水平井壓裂裂縫起裂及延伸規律模擬實驗研究

董丙響，楊 柳，李 偉，周 勛，徐昊垠

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

0 引 言

水平井壓裂改造技術已成為高效開發低滲油氣藏的關鍵技術之一，特別是對于頁巖氣、致密砂巖氣等非常規油氣資源的商業開采[1-8]。深入理解水平井壓裂裂縫擴展規律[9-14]，對優化體積壓裂設計、指導現場施工具有重要意義。自從Giger[15]于1985年首次提出水平井壓裂概念，國內外學者對水平井壓裂進行了較多理論研究[16-17]。Hossain等[18-19]推導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。程遠方等[20]從巖石力學的角度分析了水平井壓裂的特點和基本原理，指出裂縫起裂及裂縫形態主要取決于上覆巖層壓力、最大水平主應力、最小水平主應力三者的大小以及水平井眼的方位[21-22]。但目前對水力壓裂機理的認識仍有很大局限性，理論研究常采用理想化模型，預測裂縫幾何形態時大多采用簡化的二維或三維模型，這些理論研究還無法得到有效的驗證。水力壓裂模擬實驗是研究水力裂縫起裂擴展機理的重要方法之一，對直井壓裂實驗模擬的研究較多[23-25]，而水平井壓裂實驗模擬的研究較少。CHAMBERS M R、FISHER M K等[26-27]等通過實驗研究了不同完井方式下裂縫起裂和幾何形態問題，但沒有考慮主應力差(最大水平主應力與最小水平主應力之差)的影響，并且實驗條件與現場施工條件差別很大。此次研究根據現場水平井壓裂施工要求，采用中國石油大學(華東)巖石力學實驗室的真三軸模擬實驗系統[28]開展物模壓裂實驗，分別模擬了水平井段為裸眼完井和套管射孔完井時，不同主應力差條件下，裂縫起裂壓力和幾何形態與水平井井筒方位角之間的關系，對進一步研究水平井水力壓裂裂縫起裂及延伸機理具有重要意義。

1 實驗方案設計

1.1 巖樣制備

該水平井壓裂模擬實驗模擬的是垂深為2 000 m處的低孔低滲砂泥巖儲層，應力條件為σv>σH>σh(σv為上覆巖層壓力，σH為最大水平主應力，σh為最小水平主應力，單位為MPa)。主要巖石物理參數：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，巖樣規格為105 mm×105 mm×105 mm。根據相似準則，模擬參數為：水平段長度為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，分別是沿著主應力方向(圖1a)和與主應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 模擬實驗方案設計

模擬方案主要設計參數：最大與最小水平主應力差為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。具體實驗參數見表1。

表1 水平井壓裂模擬實驗參數

2 實驗結果分析

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，延伸壓力下降趨勢相對平緩；方位角為45 °時，起裂壓力有明顯升高；隨水平應力差增大，裂縫起裂壓力和延伸壓力降低，主應力差為10 MPa時的裂縫起裂壓力和延伸壓力比主應力差為4 MPa時的低2～10 MPa；與裸眼完井相比，受井筒完善程度的影響，套管完井時的裂縫起裂壓力和延伸壓力均較高。實驗結果表明：在井位布置時應根據實際需要和現實條件綜合考慮水平井筒的方位走向，以提高壓裂裂縫復雜程度；主應力差對裂縫的起裂和延伸影響很大，主應力差越大，裂縫起裂和延伸壓力越低，這與理論計算和數值模擬是一致的[29]；對強度高、穩定性強的地層，在維持井筒穩定性的基礎上，傾向于采用裸眼完井方式，實現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分析

裂縫幾何形態可以很好地反映裂縫起裂和延伸規律。

圖2 裂縫起裂壓力和延伸壓力與井筒方位角關系

井筒方向與σh方向夾角為0 °時的壓裂裂縫形態見圖3。由圖3可知：水平井壓裂時，裂縫在井筒附近沿井筒方向起裂，在距井筒一定距離時逐漸發生轉向，沿著與σh垂直的方向延伸形成橫斷縫，這一點在主應力差為4 MPa時更為明顯；套管射孔完井時，由于壓裂時應力集中形成橫斷縫(圖3c、d)。實驗結果表明：當井筒軸向沿著最小主應力方向或者井筒方位角較小時，壓裂形成橫斷縫，對于長水平段水平井，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 °時壓裂裂縫形態見圖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向最大水平主應力方向擴展，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力方向延伸的裂縫。實驗結果表明，當井筒軸線不沿最大和最小主應力方向時，存在多裂縫或復雜裂縫的起裂和擴展。

