射孔對致密砂巖氣藏水力壓裂裂縫起裂與擴(kuò)展的影響

雷 鑫，張士誠，許國慶，鄒雨時(shí)，郭天魁

（1.中國石油大學(xué)（北京）教育部石油工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580）

0 引言

致密砂巖氣藏儲(chǔ)層孔隙度小、滲透率極低，物性界限為空氣滲透率小于0.3×10－3μm2，單井產(chǎn)能低，常規(guī)開發(fā)方式很難實(shí)現(xiàn)有效動(dòng)用.在水力壓裂過程中，為了實(shí)現(xiàn)致密氣藏經(jīng)濟(jì)有效的開采，一般采用射孔水平井分段多簇的體積壓裂方式開啟天然裂縫，使它不斷擴(kuò)張并與脆性巖石產(chǎn)生剪切滑移，最終形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò)體系，從而增加改造體積﹑提高初始產(chǎn)量和最終采收率[1].由于部分致密砂巖氣藏地層破裂壓力較高，導(dǎo)致壓裂施工困難，需要采用射孔完井方法降低儲(chǔ)層破裂壓力[2].另外，增加射孔裂縫條數(shù)，以溝通更多的天然裂縫和提高縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也是致密砂巖氣藏增產(chǎn)改造的重點(diǎn)[3].在射孔井眼中，裂縫的起裂和近井筒的裂縫擴(kuò)展是復(fù)雜的[4]，對于致密砂巖氣藏的儲(chǔ)層改造效果有很大影響.因此，研究射孔對致密砂巖氣藏水平井壓裂裂縫起裂與擴(kuò)展的影響，對于水平井水力壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義.

目前，對射孔影響裂縫起裂與擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)研究多采用大尺寸的真三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).Daneshy A[5]采用石膏塊預(yù)置射孔的方式研究射孔影響破裂壓力，發(fā)現(xiàn)增加射孔數(shù)量可以有效地降低破裂壓力，短孔眼具有比長孔眼更低的破裂壓力，射孔直徑主要影響地層的抗拉強(qiáng)度，直徑越大抗拉強(qiáng)度越低.鄧金根等[6]采用水泥塊預(yù)置射孔的方式研究不同射孔方式、方位、孔密、孔深及孔徑對裂縫延伸和破裂壓力的影響規(guī)律，對川西南致密氣藏壓裂井的射孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；Behrmann L等[7]使用砂巖露頭進(jìn)行射孔斷裂實(shí)驗(yàn)，以確定最優(yōu)起裂的射孔幾何形狀和射孔—壓裂過程，表明水力裂縫起裂點(diǎn)通常是在孔眼的底部或是穿過井孔軸線的最小遠(yuǎn)場應(yīng)力法平面與井筒表面的交點(diǎn)，起裂點(diǎn)取決于射孔方向相對于最小水平應(yīng)力法平面、壓裂液性質(zhì)及注入速率.Bunger A P等[8]使用輝長巖露頭，結(jié)合大型真三軸水力壓裂模擬系統(tǒng)研究射孔對于裂縫擴(kuò)展的影響，表明射孔除了能夠有效地降低破裂壓力外，對于裂縫的起裂與擴(kuò)展還有很好的控制，有利于均勻布縫.

這些實(shí)驗(yàn)研究使用的是大尺寸人造巖心或是野外露頭，不但很難處理實(shí)驗(yàn)巖樣，而且?guī)r樣的物理性質(zhì)與實(shí)際儲(chǔ)層巖石物性也有一定差異，更沒有專門針對致密砂巖進(jìn)行過射孔對裂縫起裂與擴(kuò)展的影響研究.針對致密砂巖儲(chǔ)層鉆井取心巖樣，筆者設(shè)計(jì)一套小型真三軸水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置，模擬實(shí)際地層條件，考慮射孔數(shù)量、射孔間距、射孔深度及水平應(yīng)力差的影響，研究射孔對于致密砂巖氣藏水力壓裂裂縫起裂與擴(kuò)展的影響，為致密砂巖氣藏水力壓裂射孔參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)備

