徑向井引導(dǎo)水力裂縫擴(kuò)展機(jī)理

李建雄，劉茂林，郭天魁，劉曉強(qiáng)，李小龍

（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)石化西北石油分公司石油工程監(jiān)督中心，新疆 烏魯木齊 830001）

徑向井引導(dǎo)水力裂縫擴(kuò)展機(jī)理

李建雄1，劉茂林2，郭天魁1，劉曉強(qiáng)1，李小龍1

（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)石化西北石油分公司石油工程監(jiān)督中心，新疆 烏魯木齊 830001）

隨著低滲、超低滲油藏的深入開發(fā)，徑向井輔助壓裂技術(shù)在各大油田進(jìn)行了先導(dǎo)性試驗(yàn)，但目前對(duì)徑向井引導(dǎo)裂縫擴(kuò)展機(jī)理的研究尚未見報(bào)道?；贏BAQUS有限元軟件，建立了徑向井儲(chǔ)層三維實(shí)體仿真模型，研究了徑向井井徑、井距和孔眼數(shù)對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明：不同井眼施工參數(shù)可以改變徑向井周圍的應(yīng)力分布，達(dá)到減小儲(chǔ)層破裂壓力、引導(dǎo)裂縫擴(kuò)展的作用；徑向井井徑和孔眼數(shù)的增加能夠減小軸向壓應(yīng)力，降低儲(chǔ)層破裂壓力，而井距的增加使軸向壓應(yīng)力變大；直井井壁應(yīng)力分布受徑向井井距和孔眼數(shù)的影響明顯，壓應(yīng)力隨井徑的增加而減小，并在徑向井方向取得最小值，壓應(yīng)力隨孔眼數(shù)的增加而增大。

徑向井；ABAQUS；裂縫擴(kuò)展；井眼施工參數(shù)；引導(dǎo)作用

徑向井技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的一種油氣增產(chǎn)改造技術(shù)，其機(jī)理是借助高壓水射流的破巖作用鉆出不同排布方式的徑向井，從而達(dá)到改造儲(chǔ)層、增加泄油面積的作用［1-6］。徑向井輔助壓裂技術(shù)在各大油田進(jìn)行了先導(dǎo)性試驗(yàn)，取得了較好的增產(chǎn)效果［7-8］，但目前對(duì)徑向井引導(dǎo)裂縫擴(kuò)展的力學(xué)機(jī)理研究尚未見報(bào)道。由于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的高速發(fā)展，水力壓裂數(shù)值模擬也從二維發(fā)展到全三維模擬［9-10］。本文在ABAQUS有限元軟件的基礎(chǔ)上［11-13］，建立了真實(shí)儲(chǔ)層徑向井三維模型，研究了徑向井井徑、井距和孔眼數(shù)對(duì)儲(chǔ)層原始地應(yīng)力的影響，得出了徑向井施工參數(shù)對(duì)引導(dǎo)裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律。

1 有限元徑向井眼模型描述

1.1 模型假定

為了研究徑向井施工參數(shù)對(duì)地應(yīng)力的影響程度,重點(diǎn)分析徑向井輔助壓裂引導(dǎo)裂縫擴(kuò)展的機(jī)理，對(duì)模型處理如下：根據(jù)儲(chǔ)層實(shí)際參數(shù)，建立圓形定壓邊界模型，徑向井方位始終沿水平最大主應(yīng)力方向；地層巖石為均質(zhì)線彈性介質(zhì)，并采用孔壓?jiǎn)卧蚐oil模塊對(duì)儲(chǔ)層巖石和流體及孔隙壓力進(jìn)行耦合［14-15］；應(yīng)用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，判定徑向井對(duì)儲(chǔ)層巖石應(yīng)力的影響程度，當(dāng)儲(chǔ)層巖石最大主應(yīng)力大于巖石抗張強(qiáng)度時(shí)，巖石破裂［16］。