井筒方向與σh方向夾角為45 °時壓裂裂縫形態見圖5。由圖5可知：裂縫起裂變得復雜，存在拉伸和剪切破壞產生的裂縫；對于裸眼完井，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，裂縫轉向垂直于最小水平主應力方向延伸(圖5a、b)；對于套管射孔完井，主應力差為10 MPa時，裂縫形態較為簡單(圖5c)，當主應力差較小時，裂縫起裂和延伸變得復雜(圖5d)，主應力差為4 MPa時，在井筒附近裂縫沿井筒方向起裂，當裂縫遠離井筒向外擴展時，轉向垂直于最小水平主應力方向，在井筒端部裂縫沿最大水平主應力方向擴展。實驗結果表明，方位角為45 °左右時，裂縫起裂和延伸壓力高，形成的裂縫也更復雜，在井筒附近裂縫沿井軸方向起裂，向外擴展時裂縫逐漸轉向垂直于最小水平主應力方向延伸。

圖3 井筒與σh方向夾角為0°的巖樣壓裂裂縫形態

圖4 井筒與σh方向夾角為30°的巖樣壓裂裂縫形態

圖5 井筒方向與σh方向夾角為45°的巖樣壓裂裂縫形態

井筒方向與σh方向夾角為60 °時壓裂裂縫形態見圖6。由圖6可知：裂縫起裂主要是由于拉伸破壞。對于裸眼井，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向垂直于最小水平主應力方向延伸(圖6a、b)；對于射孔完井，主應力差為10 MPa時，由于應力集中，裂縫在直井段與水平井段連接處的第1個射孔處沿井筒軸線方向起裂，當裂縫遠離井筒向外擴展時轉向垂直于最小水平主應力方向(圖6c)，主應力差為4 MPa時，裂縫在近井地帶沿井眼軸線方向起裂，在向外擴展時，與裸眼完井的裂縫形態基本相同(圖6d)，但比應力差為10 MPa時的裂縫形態復雜。

圖6 井筒方向與σh方向夾角為60°時的巖樣壓裂裂縫形態

井筒方向與σh方向夾角為90 °時壓裂裂縫形態見圖7。由圖7可知，2種完井方式下裂縫均沿與最小水平主應力垂直方向起裂和延伸，形成縱向裂縫平面；套管完井時，每個射孔處均是裂縫起裂點，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地層的動用程度較低，難以達到改造效果。

圖7 井筒與σh方向夾角為90°的巖樣壓裂裂縫形態

通過以上模擬實驗分析，對于水平井壓裂的裂縫起裂和延伸，可以得到以下幾點認識。

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

(2) 對于同一方位角，2種完井方式裂縫起裂和延伸的特點相似，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力夾角的增大，近井地帶裂縫轉角逐漸減小，當井筒垂直于最小水平主應力方向時，形成沿井軸方向的縱向縫

(4) 套管射孔完井時，每個有效射孔點處都是裂縫帶起裂點，當逐漸遠離井筒向外擴展時，裂縫最終轉向垂直于最小水平主應力方向延伸，形成一條垂直于最小主應力方向的主裂縫。

3 結論及建議

(1) 在水平井井位布置時，應根據實際需要和現實條件綜合考慮水平井筒的方位和走向，以增大壓裂裂縫復雜程度，提高改造效果。

(2) 地層主應力差對裂縫起裂和延伸的影響很大，在壓裂施工之前應充分掌握儲層巖石物理性質，尤其是地應力資料，為合理設計壓裂工藝參數提供參考。

(3) 對于水平井壓裂，完井方式不是關鍵因素。若地層強度高穩定性強，在井的開采壽命內能夠維持井筒穩定性，則采用裸眼完井方式，使得排采生產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) 對于套管射孔完井，當孔眼方位與裂縫起裂方位一致時，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) 由實驗分析可知，當水平井井筒沿最小水平主應力布置時，壓裂可以形成橫斷縫，提高儲層動用程度，增大改造體積，特別適用于長水平段水平井的多級壓裂。