定向割縫壓裂技術(shù)研究初探

郭先敏，馮光通（中石化勝利油田分公司鉆井工藝研究院，山東 東營257000）

鄧金根（中國石油大學(xué)（北京）石油天然氣工程學(xué)院，北京102249）

趙秀菊（中石化勝利油田分公司鉆井工藝研究院，山東 東營257000）

定向割縫壓裂技術(shù)研究初探

郭先敏，馮光通（中石化勝利油田分公司鉆井工藝研究院，山東 東營257000）

鄧金根（中國石油大學(xué)（北京）石油天然氣工程學(xué)院，北京102249）

趙秀菊（中石化勝利油田分公司鉆井工藝研究院，山東 東營257000）

通過室內(nèi)大尺寸真三軸模擬試驗系統(tǒng)和FLAC3D有限差分大型巖土數(shù)值模擬軟件，初步研究了割縫對裂縫延伸和破裂壓力的影響規(guī)律并與當(dāng)前存在的定向射孔壓裂進行了對比。根據(jù)室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬結(jié)果，定向割縫對裂縫延伸和破裂壓力的大小影響都優(yōu)于定向射孔。因此，定向割縫技術(shù)能有效降低破裂壓力，形成較好的裂縫形態(tài)，有助于壓裂的成功，值得進行深入的研究和推廣。

定向割縫；定向射孔；真三軸試驗；數(shù)值模擬；裂縫延伸；破裂壓力

目前，隨著全球低滲透油氣藏開采力度的加大，壓裂工藝早已成為增產(chǎn)的必要手段。為提高低滲透油氣藏的壓裂成功率，國內(nèi)外專家學(xué)者自20世紀(jì)70年代就開始研究射孔對水力壓裂的影響，結(jié)果表明，水力壓裂使地層產(chǎn)生多條裂縫是導(dǎo)致壓裂作業(yè)失敗的主要原因。自1994年Abass［1］從巖石力學(xué)的觀點提出了定向射孔技術(shù)以來，張廣清［2］、鄧金根［3，4］、姜滸［5］等人用有限元方法、室內(nèi)真三軸水力壓裂試驗法和有限差分法研究了射孔對水力壓裂過程中裂縫的延伸及破裂壓力的影響，總結(jié)出了提高壓裂成功率的射孔優(yōu)化設(shè)計方案。李根生［6］用有限元方法研究了水力噴砂射孔對地層破裂壓力的影響規(guī)律。

自從油氣井割縫技術(shù)提出以來，主要應(yīng)用于油氣井的增產(chǎn)增注［7］。只有Rabaa［8］在1989年提出割縫井壓裂的破裂壓力和延伸壓力最低，但沒有提出明確的影響規(guī)律。筆者針對目前仍有部分低滲透油氣藏壓裂成功率較低的現(xiàn)實，利用室內(nèi)水力壓裂模擬試驗結(jié)合FLAC3D大型巖土數(shù)值模擬軟件，初步研究了定向割縫壓裂對裂縫延伸和破裂壓力的影響，并與目前存在的定向射孔壓裂工藝進行了對比，探索適合于低滲透油氣藏的定向割縫壓裂工藝技術(shù)，以提高壓裂成功率和壓裂效果，為低滲透油氣藏的水力壓裂設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 室內(nèi)真三軸水力壓裂模擬試驗

為對比定向割縫和定向射孔對壓裂過程中裂縫延伸規(guī)律的影響，采用大尺寸真三軸模擬試驗系統(tǒng)進行了相同條件下的定向割縫和定向射孔的水力壓裂模擬試驗［9］。試驗采用自制的300mm×300mm×300mm水泥塊試樣，用預(yù)制了縫和孔的鋼管作為模擬井筒。定向割縫和定向射孔的方位取最大主應(yīng)力方向θ＝0°。模擬試驗方案見表1。

表1 模擬試驗方案

對比圖1和圖2可以看出，在最大主應(yīng)力方向，定向割縫相對于定向射孔可以產(chǎn)生一條更為平整的大裂縫，裂縫光滑。

圖1 直井，0°方位割縫，裂縫光滑

圖2 直井，0°方位射孔，裂縫較光滑

2 定向割縫壓裂數(shù)值模擬研究

利用FLAC3D巖土數(shù)值模擬軟件結(jié)合巖石抗拉破壞準(zhǔn)則研究了定向割縫孔參數(shù)包括割縫方位、割縫深度、割縫高度和割縫寬度對破裂壓力的影響規(guī)律，并與相同條件下的定向射孔工藝進行了對比。

2.1 數(shù)值模型

利用FLAC3D巖土數(shù)值模擬軟件內(nèi)置的brick單元和radcylinder單元建立了1/4三維割縫數(shù)值模型（見圖3），為簡化計算，建立模型時假設(shè)地層巖石彈性均質(zhì)且各向同性、忽略套管和水泥環(huán)的影響。模型尺寸1000mm×1000mm×500mm，井筒直徑177.8mm，基本地層參數(shù)和邊界條件見表2。

表2 基本地層參數(shù)和邊界條件

圖3 FLAC3D1/4三維割縫數(shù)值模型

2.2 模擬計算結(jié)果分析

2.2.1 割縫參數(shù)對破裂壓力的影響

割縫參數(shù)對破裂壓力的影響結(jié)果見圖4～7。

1）破裂壓力隨著割縫深度的增加而減?。▓D4），割縫深度小于200mm時，破裂壓力隨著割縫深度的增加降低較為明顯；當(dāng)割縫深度介于200～300mm時，破裂壓力隨著割縫深度的增加降低幅度變??；當(dāng)割縫深度大于300mm時，破裂壓力隨著割縫深度的增加趨于平緩。