1.2 材料參數(shù)

具體模型參數(shù)見表1。筆者經(jīng)過多次建模實(shí)驗(yàn)，采用對(duì)稱模型及六面體劃分網(wǎng)格，并對(duì)徑向井方向的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，以提高研究區(qū)域的計(jì)算精度。其中：模型儲(chǔ)層半徑為40m，有效儲(chǔ)層厚度為1m，徑向井長(zhǎng)度為40m，徑向井井徑為3～5cm，直井筒井徑為20cm。網(wǎng)格劃分方式及具體模型如圖1所示。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)計(jì)

圖1 徑向井網(wǎng)格劃分及模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果

不同的徑向井施工參數(shù)，可以明顯改變徑向井周圍的應(yīng)力分布，減小徑向井軸向儲(chǔ)層巖石的破裂壓力，達(dá)到引導(dǎo)裂縫擴(kuò)展的目的。本文使用的應(yīng)力結(jié)果正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。數(shù)值模擬結(jié)果表明：徑向井對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力的影響范圍有限，超出影響范圍，儲(chǔ)層應(yīng)力趨于原始地應(yīng)力；在直井井壁上，壓應(yīng)力明顯增大，而井筒附近存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，致使井筒附近巖石的壓應(yīng)力超過了儲(chǔ)層原始的壓應(yīng)力，儲(chǔ)層破裂壓力升高；徑向井與直井筒交界處出現(xiàn)應(yīng)力奇異現(xiàn)象，改變了井筒周向及徑向的應(yīng)力分布；徑向井軸向應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生顯著變化，在一定范圍內(nèi)，儲(chǔ)層巖石所受壓應(yīng)力減小，裂縫更容易起裂擴(kuò)展（見圖2）。

圖2 徑向井模型最大主應(yīng)力分布

2.1 徑向井井徑對(duì)裂縫起裂的影響

徑向井井徑（D）是現(xiàn)場(chǎng)施工中需要考慮的一個(gè)重要參數(shù)。不同井徑直接影響儲(chǔ)層應(yīng)力分布情況，從而改變裂縫起裂和擴(kuò)展的形態(tài)。如圖3所示，選取井徑分別為3，4，5cm的地層仿真模型，分析不同條件下直井井壁和徑向井軸向上的應(yīng)力分布規(guī)律，并和無(wú)徑向井條件下的應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比。

圖3 不同井徑時(shí)的最大主應(yīng)力分布

對(duì)比結(jié)果表明，由于直井筒和徑向井的出現(xiàn)，直井井壁應(yīng)力場(chǎng)變化明顯，在井周均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，并隨θ角（直井井壁徑向方向與水平最大主應(yīng)力方向的夾角）在-90～90°間先減小后增加，并在θ=0°（即徑向井方向）時(shí)取得最小值。井壁最小壓應(yīng)力均出現(xiàn)在徑向井方向，并隨徑向井井徑的增加而減小。當(dāng)D=3cm時(shí)，井壁在θ=0°處壓應(yīng)力為2.43 MPa；而當(dāng)D=5cm時(shí)，壓應(yīng)力已經(jīng)減小到了1.77 MPa。

由于直井筒的應(yīng)力集中現(xiàn)象，井壁沿徑向井軸向上的儲(chǔ)層巖石所受壓應(yīng)力急劇變大，巖石破裂壓力升高，在無(wú)徑向井情況下甚至超過了儲(chǔ)層水平原始?jí)簯?yīng)力，并在距井壁0.41m處達(dá)到了最大值8.83 MPa（見圖4）。

