徑向鉆孔輔助壓裂裂縫形態(tài)復(fù)雜化的研究

李 楊

（中國(guó)石油遼河油田鉆采工藝研究院，遼寧 盤(pán)錦 124010）

隨著非常規(guī)油氣藏的逐漸開(kāi)發(fā)，對(duì)儲(chǔ)層壓裂改造的要求也愈來(lái)愈高。常規(guī)的壓裂改造只能形成單一的雙翼人工裂縫。而非常規(guī)油藏由于自身滲流條件差，因此需要形成更復(fù)雜的人工裂縫，從而提高改造范圍和程度。張廣清[1]等在定向射孔對(duì)地層的破裂壓力及裂縫形態(tài)的影響方面做了較多研究，認(rèn)為射孔孔眼方向與預(yù)期人工裂縫夾角越大、破裂壓力越高，越不易從孔眼處起裂，同時(shí)近井地帶裂縫形態(tài)越復(fù)雜。但由于射孔深度的局限性，使得定向射孔對(duì)井周應(yīng)力影響程度較小。而徑向鉆孔[2]能夠達(dá)到十倍以上的射孔深度，且具有更大的孔眼尺寸，更有利于形成復(fù)雜的人工裂縫形態(tài)。因此，通過(guò)聯(lián)合徑向鉆孔技術(shù)和壓裂技術(shù)，分析徑向鉆孔孔眼井周應(yīng)力的分布情況，建立數(shù)值模擬模型，研究不同角度下多鉆孔的水力裂縫起裂及裂縫形態(tài)延伸，對(duì)徑向鉆孔壓裂改造技術(shù)研究具有重要的意義。

1 徑向鉆孔對(duì)井周地應(yīng)力的影響

1.1 徑向鉆孔技術(shù)

徑向鉆孔技術(shù)[3]就是利用高壓水射流對(duì)油層套管、水泥環(huán)、巖石實(shí)施定點(diǎn)水力噴射鉆孔，噴射孔眼直徑為25～50 mm，鉆進(jìn)長(zhǎng)度最高可達(dá)100 m。受儲(chǔ)層深度及巖性的影響，通常長(zhǎng)度為10～25 m，如此長(zhǎng)度相比較常規(guī)射孔或者深穿透射孔具有一定的優(yōu)勢(shì)，能有效穿過(guò)泥漿污染帶，改變儲(chǔ)層的滲流環(huán)境，同時(shí)對(duì)近井地帶的地應(yīng)力分布有一定的改變。

圖1 徑向鉆孔示意圖

1.2 建立徑向鉆孔井周應(yīng)力模型

由于鉆孔穿透深度較長(zhǎng)，大大超過(guò)了套管與水泥環(huán)對(duì)近井地應(yīng)力的影響范圍，因此在建立徑向鉆孔井周應(yīng)力模型時(shí)可以將井筒設(shè)定為裸眼井，進(jìn)行井周應(yīng)力模型的預(yù)測(cè)[4]。井筒的實(shí)際應(yīng)力是受多個(gè)應(yīng)力同時(shí)影響的，主要包括三向原位地應(yīng)力、井眼內(nèi)液體壓力、孔隙水壓力和鉆井液由于壓差向地層滲濾引起的附加應(yīng)力。假設(shè)儲(chǔ)層巖石為均質(zhì)、各向同性的線(xiàn)彈性體材料，同時(shí)忽略滲流的影響，建立鉆孔井周應(yīng)力模型為如下。

圖2 徑向鉆孔井井筒坐標(biāo)系及原始地應(yīng)力示意圖

徑向鉆孔井周應(yīng)力分布為：

1.3 徑向鉆孔裂縫起裂與擴(kuò)展模型

壓裂裂縫起裂壓裂由鉆孔孔壁的應(yīng)力分布決定。由于巖石的抗拉應(yīng)力強(qiáng)度小于巖石的抗壓應(yīng)力強(qiáng)度和巖石的抗剪切應(yīng)力強(qiáng)度，根據(jù)拉伸破壞準(zhǔn)則，最大有效主應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度相等時(shí)巖石發(fā)生破壞，即可求出徑向鉆孔井的起裂壓力。

儲(chǔ)層巖石的3個(gè)主應(yīng)力分別設(shè)為σ1、σ2、σ3，由水力鉆孔深度為h處射孔周?chē)诘膽?yīng)力場(chǎng)分布的數(shù)學(xué)模型可得3個(gè)主應(yīng)力分布的表達(dá)式為：