設(shè)計(jì)一套小型真三軸水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其關(guān)鍵部分為巖心室（見圖1（a），其中σv為垂向應(yīng)力，σH為最大水平主應(yīng)力，σh為最小水平主應(yīng)力），內(nèi)部尺寸為8.0cm×8.0cm×10.0cm.再結(jié)合液壓泵﹑中間容器﹑壓力傳感器﹑壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及恒流泵，組成小型水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置（見圖1（b））.利用巖心室兩側(cè)和底部的液壓活塞推動(dòng)鋼板，實(shí)現(xiàn)巖樣的三軸應(yīng)力加載，單向應(yīng)力最大為30.00MPa；還可以調(diào)節(jié)不同活塞下的壓力，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力差加載（見圖2）.與常規(guī)大尺寸的真三軸裝置相比，該裝置的尺寸適用于實(shí)際儲(chǔ)層的鉆井取心，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層應(yīng)力加載，更加真實(shí)地模擬儲(chǔ)層壓裂后近井筒處的裂縫起裂與擴(kuò)展.

圖1 小型水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 The mini－size hydraulic fracturing simulation system

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置流程Fig.2 Sketch map of experiment setup

1.2 巖樣

巖樣為鄂爾多斯盆地致密砂巖氣藏鉆井取心，物理及巖石力學(xué)參數(shù)見表1.在實(shí)驗(yàn)過程中，為了防止巖心存在的天然裂縫對水力裂縫的擴(kuò)展產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)前對巖心進(jìn)行CT掃描.由CT掃描結(jié)果（見圖3）可以看出，實(shí)驗(yàn)選取的巖心不含有天然裂縫，可以忽略天然裂縫對水力裂縫擴(kuò)展的影響.將巖心加工成為8.0cm×8.0cm×10.0cm的方塊，在巖心中部鉆直徑為1.5cm、深度為7.5cm的孔洞.將孔洞下部的4.5cm空間作為裸眼段，在裸眼段的內(nèi)壁刻上深度為0.1cm的環(huán)型槽模擬射孔，環(huán)間距（即射孔間距）參數(shù)見表2.然后將注液用的模擬井筒用高強(qiáng)度的環(huán)氧樹脂膠粘在裸眼段上方（見圖2），防止注液時(shí)液體從井口漏出導(dǎo)致泄壓.為了保證井筒更好的粘結(jié)效果，在井筒外壁刻上螺紋.

表1 巖樣物理和巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Petrophysical properties and mechanics parameters of the specimen

圖3 致密砂巖巖樣CT掃描結(jié)果Fig.3 CT scanned images of tight gas downhole drilling core

1.3 設(shè)計(jì)方案

將處理好的巖心放入巖心室，連接管線，對巖心加載應(yīng)力（見表2），加載方式見圖1（a）.實(shí)驗(yàn)共選取12塊巖心巖樣，分為7組，采用不同的射孔參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；然后對巖樣注壓裂液進(jìn)行壓裂，由于巖樣尺寸較小，裂縫擴(kuò)展速度很快，容易達(dá)到邊界，實(shí)驗(yàn)選用低注入速率（0.05mL／min）[9]，采用低黏度滑溜水（2.5 mPa·s）作為壓裂液.為了更好地觀測裂縫形態(tài)，在壓裂液中加入紅墨水；用儀器記錄注入壓力的變化，觀察破裂壓力（見圖2）；達(dá)到破裂壓力后壓力開始下降，持續(xù)注壓裂液1min后將巖心取出，切割并觀察裂縫形態(tài).

表2 巖心參數(shù)Table 2 Parameters and values for experiments

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破裂壓力

各個(gè)巖樣在壓裂實(shí)驗(yàn)過程中注入壓力的變化見圖3.在相同的水平應(yīng)力差條件下，無射孔的第一組巖樣的平均破裂壓力為15.51MPa，其余6組射孔巖樣的平均破裂壓力為12.70MPa，降低幅度為18%，射孔能夠有效降低巖石的破裂壓力.另外，第四組射孔的巖樣的破裂壓力要略小于第三組射孔的，說明隨著射孔數(shù)量的增加，巖石的破裂壓力減小.射孔對井眼應(yīng)力的影響可以認(rèn)為是無限大物體開多孔應(yīng)力集中相互影響的結(jié)果[6].隨著射孔密度的增加，孔眼距離不斷減小，多孔應(yīng)力集中效應(yīng)增強(qiáng)，使得孔眼附近的應(yīng)力增大.因此，在不影響射孔段套管強(qiáng)度的前提下，可以適當(dāng)?shù)丶哟笊淇酌芏?，一方面保證射孔的有效數(shù)量，另一方面可以降低起裂壓力.