2）若割縫深度相同，破裂壓力隨割縫方位角的增加而升高（圖5）。0°割縫（即沿著最大主應(yīng)力的方向割縫）破裂壓力最低；90°割縫（即沿著最小主應(yīng)力的方向割縫）破裂壓力最高。隨著割縫方位角的增加，破裂壓力的增加幅度呈現(xiàn)階段性。在0～30°范圍內(nèi)，破裂壓力曲線增加幅度不明顯；30～60°之間破裂壓力的增加幅度增加；在60～90°范圍內(nèi)破裂壓力曲線又趨于平緩。

3）割縫寬度和割縫高度對破裂壓力的影響不大（圖6和圖7）。

圖4 破裂壓力隨割縫深度的變化曲線

圖5 破裂壓力隨割縫方位角的變化曲線

圖6 破裂壓力隨割縫寬度的變化曲線

圖7 破裂壓力隨割縫高度的變化曲線

2.2.2 定向割縫與定向射孔對破裂壓力影響對比

為對比定向割縫與定向射孔對破裂壓力的影響，取文獻［2］有限元模擬邊界條件和地層參數(shù)作為FLAC3D數(shù)值模擬邊界條件和地層參數(shù)。

基于前述基本假設(shè)和FLAC3D數(shù)值模型，計算了在最大主應(yīng)力方向，定向割縫深度對破裂壓力的影響規(guī)律，并與文獻［2］在射孔孔密為13孔/m條件下定向射孔深度對破裂壓力的影響規(guī)律的有限元模擬結(jié)論做了對比，結(jié)果見圖8?？梢娫谧畲笾鲬?yīng)力方向，同一縫孔長度值時，定向割縫的破裂壓力值要比定向射孔的破裂壓力值明顯降低。因此可以得出結(jié)論，定向割縫能有效降低地層的破裂壓力，提高低滲透油藏的壓裂成功率。

圖8 破裂壓力隨縫孔深度的變化曲線

3 結(jié) 論

1）通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬研究，初步掌握了定向割縫對壓裂過程中裂縫延伸和破裂壓力的影響規(guī)律。

2）與目前的定向射孔工藝相比，定向割縫能更有效地降低壓裂施工時地層的破裂壓力，裂縫更加平整、光滑，提高了壓裂成功率。

3）對定向割縫壓裂工藝進行了初步探索，更深一步的研究工作還需要加強。

4）定向割縫壓裂工藝的研究及有效實施，將為低滲透油氣藏的勘探開發(fā)提供有效的技術(shù)手段。

［1］Abass H H.Oriented perforations——A rock mechanics view［J］.SPE28555，1994.

［2］張廣清，陳勉，殷有泉.射孔對地層破裂壓力的影響研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（1）：40～44.

［3］鄧金根，蔚寶華，王金鳳.定向射孔提高低滲透油藏水力壓裂效率的模擬試驗研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2003，31（5）：14～16.

［4］鄧金根，郭先敏，孫焱.致密氣藏壓裂井定向射孔優(yōu)化技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2008，30（6）：93～96.

［5］姜滸，陳勉，張廣清.定向射孔對水力裂縫起裂與延伸的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（7）：1321～1326.

［6］李根生，劉麗，黃中偉.水力射孔對地層破裂壓力的影響研究［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，30（5）：42～45.

［7］李忠華.水力噴砂割縫增產(chǎn)增注機理及有關(guān)參數(shù)的研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2001，20（2）：156～158.

［8］Rabaa W E.Experimental study of hydraulic fracture geometry initiated from horizontal wells［J］.SPE19720，1989.

［9］陳勉，龐飛，金衍.大尺寸真三軸水力壓裂模擬與分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2000，19（增）：868～872.

Primary Research on the Oriented Slotting Fracturing

GUO Xian－min，F(xiàn)ENG Guang－tong（Research Institute of Shengli Oilfield Drilling Technology，SINOPEC，Dongying257000，Shandong，China）

DENG Jin－gen（Faculty of Oil and Gas Engineering，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

ZHAO Xiu－ju（Research Institute of Shengli Oil Field Drilling Technology，SINOPEC，Dongying257000，Shandong，China）

Currently，fracturing was carried out in perforated wells，many slotted technical studies for EOR were conducted.The influence law of slotting on fracture extension and pressure was preliminarily studied by using an indoor large sized and true tri－axial simulation system and a king－sized rock and soil numerical simulation software named FLAC3Dfinite difference.The result was contrasted to the existed oriented perforating fracturing.According to the contrast and results from the experiment and numerical simulation，the oriented slotting has bigger influence on fracture expansion and size of fracture pressure than the oriented perforating.Therefore，the oriented slotting technology is deserved to conduct intensive research and extension because fracture pressure can be effectively reduced and preferable fracture morphology can be obtained by using it.

oriented slotting；oriented perforating；real tri－axial test；numerical simulation；fracture propagation；fracture pressure

TE357.1

A

1000－9752（2010）05－0319－04

2010－02－02

郭先敏（1972－），男，1995年大慶石油學(xué)院畢業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事鉆井工藝技術(shù)服務(wù)和研究工作。

［編輯］ 蕭 雨