水力徑向射流對壓裂裂縫起裂機理研究

丁然

摘要：近年來，國內外學者在常規射孔對地層破裂壓力的影響方面做了一些研究，然而，相比于常規射孔槍射孔，水力噴射徑向鉆孔在鉆孔方式和鉆孔參數上都有很大的區別，本文建立水力徑向鉆孔三維有限元模型結合巖石的抗拉破壞準則，研究徑向鉆孔參數包括鉆孔孔徑、鉆孔方位角及鉆孔深度對地層破裂壓力的影響。

關鍵詞：徑向鉆孔;破裂壓力;有限元

1.前言

近年來，國內外學者在常規射孔對地層破裂壓力的影響方面做了一些研究，張廣清、陳勉等利用線彈性三維有限元模型結合巖石的抗拉破壞準則，系統研究了垂直井中射孔對于地層破裂壓力的影響;彪仿俊、劉合等進行了常規螺旋射孔條件下不同射孔方位角、相位角以及射孔密度對地層破裂壓力的影響的研究;鄧金根、薛寶華等采用室內大型真三軸水力壓裂模擬試驗，研究了常規定向射孔參數對裂縫起裂壓力影響研究。

然而，相比于常規射孔槍射孔，水力噴射徑向鉆孔在鉆孔方式和鉆孔參數上都有很大的區別，而室內真三軸水力壓裂模擬受到巖芯尺寸的限制，難以實現徑向鉆孔的物理模擬實驗。本文建立水力徑向鉆孔三維有限元模型結合巖石的抗拉破壞準則，研究徑向鉆孔參數包括鉆孔孔徑、鉆孔方位角及鉆孔深度對地層破裂壓力的影響。

2.水力徑向鉆孔參數影響因素分析

進行徑向鉆孔不同射孔參數對井筒周圍應力場的影響差異和對壓裂裂縫起裂的影響分析，以射孔相應參數為變量，根據前人的研究及現場收集的數據，以下幾種工況進行數值模擬：

（1）鉆孔長度為變量，其值分別為：50m、60m、70m、80m、90m、100m;

（2）鉆孔方位角為變量，其值分別為：0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°;

（3）鉆孔直徑為變量，其值分別為：30mm、35mm、40mm、45mm、50mm。

2.1 水力徑向鉆孔深度影響

水力徑向鉆孔孔眼的深度與噴射工具和地層條件有關，為了從理論上考慮射孔深度對起裂壓力的影響，在建立模型時，不考慮孔眼直徑的變化，只改變射孔深度，分別取50m、60m、70m、80m、90m。

由調研的文獻中，常規射孔深度對破裂壓力的影響規律，隨著射孔深度的增加起裂壓力先減小后增加。這是因為當射孔深度較小時，由鉆井引起的近井筒地帶地應力的變化沒有消除，對裂縫起裂起到限制作用，當射孔深度增大時，在射孔眼的尖端不受近井筒地帶地應力的影響，且在孔壓的作用下產生的應力集中對孔眼根部的應力起到疊加作用，使得孔眼根部的起裂壓力降低。

而徑向鉆孔深度遠大于了常規射孔的孔眼深度，隨著徑向鉆孔深度增加，近井筒地帶地應力對孔眼尖端的影響較小，破裂壓力主要受到遠場地應力的影響，由計算結果可以看出，鉆孔深度在50m至100m范圍內變化，對地層的破裂壓力基本上沒有影響。

2.2 水力徑向鉆孔方位角影響

射孔方位角為射孔軸線與最大水平地應力方向的夾角。鉆孔方位角為變量，其值分別為：0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，鉆孔長度和直徑為定值，分別為50m，40mm，列舉了0°、30°、60°、90°有限元計算網格。

同樣采用試算法計算水力射孔井的地層破裂壓力，保持鉆孔參數和邊界條件不變，在井壁和孔壁處施加壓力，計算該壓力下的井眼最大主應力，將最大主應力與井壁巖石的抗拉強度比較，若最大主應力恰好等于抗拉強度，則施加的壓力就等于地層破裂壓力;否則，改變壓力值再計算井眼最大主應力，直到等于井壁巖石的抗拉強度。對每種工況進行計算，不同方位角徑向鉆孔井筒附近應力分布。

地層破裂壓力隨著射孔方位角的增加而增大。當射孔方向與最大水平地應力重合時，起裂壓力最小，在0°～40°之間起裂壓力變化不明顯，在40°～70°之間，起裂壓力迅速增加，在70°～90°之間起裂壓力變化較小。根據最小能量原理，裂縫總是沿著阻力最小的平面破裂和傳播。平行于最大水平地應力方向的孔眼壁面的破裂阻力最小，所需的破裂能量最低，因此破裂壓力也最低，為最佳射孔方向，反之亦然。破裂壓力是射孔方位角的函數，因此通過控制射孔方位，可降低地層破裂壓力，射孔與最大水平地應力的夾角最好不超過40°，40°即為獲得地層低破裂壓力所允許的臨界射孔方位角。

2.3 水力徑向鉆孔孔徑影響

水力徑向鉆孔孔眼直徑是鉆孔設計的一個重要參數，它涉及噴頭尺寸的選擇。取鉆孔孔眼直徑為一均勻變化的參數，而不考慮水力噴射工具的實際型號。以現有的工藝技術水平為例進行計算，計算中選取射孔眼直徑分別為30mm、35mm、40mm、45mm和50mm。

隨著孔眼直徑的增加，起裂壓力成明顯的線性降低趨勢，孔眼直徑在50mm大小時，起裂壓力較30mm的降低接近17MPa。因此，從降低起裂壓力的角度分析，選擇大孔徑的噴射工具較為合理。

3.結論

本章對水力徑向鉆孔的孔徑、鉆孔方位角及鉆孔深度對地層破裂壓力的影響進行了數值模擬計算分析：

隨著孔眼直徑的增加，起裂壓力成明顯的線性降低趨勢，孔眼直徑在50mm大小時，起裂壓力較30mm的降低接近17MPa。因此，從降低起裂壓力的角度分析，選擇大孔徑的噴射工具較為合理。

地層破裂壓力隨著射孔方位角的增加而增大。當射孔方向與最大水平地應力重合時，起裂壓力最小，在0°～40°之間起裂壓力變化不明顯，在40°～70°之間，起裂壓力迅速增加，在70°～90°之間起裂壓力變化較小。優化鉆孔與最大水平地應力的夾角最好不超過40°，40°即為獲得地層低破裂壓力所允許的臨界射孔方位角。鉆孔深度在50m至90m范圍內變化，對地層的破裂壓力基本上沒有影響。、

參考文獻

[1]蘇建. 水力噴射定向深穿透壓裂技術研究與應用[J].石油化工高等學校學報，2014，27（2）：55-58

[2]王鵬.徑向水射流射孔輔助壓裂技術分析[J].科技傳播，2013，3：54-55.

[3]唐亮田，李曉軍，薛巨豐.?低滲透砂礫巖油藏徑向鉆孔技術優化研究及應用[J].天然氣地球科學，2014，25（1）：113-117

[4]劉銀鳳. 低滲透油藏徑向鉆孔技術增產機理研究：（碩士論文）[D].東北石油大學，2012

[5]胡勝勇. 水力噴射鉆孔定向壓裂技術試驗研究[J].鉆采工藝，2014，37（5）：59-62

（作者單位：1.中國石油大學（華東）;2.勝利油田石油工程技術研究院）