表3 巖樣破裂壓力Table 3 Breakdown pressure of each experiment

2.2 裂縫起裂

未射孔與射孔巖樣裂縫形態(tài)見圖4，其中1＃巖樣采用未射孔的方式進(jìn)行水力壓裂實(shí)驗(yàn)，加載的水平應(yīng)力差為3.00MPa，上覆壓力為20.00MPa.由圖4（a）可以看出，1＃巖樣產(chǎn)生1條裂縫，處于井眼的底部.這是因?yàn)樵阢@孔時(shí)，巖樣井眼底部有殘余的鉆槽，屬于巖石的弱面，因此裂縫沿著應(yīng)力的弱面發(fā)生起裂.裂縫的起裂沒有方向性，向最大主應(yīng)力的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由于巖樣尺寸較小，裂縫還未偏轉(zhuǎn)到最大主應(yīng)力方向已達(dá)到邊界.3＃和8＃巖樣采用多射孔方式，在射孔處產(chǎn)生多條裂縫，裂縫按垂直于最小主應(yīng)力方向擴(kuò)展.水力裂縫的數(shù)量隨著射孔數(shù)量增加而增加，更多的主裂縫溝通儲(chǔ)層中天然裂縫而形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

受制于巖樣的尺寸，實(shí)驗(yàn)只能模擬水平井分段多簇壓裂其中一簇的近井筒裂縫起裂與擴(kuò)展.在實(shí)際生產(chǎn)中，多條裂縫從井筒起裂點(diǎn)向遠(yuǎn)井延伸，連通更多天然裂縫，增加接觸面積或改造體積.裂縫的起裂取決于井筒周圍的應(yīng)力，包括地質(zhì)產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力和裂縫增長產(chǎn)生的應(yīng)力變化.當(dāng)最小和最大主應(yīng)力存在顯著差異時(shí)，往往產(chǎn)生二維裂縫.因此，即使在近井筒區(qū)域射孔產(chǎn)生多條裂縫，隨著裂縫的擴(kuò)展延伸，在縫間干擾的影響下，裂縫在遠(yuǎn)端也將合并為一條裂縫[10].為了實(shí)現(xiàn)多裂縫擴(kuò)展增加改造體積，需要進(jìn)行射孔水平井分段多簇壓裂.

圖4 未射孔與射孔巖樣裂縫形態(tài)Fig.4 Fracture geometry of unperforated and perforated specimens

2.3 水平應(yīng)力差

3＃巖樣和5＃巖樣采用3個(gè)射孔，射孔間距為1.0cm.3＃巖樣加載的水平應(yīng)力差為3.00MPa，5＃巖樣加載的水平應(yīng)力差為9.00MPa.不同水平應(yīng)力差條件下巖樣裂縫形態(tài)見圖5.由圖5（a）、（b）可以看出，在射孔區(qū)域，3＃巖樣產(chǎn)生3條裂縫，沿射孔的位置起裂.在擴(kuò)展的過程中，裂縫1和裂縫2的右側(cè)在應(yīng)力干擾的情況下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最后合為1條裂縫，裂縫的擴(kuò)展方向垂直于最小主應(yīng)力方向.5＃巖樣同樣產(chǎn)生3條裂縫，也是沿射孔的位置起裂.與3＃巖樣相比，在較高的水平應(yīng)力差條件下，縫間干擾減弱，裂縫在擴(kuò)展的過程中基本上未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，3條裂縫分別垂直于最小主應(yīng)力方向進(jìn)行擴(kuò)展.