通過(guò)比較σ2、σ3的大小，可知較大的主應(yīng)力應(yīng)該是σ3。所以最大拉應(yīng)力的表達(dá)式為：

當(dāng)σmax≥ps時(shí)，認(rèn)為巖石開(kāi)始發(fā)生破裂。上面已經(jīng)求解出了最大拉應(yīng)力的表達(dá)式，對(duì)上述最大拉應(yīng)力的表達(dá)式進(jìn)行一次求導(dǎo)，即可以求出初始裂縫的起裂角的表達(dá)式：

求解上述方程所得到的角度，即為定向水力射孔壓裂時(shí)裂縫開(kāi)始起裂的起裂方位角。這樣就分別計(jì)算求解出了定向水力壓裂時(shí)裂縫的起裂的壓力和裂縫的起裂方位角。

2 徑向鉆孔壓裂數(shù)值模擬

ABAQUS是通用型的有限元商業(yè)軟件，非線(xiàn)性影響對(duì)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算分析，并能夠處理巖體的裂縫擴(kuò)展、滲流-應(yīng)力耦合等多種復(fù)雜問(wèn)題，可考慮利用ABAQUS有限元軟件模擬徑向鉆孔對(duì)水力裂縫形態(tài)擴(kuò)展的影響。本文利用ABAQUS有限元建模軟件，采用二維有限元建模方法，模擬建立徑向鉆孔二維彈性模型，對(duì)徑向鉆孔輔助水力壓裂形態(tài)復(fù)雜化的研究。

2.1 雙鉆孔不同角度下裂縫形態(tài)變化

模型參數(shù)如表1所示，模擬結(jié)果如圖3所示。

表1 不同雙鉆孔角度水力壓裂實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬參數(shù)

圖3 不同鉆孔角度下壓裂裂縫形態(tài)

數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)兩徑向鉆孔夾角小于30°時(shí)，鉆孔之間裂縫起裂存在干擾，W2 鉆孔起裂裂縫發(fā)生拐折轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，但未發(fā)生與W1 鉆孔裂縫交叉。當(dāng)鉆孔孔眼夾角為30°，應(yīng)力云圖中應(yīng)力分布集中，地層的破裂壓力最小，當(dāng)鉆孔方位角夾角為180°，應(yīng)力云圖分布均勻，破裂壓力明顯增大。由于鉆孔應(yīng)力場(chǎng)之間的相互影響，鉆孔夾角越小，應(yīng)力場(chǎng)相互影響越強(qiáng)。

2.2 多鉆孔下裂縫形態(tài)變化

通過(guò)ABAQUS 對(duì)徑向鉆孔進(jìn)行有限元模擬，建立的四鉆孔及六鉆孔水力壓裂裂縫擴(kuò)展延伸模型，如圖4所示。

圖4 四鉆孔和六鉆孔下裂縫擴(kuò)展分布云圖

通過(guò)徑向鉆孔壓裂的裂縫擴(kuò)展分析，在裂縫擴(kuò)展開(kāi)始階段，不同鉆孔裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度相差不大。但是，隨著裂縫的持續(xù)擴(kuò)展，模擬四鉆孔與六鉆孔均存在最大主應(yīng)力方向的裂縫出現(xiàn)優(yōu)先擴(kuò)展的狀況。在六鉆孔壓裂裂縫擴(kuò)展過(guò)程中，由于鉆孔夾角較小，裂縫間應(yīng)力干擾現(xiàn)象較大，使得裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在六鉆孔壓裂中（不考慮天然裂縫），裂縫延伸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，人工裂縫形態(tài)復(fù)雜。

3 結(jié) 論

1）徑向鉆孔可改變儲(chǔ)層井周應(yīng)力的分布，孔眼尖端具有應(yīng)力集中效應(yīng)，有利于水力壓裂人工裂縫的開(kāi)啟。

2）當(dāng)兩徑向鉆孔夾角大于60°時(shí)，出現(xiàn)沿最大主應(yīng)力方向徑向鉆孔優(yōu)先破裂，而另一徑向鉆孔未發(fā)生破裂或者裂縫擴(kuò)展效果差；當(dāng)兩徑向鉆孔夾角小于30°時(shí)，兩徑向鉆孔之間裂縫起裂干擾，鉆孔起裂裂縫發(fā)生拐折轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，有利于裂縫復(fù)雜化。

3）不同角度多鉆孔模式下水力壓裂裂縫由于應(yīng)力互相干擾因素發(fā)生偏轉(zhuǎn)，延伸一定長(zhǎng)度后回歸為最大主應(yīng)力方向，從而使得裂縫復(fù)雜化，增大壓裂改造范圍。