探討射孔對致密砂巖氣藏水力壓裂裂縫起裂與擴(kuò)展的影響

姚輝

摘要：針對砂密巖氣藏水力對較高地層產(chǎn)生的破壞壓力問題，以及對地質(zhì)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)層體積進(jìn)行擴(kuò)大，采用射孔技術(shù)對地層出現(xiàn)的問題進(jìn)行處理。根據(jù)射孔數(shù)量和間距的變換，有效解決地層出現(xiàn)上述問題。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，使用該技術(shù)不僅有效降低致密砂巖氣藏的破裂壓力，同時(shí)為相關(guān)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化，產(chǎn)生良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：射孔；致密砂巖氣藏；裂縫起裂；裂縫擴(kuò)展；破裂壓力；縫間干擾

引言：

由于致密砂巖氣藏儲(chǔ)層中，其孔隙和滲透率較低，在工程施工過程中，無法產(chǎn)生良好的施工效果。因此，使用射孔水平井分段多簇的體積壓裂技術(shù)進(jìn)行施工，防止巖層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剪切滑移情況，同時(shí)在地層結(jié)構(gòu)中，將人工裂縫與地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫建立良好的結(jié)構(gòu)體系，使地層內(nèi)部空間和采收率不斷提高。在進(jìn)行致密砂巖氣藏破裂壓力研究過程中，采用小型真三軸水力壓裂模型作為試驗(yàn)設(shè)備，對實(shí)際地層情況和條件建立模擬環(huán)境，對射孔數(shù)量和間距，以及射孔深度和水平應(yīng)力產(chǎn)生的差值進(jìn)行分析，從而為射孔技術(shù)應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1設(shè)備

使用小型真三軸水力壓裂裝置建立模擬環(huán)境，其中將巖心室作為核心設(shè)備，產(chǎn)生的垂向應(yīng)力為σv，模擬環(huán)境規(guī)格為8.0cmX8.0cmX10.0cm。另外，使用液壓泵、壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、恒流泵、中間容器和壓力傳感器作為其它模擬設(shè)備。在試驗(yàn)過程中，在巖心室底部和兩側(cè)位置，鋼板在液壓活塞的推動(dòng)下對試驗(yàn)樣品產(chǎn)生三軸應(yīng)力作用，在一側(cè)產(chǎn)生的壓力最高為30MPa。使用該試驗(yàn)設(shè)備，按照環(huán)境實(shí)際產(chǎn)生的壓力進(jìn)行模擬試驗(yàn)，使儲(chǔ)層產(chǎn)生的壓裂裂縫與擴(kuò)展符合試驗(yàn)要求。

1.2巖樣

使用某地致密砂巖氣藏作為巖樣，要求巖樣內(nèi)部不存在天然裂縫，保證試驗(yàn)效果符合試驗(yàn)要求。然后將巖樣制作成8.0cmX8.0cmX10.0cm規(guī)格的試驗(yàn)樣品，在樣品中心按照深度為7.5cm直徑為1.5cm制作成一個(gè)孔洞，另外在孔洞底部4.5cm位置上作為裸眼段。

1.3設(shè)計(jì)方案

在完成巖樣樣品制作后，在巖心室內(nèi)放好樣品，通過設(shè)備對巖心施加應(yīng)力。按照試驗(yàn)要求，將12塊巖心樣品分成7組，根據(jù)不同的射孔參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，將紅墨水混入到壓裂液中，根據(jù)壓裂液注入速率0.05mL/min要求，對壓力產(chǎn)生的變化進(jìn)行記錄，通常注入時(shí)間為1分鐘，然后切開樣品巖心，記錄裂縫產(chǎn)生的變化情況。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1破裂壓力

使用破裂壓力作為試驗(yàn)壓力標(biāo)準(zhǔn)，對樣品使用同等水平應(yīng)力差，第一種按照無射孔方式進(jìn)行試驗(yàn)，產(chǎn)生的破裂壓力平均值為15.51MPa，剩下的6組破裂壓力平均值為12.7MPa，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對巖樣進(jìn)行射孔處理，使巖樣產(chǎn)生的破裂壓力能力不斷降低。在第三組和第四組對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第三組射孔數(shù)量較多，同時(shí)巖樣產(chǎn)生的破裂壓力不斷減少，說明射孔數(shù)量對降低破裂壓力破壞程度有效果。在不斷增加射孔密度過程中，射孔距離不斷縮小，但是要保證巖樣強(qiáng)度不發(fā)生變化，也能有效降低破裂壓力造成的破壞能力。

2.2裂縫起裂

采用裂縫起裂施工技術(shù)，將射孔巖樣和未射孔巖樣作為試驗(yàn)對象。在試驗(yàn)過程中，水平產(chǎn)生的應(yīng)力差為3MPa，在上覆施加的壓力為20MPa。在巖樣底部出現(xiàn)裂縫時(shí)，由于巖樣在弱面的特點(diǎn)，通常裂縫從弱面出現(xiàn)，而且弱面出現(xiàn)裂縫具有無規(guī)則特點(diǎn)。在實(shí)際射孔過程中，根據(jù)裂縫的擴(kuò)展性和延伸性特點(diǎn)，在水平井分段多簇壓裂過程中，使用射孔技術(shù)有效解決地層出現(xiàn)裂縫壓力的問題。