7＃巖樣采用4個(gè)射孔，射孔間距為0.5cm，加載的水平應(yīng)力差為3.00MPa.10＃巖樣采用3個(gè)射孔，射孔間距與7＃巖樣相同，加載的水平應(yīng)力差為9.00MPa.由圖5（c）﹑（d）可以看出，在射孔區(qū)域，7＃巖樣產(chǎn)生2條裂縫，沿中間的2個(gè)射孔區(qū)域起裂；在裂縫擴(kuò)展的過程中，裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)，左側(cè)的2條裂縫相互偏轉(zhuǎn)合并在一起，右側(cè)的2條裂縫也有偏轉(zhuǎn)的趨勢.在10＃巖樣中，沿著最上面和最下面2個(gè)射孔有2條裂縫起裂，裂縫擴(kuò)展垂直于最小主應(yīng)力方向，在擴(kuò)展的過程中未發(fā)生偏轉(zhuǎn).

水平應(yīng)力差對于裂縫擴(kuò)展有很大的影響.由復(fù)雜縫到平面縫過渡的應(yīng)力差通常為 5.00～7.00MPa[11].在 3.00 MPa的低水平應(yīng)力差條件下，縫間干擾現(xiàn)象比較明顯，說明在擴(kuò)展的過程中發(fā)生應(yīng)力偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展的方向偏轉(zhuǎn).在9.00MPa的高水平應(yīng)力差的條件下，縫間干擾現(xiàn)象不明顯，在擴(kuò)展的過程中未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，分別向垂直于最小主應(yīng)力的方向擴(kuò)展.這說明隨著水平應(yīng)力差的增大，縫間干擾現(xiàn)象逐漸減弱.

圖5 不同水平應(yīng)力差條件下巖樣裂縫形態(tài)Fig.5 Fracture geometry created under different horizontal stress biases

圖6 不同射孔間距條件下巖樣裂縫形態(tài)Fig.6 Fracture geometry created under different perforation spacing

2.4 射孔間距

3＃巖樣和8＃巖樣的實(shí)驗(yàn)采用水平應(yīng)力差為3.00MPa，3＃巖樣的射孔間距為1.0cm，8＃巖樣的射孔間距為0.5cm.不同射孔間距條件下巖樣裂縫形態(tài)見圖6.由圖6可以看出，在射孔區(qū)域，3＃巖樣產(chǎn)生3條裂縫，只有裂縫1和裂縫2的右側(cè)部分在擴(kuò)展的過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，巖樣左側(cè)的3條裂縫并未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展.8＃巖樣產(chǎn)生4條裂縫，在擴(kuò)展的過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，巖樣左側(cè)的裂縫1和裂縫2合并為1條，右側(cè)的2條裂縫彼此靠近.對于儲(chǔ)層，當(dāng)裂縫的間距很小時(shí)，縫間干擾變得強(qiáng)烈.在多級水平井壓裂的過程中，新產(chǎn)生的裂縫改變初始應(yīng)力分布，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展方向偏離初始最大主應(yīng)力方向，產(chǎn)生應(yīng)力陰影[12]現(xiàn)象.因此，射孔間距對裂縫的擴(kuò)展過程中縫間干擾有一定的影響，隨著射孔間距的增加，縫間干擾現(xiàn)象逐漸減弱.

2.5 射孔深度

在實(shí)驗(yàn)過程中，并不是每個(gè)巖樣的射孔區(qū)域都有裂縫產(chǎn)生.為分析射孔深度對裂縫起裂的影響，選取11＃巖樣和12＃巖樣，加載的水平應(yīng)力差為9.00MPa.11＃巖樣有2個(gè)射孔，射孔間距為1.5cm，上面的射孔深度為0.1cm，下面的射孔深度為0.2cm；12＃巖樣有3個(gè)射孔，射孔間距為1.0cm，上面的1個(gè)射孔深度為0.1cm，下面的2個(gè)射孔的深度為0.2cm.

