因次量;λs—静摩擦系数,无因次量;λd—动摩擦系数,无因次量;Lc—摩擦系数降低为动摩擦系数时的临界位移,m;v—裂缝面的剪切位移,m。
7.根据权利要求1所述的一种裂缝性地层井壁裂缝扩展压力计算方法,其特征在于,所述步骤三中,闭合裂缝等效水力开度的演化方程定义为:根据质量连续性条件,闭合裂缝内流体的流体采用压力扩散方程表示:
式中: —闭合裂缝的初始水力开度,m;κ—裂缝压缩性系数,通常为10-8~10-6/MPa;
χ—单位长度裂缝的剪胀系数,m。
8.根据权利要求1所述的一种裂缝性地层井壁裂缝扩展压力计算方法,其特征在于,所述步骤四中,采用位移不连续方法对井壁-裂缝系统的弹性变形方程进行离散,采用有限差分方法对描述裂缝内流体流动的雷诺方程进行离散,然后将弹性方程和流动方程进行耦合,得到描述井壁裂缝扩展的流固耦合非线性方程组。对于给定的初始裂缝长度和初始时间增量步,对耦合非线性方程组进行迭代求解直至最终收敛。计算过程中,当裂缝尖端的应力强度因子达到地层岩石的断裂韧性时,井壁裂缝开始扩展。由混合应力强度因子描述的裂缝扩展准则表示为:根据位移相关法,计算出裂缝尖端的I型和II型应力强度因子。因此,考虑混合模式的裂缝扩展行为,其扩展方向定义为:KIsinθ+KII(3cosθ-1)=0 (17)
式中:KI—裂缝尖端的I型应力强度因子,MPa·m0.5;KII—裂缝尖端的II型应力强度因子,MPa·m0.5;KIC—I型临界应力强度因子,MPa·m0.5;θ—裂缝扩展过程中的偏转角,度。
9.根据权利要求1所述的一种裂缝性地层井壁裂缝扩展压力计算方法,其特征在于,所述步骤五中,输入井眼、裂缝、地层以及流体参数后,基于步骤四给出的求解方法,计算恒流量注入过程中井壁裂缝的扩展行为,记录注入过程中井壁压力、裂缝内流体压力、裂缝开度、裂缝内流量等参数的响应特征。通过对比裂缝开度-裂缝长度变化曲线与井壁压力-时间响应曲线,确定出井壁裂缝的扩展压力,即井壁裂缝开始扩展时对应的井壁压力。