水平井壓裂裂縫起裂及延伸規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)研究

董丙響，楊 柳，李 偉，周 勛，徐昊垠

(1.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司，天津 300280；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引 言

水平井壓裂改造技術(shù)已成為高效開發(fā)低滲油氣藏的關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是對(duì)于頁(yè)巖氣、致密砂巖氣等非常規(guī)油氣資源的商業(yè)開采[1-8]。深入理解水平井壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律[9-14]，對(duì)優(yōu)化體積壓裂設(shè)計(jì)、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工具有重要意義。自從Giger[15]于1985年首次提出水平井壓裂概念，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水平井壓裂進(jìn)行了較多理論研究[16-17]。Hossain等[18-19]推導(dǎo)了水平井裸眼完井和射孔完井等多種情況下的地層巖石破裂壓力，并給出了裂縫起裂方向與井筒軸線間的夾角公式。程遠(yuǎn)方等[20]從巖石力學(xué)的角度分析了水平井壓裂的特點(diǎn)和基本原理，指出裂縫起裂及裂縫形態(tài)主要取決于上覆巖層壓力、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力三者的大小以及水平井眼的方位[21-22]。但目前對(duì)水力壓裂機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍有很大局限性，理論研究常采用理想化模型，預(yù)測(cè)裂縫幾何形態(tài)時(shí)大多采用簡(jiǎn)化的二維或三維模型，這些理論研究還無(wú)法得到有效的驗(yàn)證。水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)是研究水力裂縫起裂擴(kuò)展機(jī)理的重要方法之一，對(duì)直井壓裂實(shí)驗(yàn)?zāi)M的研究較多[23-25]，而水平井壓裂實(shí)驗(yàn)?zāi)M的研究較少。CHAMBERS M R、FISHER M K等[26-27]等通過實(shí)驗(yàn)研究了不同完井方式下裂縫起裂和幾何形態(tài)問題，但沒有考慮主應(yīng)力差(最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之差)的影響，并且實(shí)驗(yàn)條件與現(xiàn)場(chǎng)施工條件差別很大。此次研究根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水平井壓裂施工要求，采用中國(guó)石油大學(xué)(華東)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的真三軸模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[28]開展物模壓裂實(shí)驗(yàn)，分別模擬了水平井段為裸眼完井和套管射孔完井時(shí)，不同主應(yīng)力差條件下，裂縫起裂壓力和幾何形態(tài)與水平井井筒方位角之間的關(guān)系，對(duì)進(jìn)一步研究水平井水力壓裂裂縫起裂及延伸機(jī)理具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 巖樣制備

該水平井壓裂模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是垂深為2 000 m處的低孔低滲砂泥巖儲(chǔ)層，應(yīng)力條件為σv>σH>σh(σv為上覆巖層壓力，σH為最大水平主應(yīng)力，σh為最小水平主應(yīng)力，單位為MPa)。主要巖石物理參數(shù)：滲透率為0.1～0.5 mD，孔隙度為5%～8%，楊氏模量為28 GPa，泊松比為0.25。模擬巖石采用人工巖樣，即用特種沙子和水泥在專用模具里制備，巖樣規(guī)格為105 mm×105 mm×105 mm。根據(jù)相似準(zhǔn)則，模擬參數(shù)為：水平段長(zhǎng)度為65 mm，井筒直徑為10 mm，套管射孔孔徑為1 mm，壓裂液注入速率為9 mL/min。壓裂液采用植物膠(0.55%稠化劑GRJ-11+0.30%防膨劑 HTC-160)，其黏度為60 mPa·s。制備的巖樣中水平井筒有2種布置方式，分別是沿著主應(yīng)力方向(圖1a)和與主應(yīng)力方向存在一定的夾角(圖1b)。

圖1 水平井壓裂巖樣示意圖

1.2 模擬實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

模擬方案主要設(shè)計(jì)參數(shù)：最大與最小水平主應(yīng)力差為10 MPa和4 MPa；裸眼完井(用L表示)和套管射孔完井(用T表示)2種完井方式；井筒方位角θ(即水平段井筒軸向與最小水平主應(yīng)力方向夾角)分別為0、30、45、60、90 °；套管采用90 °相位螺旋射孔方式。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 水平井壓裂模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 裂縫起裂和延伸壓力分析