圖4 不同井徑時(shí)徑向井軸向上的最大主應(yīng)力分布

從圖4可以看出，當(dāng)徑向井軸向距離超過直井應(yīng)力集中影響范圍后，徑向井能夠減小儲(chǔ)層巖石所受壓應(yīng)力，降低破裂壓力，并使儲(chǔ)層巖石最大主應(yīng)力保持恒定不變。隨著徑向井井徑的增加，徑向井改變儲(chǔ)層應(yīng)力分布的能力增強(qiáng)。當(dāng)D=3cm時(shí)，徑向井軸向上的壓應(yīng)力平均為7.71 MPa，相對(duì)于儲(chǔ)層原始?jí)簯?yīng)力減小了0.29 MPa；而當(dāng)D=5cm時(shí)，徑向井軸向上的壓應(yīng)力為6.81 MPa。這說(shuō)明，徑向井井徑越大，對(duì)裂縫的引導(dǎo)能力就越強(qiáng)，裂縫越容易在徑向井軸向上起裂。

2.2 徑向井井距對(duì)裂縫起裂的影響

現(xiàn)場(chǎng)為了降低儲(chǔ)層巖石的破裂壓力，更好地引導(dǎo)裂縫擴(kuò)展，采取豎直多徑向鉆孔的方式輔助壓裂。而豎直多徑向井的一個(gè)重要參數(shù)就是井間距離（l），如圖5所示，使用井徑為4cm的徑向井，分別分析不同井距（40，50，60cm）下的儲(chǔ)層應(yīng)力分布，其他參數(shù)如表1所示。分析結(jié)果表明：井距在40～60cm內(nèi)，井壁上最大主應(yīng)力基本維持不變，只是在徑向井處發(fā)生微小變化，表現(xiàn)為徑向井井距越大，井壁處應(yīng)力干擾越小，井壁處壓應(yīng)力越小。當(dāng)l=40cm時(shí)，井壁處的最大壓應(yīng)力為1.89 MPa；而當(dāng)l=60cm時(shí)，井壁最大壓應(yīng)力為1.83 MPa，僅減小了0.06 MPa。

圖5 不同井距時(shí)的最大主應(yīng)力分布

徑向井井距對(duì)徑向井軸向上的應(yīng)力分布影響明顯。當(dāng)徑向井軸向距離大于直井筒應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)，徑向井軸向上的最大主應(yīng)力趨于穩(wěn)定，在井距為40～60cm內(nèi)，最大壓應(yīng)力值隨井距的增大而增大（見圖6）。

圖6 不同井距時(shí)徑向井軸向上的最大主應(yīng)力分布

當(dāng)l=40cm時(shí)，軸向上的平均壓應(yīng)力為7.12 MPa；而當(dāng)l=60cm時(shí)，平均壓應(yīng)力增大到了7.73 MPa。這說(shuō)明隨著徑向井井距的增加，井間干擾逐漸減弱，儲(chǔ)層巖石的破裂壓力逐漸升高，徑向井引導(dǎo)裂縫擴(kuò)展的能力減弱。

2.3 徑向井孔眼數(shù)對(duì)裂縫起裂的影響

不同徑向井孔眼數(shù)（n）的應(yīng)力干擾不同，表現(xiàn)為孔眼數(shù)越多，徑向井間的應(yīng)力干擾越嚴(yán)重。如圖7所示，以孔眼數(shù)分別為1，2，3、井徑為5cm建立儲(chǔ)層仿真模型，其他參數(shù)均按表1設(shè)定。模擬結(jié)果表明：隨著孔眼數(shù)的增加，直井井壁應(yīng)力干擾越大，軸向上的應(yīng)力疊加越嚴(yán)重。徑向井孔眼數(shù)越多，井壁應(yīng)力越趨于穩(wěn)定，巖石越容易從徑向井方向起裂。