不同射孔深度下巖樣裂縫形態(tài)見圖7.由圖7可以看出，對于11＃巖樣，下面的1個(gè)射孔區(qū)域產(chǎn)生裂縫，基本上垂直于最小主應(yīng)力方向；上面的1個(gè)射孔區(qū)域未產(chǎn)生裂縫.對于12＃巖樣，下面的2個(gè)射孔區(qū)域產(chǎn)生垂直于最小主應(yīng)力方向的擴(kuò)展裂縫，上面的1個(gè)射孔區(qū)域未產(chǎn)生裂縫.這說明射孔的深度對裂縫的起裂有一定的影響，當(dāng)射孔的深度增加時(shí)，液體壓力在孔壁上有效作用面積增大，用于破裂底層的液體能量增大，使得孔眼的周向應(yīng)力增加，巖石破裂壓力降低，裂縫更容易在較深的射孔中起裂并且擴(kuò)展[13].

圖7 不同射孔深度下巖樣裂縫形態(tài)Fig.7 Fracture geometry created under different perforation depth

3 數(shù)值模擬

利用致密砂巖水力壓裂裂縫擴(kuò)展模型[14]，分析射孔間距與水平應(yīng)力差對裂縫形態(tài)的影響，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確性.模型的主要參數(shù)：楊氏模量、泊松比分別取為20.0GPa、0.21，垂向應(yīng)力為40.00MPa，水平最大主應(yīng)力為35.00MPa，最小主應(yīng)力分別為26.00、29.00和32.00MPa，抗拉強(qiáng)度為5.00MPa，射孔間距分別為35、55和75m.不同水平應(yīng)力差、射孔間距下巖樣數(shù)值模擬結(jié)果見圖8和圖9（其中灰色直線為水平井段）.

圖8 不同水平應(yīng)力差條件下巖樣裂縫形態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8 Fracture geometry created under different horizontal stress biases numerical simulation

由圖8可知，在相同的射孔間距35m條件下，當(dāng)水平應(yīng)力差為3.00MPa時(shí)（見圖8（a）），縫間干擾嚴(yán)重，最大水平主應(yīng)力方向發(fā)生改變，水力裂縫沿著最大水平主應(yīng)力方向延伸，因此裂縫延伸路徑出現(xiàn)明顯的偏轉(zhuǎn)；當(dāng)水平應(yīng)力差達(dá)到6.00MPa時(shí)（見圖8（b）），縫間干擾相對減弱，裂縫擴(kuò)展路徑也發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但是偏轉(zhuǎn)不明顯；當(dāng)水平應(yīng)力差達(dá)到9.00MPa時(shí)（見圖8（c）），基本上沒有縫間干擾，裂縫擴(kuò)展路徑不變，對裂縫形態(tài)無影響.

由圖9可知，在相同的水平應(yīng)力差3.00MPa條件下，射孔間距為35m時(shí)（見圖9（a）），裂縫擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，表明縫間干擾對裂縫形態(tài)影響顯著；當(dāng)射孔間距增加到55m時(shí)（見圖9（b）），隨著縫間距的增大，縫間干擾減弱，裂縫擴(kuò)展路徑偏轉(zhuǎn)不明顯；當(dāng)射孔間距達(dá)到75m時(shí)（見圖9（c）），水力裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向延伸，無偏轉(zhuǎn).因此，隨著水平應(yīng)力差及射孔間距的增加，縫間干擾對裂縫形態(tài)的影響顯著降低，當(dāng)水平地應(yīng)力差低于6.00MPa或射孔間距低于55m時(shí)縫間應(yīng)力干擾顯著，裂縫延伸路徑偏轉(zhuǎn)明顯.這說明數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是基本吻合的.

圖9 不同射孔間距下巖樣裂縫形態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果Fig.9 Fracture geometry created under different perforation spacing nemerical simulation

4 結(jié)論

（1）采用設(shè)計(jì)的小型真三軸水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并通過數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證，研究射孔影響致密砂巖水力壓裂裂縫起裂與擴(kuò)展的規(guī)律.

（2）射孔可以有效地降低致密砂巖氣藏的破裂壓力，有利于降低現(xiàn)場水力壓裂施工的難度；通過多射孔的方式可以增加裂縫的條數(shù)，更多地溝通儲(chǔ)層中的天然裂縫，有效地提高致密砂巖氣藏的改造體積.

（3）在低水平應(yīng)力差下，要避免射孔間距過小而造成縫間干擾，引起水力裂縫延伸過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)合并，導(dǎo)致儲(chǔ)層改造體積減小.

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