裂縫起裂壓力和延伸壓力與井筒方位角關(guān)系曲線見圖2。由圖2可知：隨方位角增大，裂縫起裂壓力和延伸壓力總體上呈下降趨勢(shì)，延伸壓力下降趨勢(shì)相對(duì)平緩；方位角為45 °時(shí)，起裂壓力有明顯升高；隨水平應(yīng)力差增大，裂縫起裂壓力和延伸壓力降低，主應(yīng)力差為10 MPa時(shí)的裂縫起裂壓力和延伸壓力比主應(yīng)力差為4 MPa時(shí)的低2～10 MPa；與裸眼完井相比，受井筒完善程度的影響，套管完井時(shí)的裂縫起裂壓力和延伸壓力均較高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在井位布置時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要和現(xiàn)實(shí)條件綜合考慮水平井筒的方位走向，以提高壓裂裂縫復(fù)雜程度；主應(yīng)力差對(duì)裂縫的起裂和延伸影響很大，主應(yīng)力差越大，裂縫起裂和延伸壓力越低，這與理論計(jì)算和數(shù)值模擬是一致的[29]；對(duì)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的地層，在維持井筒穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，傾向于采用裸眼完井方式，實(shí)現(xiàn)井筒和裂縫與地層最大限度的連通，提高油氣采出效果。

2.2 裂縫起裂和延伸幾何形態(tài)分析

裂縫幾何形態(tài)可以很好地反映裂縫起裂和延伸規(guī)律。

圖2 裂縫起裂壓力和延伸壓力與井筒方位角關(guān)系

井筒方向與σh方向夾角為0 °時(shí)的壓裂裂縫形態(tài)見圖3。由圖3可知：水平井壓裂時(shí)，裂縫在井筒附近沿井筒方向起裂，在距井筒一定距離時(shí)逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)向，沿著與σh垂直的方向延伸形成橫斷縫，這一點(diǎn)在主應(yīng)力差為4 MPa時(shí)更為明顯；套管射孔完井時(shí)，由于壓裂時(shí)應(yīng)力集中形成橫斷縫(圖3c、d)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)井筒軸向沿著最小主應(yīng)力方向或者井筒方位角較小時(shí)，壓裂形成橫斷縫，對(duì)于長(zhǎng)水平段水平井，壓裂可以更大程度地提高地層改造體積。

井筒方向與σh方向夾角為30 °時(shí)壓裂裂縫形態(tài)見圖4。由圖4可知：裂縫垂直于井筒方向起裂，在距井壁距離為井筒直徑處開始轉(zhuǎn)向最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，具有多裂縫起裂的特征，在巖樣外圍形成一條沿垂直于最小主應(yīng)力方向延伸的裂縫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)井筒軸線不沿最大和最小主應(yīng)力方向時(shí)，存在多裂縫或復(fù)雜裂縫的起裂和擴(kuò)展。

井筒方向與σh方向夾角為45 °時(shí)壓裂裂縫形態(tài)見圖5。由圖5可知：裂縫起裂變得復(fù)雜，存在拉伸和剪切破壞產(chǎn)生的裂縫；對(duì)于裸眼完井，壓裂裂縫沿井眼軸線方向起裂，而在離井筒距離為井筒半徑處，裂縫轉(zhuǎn)向垂直于最小水平主應(yīng)力方向延伸(圖5a、b)；對(duì)于套管射孔完井，主應(yīng)力差為10 MPa時(shí)，裂縫形態(tài)較為簡(jiǎn)單(圖5c)，當(dāng)主應(yīng)力差較小時(shí)，裂縫起裂和延伸變得復(fù)雜(圖5d)，主應(yīng)力差為4 MPa時(shí)，在井筒附近裂縫沿井筒方向起裂，當(dāng)裂縫遠(yuǎn)離井筒向外擴(kuò)展時(shí)，轉(zhuǎn)向垂直于最小水平主應(yīng)力方向，在井筒端部裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方位角為45 °左右時(shí)，裂縫起裂和延伸壓力高，形成的裂縫也更復(fù)雜，在井筒附近裂縫沿井軸方向起裂，向外擴(kuò)展時(shí)裂縫逐漸轉(zhuǎn)向垂直于最小水平主應(yīng)力方向延伸。

圖3 井筒與σh方向夾角為0°的巖樣壓裂裂縫形態(tài)

圖4 井筒與σh方向夾角為30°的巖樣壓裂裂縫形態(tài)

圖5 井筒方向與σh方向夾角為45°的巖樣壓裂裂縫形態(tài)