圖7 不同孔眼數(shù)時(shí)的最大主應(yīng)力分布

徑向井軸向應(yīng)力分布決定著壓裂時(shí)裂縫能否垂向連通各井，達(dá)到引導(dǎo)裂縫擴(kuò)展的作用。由圖8可見，當(dāng)徑向井軸向距離超過直井筒應(yīng)力集中區(qū)域后，軸向上的最大主應(yīng)力增大，隨著徑向井軸向距離的增加趨于一個(gè)穩(wěn)定的值。當(dāng)n=1時(shí)，徑向井軸向平均壓應(yīng)力為6.81 MPa；而當(dāng)n=3時(shí)，軸向平均壓應(yīng)力減小到了6.22 MPa。這說(shuō)明，隨著徑向井孔眼數(shù)的增加，徑向井軸向上的壓應(yīng)力減小，軸向儲(chǔ)層巖石破裂壓力降低。所以在壓裂時(shí)，增加徑向井孔眼數(shù)有利于孔間裂縫的連通，降低破裂壓力，更有助于裂縫在徑向井方向上起裂。

圖8 不同孔眼數(shù)時(shí)徑向井軸向上的最大主應(yīng)力分布

3 結(jié)論

1）徑向井井徑和孔眼數(shù)能夠顯著改變直井筒壁面的應(yīng)力分布，而井距對(duì)直井筒壁應(yīng)力的影響甚微。隨著井徑的增加，直井筒壁面的壓應(yīng)力減??；而隨孔眼數(shù)增加，直井筒壁面應(yīng)力干擾增強(qiáng)，壓應(yīng)力增大。

2）徑向井井徑、井距和孔眼數(shù)對(duì)徑向井軸向上的應(yīng)力影響明顯。在徑向井軸向距離超過直井筒應(yīng)力集中范圍時(shí)，徑向井軸向上的最大主應(yīng)力趨于一個(gè)穩(wěn)定的值。隨井徑和孔眼數(shù)增加，軸向壓應(yīng)力減小，軸向巖石的破裂壓力降低，徑向井的引導(dǎo)作用增強(qiáng)；隨井距的增加，徑向井軸向壓應(yīng)力增大，巖石的破裂壓力升高，徑向井的引導(dǎo)能力減弱。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Hydraulic crack propagation mechanism of radial well guidance

LI Jianxiong1,LIU Maolin2,GUO Tiankui1,LIU Xiaoqiang1,LI Xiaolong1
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China;2.Petroleum Engineering Supervision Center,Northwest Petroleum Bureau,SINOPEC,Urumqi 830001,China)

Along with the development of low permeability and super-low permeability reservoirs,the auxiliary radial well fracturing technology was carried out firstly in several oilfields.But now the mechanism of crack extension of radial well guidance has not yet been reported.Based on the finite element software ABAQUS,a 3D simulation model of radial well,which considers different parameters,including radial well diameters,distance and numbers of radial wells,was established to study the effect on crack propagation.The numerical simulation results show that different borehole parameters can change the circumferential stress distribution of radial well and decrease the reservoir fracture pressure to guide crack extension;the increase of the radial well hole diameter and hole number can reduce the axial compressive stress and fracture pressure;on the other hand,the axial compressive stress will decrease along the growth of well distance;distribution of vertical wellbore stress is affected by the number of radial well distance and radial well diameter,and the compressive stress will decrease with the growth of well distance and radial well diameter and reach the minimum value in the radial direction of radial well.

radial well;ABAQUS;crack propagation;borehole construction parameter;guidance effect

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目“徑向鉆孔引導(dǎo)水力壓裂裂縫定向擴(kuò)展機(jī)理研究”（51404288）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（15CX02012A）

TE377

A

10.6056/dkyqt201606025

2016-04-25；改回日期：2016-08-26。

李建雄，男，1989年生，在讀碩士研究生，主要從事采油工程技術(shù)研究工作。E-mail：956848061@qq.com。

李建雄，劉茂林，郭天魁，等.徑向井引導(dǎo)水力裂縫擴(kuò)展機(jī)理［J］.斷塊油氣田，2016，23（6）：803-806.

LI Jianxiong，LIU Maolin，GUO Tiankui，et al.Hydraulic crack propagation mechanism of radial well guidance［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：803-806.