2.3水平應(yīng)力差

在進(jìn)行試驗(yàn)過程中，調(diào)整水平應(yīng)力差差值，在第三組和第五組中，對巖樣進(jìn)行3個(gè)射孔處理，其中第三組應(yīng)力差為3MPa，第五組應(yīng)力差為9MPa。在不同應(yīng)力差作用下，第三組和第五組巖樣產(chǎn)生3條裂縫，但是裂縫起裂位置發(fā)生變化，在較高的水平應(yīng)力差作用下，裂縫彼此間的干擾較小。

2.4射孔間距

在射孔間距試驗(yàn)過程中，在第三組和第八組進(jìn)行對比時(shí)，使用3MPa的水平應(yīng)力差，第三組射孔間距為1公分，第八組射孔間距為0.5公分。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，第三組出現(xiàn)3條裂縫，并且三條裂縫沒有出現(xiàn)偏移。第八組出現(xiàn)4條裂縫，其中裂縫1和裂縫2間距較近。根據(jù)試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，射孔間距不斷縮小，對裂縫起產(chǎn)生的干擾作用不斷增強(qiáng)。

2.5射孔深度

在進(jìn)行射孔深度試驗(yàn)過程中，將11組和12組巖樣作為試驗(yàn)對象，實(shí)施9MPa的水平應(yīng)力差。在11組巖樣上進(jìn)行2個(gè)射孔操作，要求兩個(gè)射孔距離控制在1.5cm，上射孔深度和下射孔深度分比為0.1cm和0.2cm。在12組巖樣上進(jìn)行3個(gè)射孔操作，射孔間距控制在1.0cm，上面一個(gè)射孔深度和下面射孔深度分別為0.1cm和0.2cm。通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在射孔深度增加過程中，使孔壁面積不斷擴(kuò)大，使巖石破裂壓力產(chǎn)生的破壞力不斷減弱。

3數(shù)值模擬

在該試驗(yàn)過程中，射孔間距和水平應(yīng)力差的變化，都會(huì)影響巖樣裂縫形態(tài)，證明試驗(yàn)過程符合要求。另外，在試驗(yàn)過程中，制定不同的模擬數(shù)值，其中泊松比和楊氏模量分別為0.21和20GPa，垂向應(yīng)力值和水平最大主應(yīng)力分別為40MPa和35MPa，而最小主應(yīng)力在26MPa-32MPa范圍內(nèi)。其中，抗拉強(qiáng)度控制在5MPa，射孔間距分別確定在75m、55m和35m位置處。

在進(jìn)行試驗(yàn)過程中，在射孔間距同為35m時(shí)，并且水平應(yīng)力差在3MPa時(shí)，巖樣產(chǎn)生的裂縫受到干擾最大，而且裂縫沿著水平主應(yīng)力方向發(fā)展，在發(fā)展過程中出現(xiàn)明確的路線變化。在水平應(yīng)力差為6MPa時(shí)，巖樣產(chǎn)生的裂縫受到干擾相對較小，而且裂縫出現(xiàn)的延伸沒有出現(xiàn)明顯變化。因此，根據(jù)上述使用條件可知，巖樣裂縫延伸發(fā)生變化時(shí)，證明裂縫受到的干擾程度較強(qiáng)。在射孔間距為55m時(shí)，產(chǎn)生的裂縫路徑?jīng)]有明顯變化。如果射孔間距控制在75m時(shí)，水平主應(yīng)力方向上裂縫沒有明顯延伸變化。根據(jù)上述試驗(yàn)條件對比發(fā)現(xiàn)，在水平應(yīng)力差和射孔間距不斷增加過程中，巖樣中裂縫形態(tài)的變化受到的干擾程度不斷減弱。但是要注意的是，在水平應(yīng)力差小于6MPa時(shí)，或者射孔間距小于55m范圍內(nèi)，裂縫產(chǎn)生受到的干擾程度不斷升高，而且裂縫延伸路徑出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)的情況較為顯著，證明試驗(yàn)過程按照模擬數(shù)據(jù)要求，符合試驗(yàn)結(jié)果要求。

結(jié)論：

綜上所述，在該項(xiàng)目研究過程中，使用小型真三軸水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置作為使用設(shè)備，采用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象可知，射孔的的數(shù)量、深度和間距等因素，對致密砂巖水力壓裂裂縫起裂與發(fā)展有不同程度的影響。通過使用證明，使用射孔技術(shù)，不僅降低致密砂巖氣藏的破裂壓力對地層結(jié)構(gòu)的坡效果，同時(shí)使水力壓裂施工過程根據(jù)方便快捷的完成。而且在射孔數(shù)量不斷增加過程中，對致密砂巖氣藏地層結(jié)構(gòu)體積發(fā)揮有效的改變作用。在較低水平應(yīng)力差作用下，要求控制射孔間距保持在合理的范圍內(nèi)，防止地層儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)改造體積出現(xiàn)不斷縮小的情況。

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（作者單位：中石化華北石油工程有限公司測井分公司）