井筒方向與σh方向夾角為60 °時(shí)壓裂裂縫形態(tài)見圖6。由圖6可知：裂縫起裂主要是由于拉伸破壞。對(duì)于裸眼井，裂縫沿井筒軸線方向起裂并延伸至巖樣外圍，形成裂縫平面，但在井筒的端部裂縫轉(zhuǎn)向垂直于最小水平主應(yīng)力方向延伸(圖6a、b)；對(duì)于射孔完井，主應(yīng)力差為10 MPa時(shí)，由于應(yīng)力集中，裂縫在直井段與水平井段連接處的第1個(gè)射孔處沿井筒軸線方向起裂，當(dāng)裂縫遠(yuǎn)離井筒向外擴(kuò)展時(shí)轉(zhuǎn)向垂直于最小水平主應(yīng)力方向(圖6c)，主應(yīng)力差為4 MPa時(shí)，裂縫在近井地帶沿井眼軸線方向起裂，在向外擴(kuò)展時(shí)，與裸眼完井的裂縫形態(tài)基本相同(圖6d)，但比應(yīng)力差為10 MPa時(shí)的裂縫形態(tài)復(fù)雜。

圖6 井筒方向與σh方向夾角為60°時(shí)的巖樣壓裂裂縫形態(tài)

井筒方向與σh方向夾角為90 °時(shí)壓裂裂縫形態(tài)見圖7。由圖7可知，2種完井方式下裂縫均沿與最小水平主應(yīng)力垂直方向起裂和延伸，形成縱向裂縫平面；套管完井時(shí)，每個(gè)射孔處均是裂縫起裂點(diǎn)，裂縫起裂并沿井筒軸向連接形成一條裂縫。該種情況下的水平井壓裂對(duì)地層的動(dòng)用程度較低，難以達(dá)到改造效果。

圖7 井筒與σh方向夾角為90°的巖樣壓裂裂縫形態(tài)

通過以上模擬實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)于水平井壓裂的裂縫起裂和延伸，可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

(1) 主應(yīng)力差對(duì)裂縫起裂有較大影響，應(yīng)力差越大起裂壓力越低，越容易實(shí)施壓裂；應(yīng)力差越小起裂壓力越高，并且裂縫起裂和延伸越復(fù)雜，形成復(fù)雜裂縫。

(2) 對(duì)于同一方位角，2種完井方式裂縫起裂和延伸的特點(diǎn)相似，裸眼完井的裂縫起裂壓力和延伸壓力均比套管射孔完井的低。

(3) 2種完井方式，隨著水平井井筒與最小水平主應(yīng)力夾角的增大，近井地帶裂縫轉(zhuǎn)角逐漸減小，當(dāng)井筒垂直于最小水平主應(yīng)力方向時(shí)，形成沿井軸方向的縱向縫

(4) 套管射孔完井時(shí)，每個(gè)有效射孔點(diǎn)處都是裂縫帶起裂點(diǎn)，當(dāng)逐漸遠(yuǎn)離井筒向外擴(kuò)展時(shí)，裂縫最終轉(zhuǎn)向垂直于最小水平主應(yīng)力方向延伸，形成一條垂直于最小主應(yīng)力方向的主裂縫。

3 結(jié)論及建議

(1) 在水平井井位布置時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要和現(xiàn)實(shí)條件綜合考慮水平井筒的方位和走向，以增大壓裂裂縫復(fù)雜程度，提高改造效果。

(2) 地層主應(yīng)力差對(duì)裂縫起裂和延伸的影響很大，在壓裂施工之前應(yīng)充分掌握儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)，尤其是地應(yīng)力資料，為合理設(shè)計(jì)壓裂工藝參數(shù)提供參考。

(3) 對(duì)于水平井壓裂，完井方式不是關(guān)鍵因素。若地層強(qiáng)度高穩(wěn)定性強(qiáng)，在井的開采壽命內(nèi)能夠維持井筒穩(wěn)定性，則采用裸眼完井方式，使得排采生產(chǎn)過程中井筒與裂縫和地層最大限度的連通，提高采出效果。

(4) 對(duì)于套管射孔完井，當(dāng)孔眼方位與裂縫起裂方位一致時(shí)，起裂壓力低。因此，增大射孔密度，有利于降低形成多裂縫起裂和延伸的不利因素。

(5) 由實(shí)驗(yàn)分析可知，當(dāng)水平井井筒沿最小水平主應(yīng)力布置時(shí)，壓裂可以形成橫斷縫，提高儲(chǔ)層動(dòng)用程度，增大改造體積，特別適用于長(zhǎng)水平段水平井的多級(jí)壓裂。