施工參數對水平井多裂縫同步擴展影響研究

蔣雪峰, 郭巧珍, 馬忠勇, 王 倩, 王 青, 于慶森， 楊永智

(1中國石油新疆油田公司勘探開發研究院 2中石油渤海鉆控工程有限公司泥漿技術服務分公司 3中國石油勘探開發研究院)

分段多簇壓裂是實現非常規油氣藏經濟化開發的有效手段[1-3]。為達到體積壓裂的效果，在單個壓裂段采用多簇射孔，在井筒附近形成復雜縫網。但是，壓裂監測及壓后生產測試表明[4-5]，部分射孔簇未能獲得有效的壓裂液分配，并且部分射孔簇對水平井產量完全無貢獻。

近年來，國內外專家學者針對射孔簇內多裂縫競爭延伸開展了數值模擬研究。潘林華等[6]采用零厚度黏結單元模擬多簇射孔裂縫相互干擾及競爭延伸情況。Shin D.H.[7]采用ABAQUS軟件進行二次開發，根據裂縫內部延伸阻力分配流量，研究了排量動態分配情況下，3簇裂縫的競爭起裂與延伸情況。Lecampion B. and Desroches J.[8]、Wu K. and Olson J.[9]、程萬等[10]、包勁青等[11]的研究表明，多裂縫競爭擴展是孔眼摩阻、井筒壓裂液流動摩阻以及縫間應力陰影效應綜合作用的結果。Ghazal Izadi等[12]、Zhao Jinzhou等[13]、Wu K.等[14]、李楊等[15]研究認為，通過簇間距不均勻分布或者改變射孔簇孔眼數量進行限流法壓裂，可以有效促進多裂縫均勻擴展。

盡管對于分段多簇壓裂水平井多裂縫的競爭起裂與延伸機理已經有一定的研究，但是相關施工參數對于多裂縫同步擴展的影響并沒有完全揭示，如何合理設計施工參數以促進裂縫均勻擴展、提高射孔簇效率需要更加充分地研究。

本文基于黏聚力模型(CZM)和伯努利方程，建立了模擬多裂縫競爭擴展的有限元模型，模型考慮應力-滲流-損傷多場耦合，考慮了壓裂液在井筒中和射孔孔眼處的摩阻，利用該模型研究壓裂施工中的主要參數對于各射孔簇裂縫延伸形態、流量分配等的影響。

一、裂縫擴展計算模型

1. 模型概況

基于有限元分析軟件ABAQUS，對水平井分段多簇壓裂的單個壓裂段進行模擬，建立的數值模擬模型如圖1。模型X方向、Y方向和Z方向的尺寸分別為60 m、160 m和50 m。模型中部為目標壓裂儲層，厚度為30 m，上下部位為厚度10 m的隔層。

假設壓裂時主要形成平面縫，模型中預設三個平行的裂縫面(黏結單元層)模擬三個射孔簇裂縫的延伸情況，按照裂縫與井筒壓裂液注入端的距離，由近及遠分別為裂縫F1，裂縫F2和裂縫F3。儲層巖石采用三維孔壓單元C3D8P。采用零厚度黏結單元模擬裂縫的起裂和擴展過程，為準確模擬裂縫的延伸情況，采用變密度網格劃分方法，對黏結單元附近的網格進行加密。

不考慮水平井造斜段和垂直段的影響，采用連接單元FPC3D2計算壓裂液流經射孔簇時的摩阻，水平井井筒與地層注入點綁定，三維裂縫擴展模型如圖1所示。壓裂液從水平井右側端部注入。

圖1 三維裂縫擴展模型圖

2. 模型參數

模型參數根據我國某致密儲層進行設置，儲層彈性模量為34 GPa，泊松比0.32，抗拉強度為3.8 MPa。儲層孔隙度3%，滲透率0.005 mD。地層孔隙壓力為55 MPa，垂向應力為77 MPa，最大水平主應力為105 MPa，最小水平主應力為75 MPa。水平井水平段長度907 m。選取第一個水力壓裂段進行分析，壓裂段分3簇射孔。

3. 模型驗證

為了驗證數值模擬模型的準確性，將本文模型的計算結果與Wu and Olson(2016)[9]的分段對簇壓裂水平井理論模型計算結果進行對比。模型針對單段水力壓裂，分3簇射孔。模型主要參數與文獻中均相同，其中，儲層的彈性模量45 GPa，泊松比為0.2，射孔簇間距為15 m。儲層最小水平主應力30.68 MPa，最大水平主應力37.58 MPa，儲層、隔層最小水平主應力差異為5 MPa，以保證裂縫高度在儲層內延伸。壓裂施工參數方面，施工排量0.159 m3/s，壓裂液黏度1 mPa·s，壓裂液密度1 000 kg/m3。每簇射孔孔眼數量和直徑相同，孔眼數量20孔，孔眼直徑15 mm，套管內徑0.1 m。

圖2為本文模型得到的裂縫內部排量動態分布圖。文獻中排量始終為0.159 m3/s，初始階段三簇射孔孔眼內部壓裂液均勻分配，隨著裂縫延伸，縫間干擾逐漸明顯，中間裂縫壓裂液排量逐漸降低，趨近于0。這是由于應力陰影效應的存在，致使側邊裂縫在中間縫上施加了附加的延伸阻力。而本文模型中，壓裂液排量在10 s內由0逐漸增加至0.159 m3/s，因此在壓裂液注入初期，壓裂液動態分配情況差別較大，待壓裂液注入平穩后，本文模型與文獻中的排量動態分配趨勢逐漸趨近一致。

圖2 射孔簇排量動態分布對比

裂縫的延伸形態如圖3所示。對于裂縫的擴展半縫長，F1略大于F3，并且均遠遠大于F2，而在縫寬方面，F1與F3基本相同，并遠大于F2，在壓裂液注入結束時，中間射孔簇未能形成有效裂縫。

圖3 裂縫延伸形態對比

由以上分析可知，本模型模擬結果與文獻[9]中的計算結果吻合較好。

二、施工參數敏感性分析

1. 施工排量的影響

模擬了當壓裂液注入排量分別為10 m3/min、12 m3/min和16 m3/min時的排量動態分布情況，以12 m3/min為例，壓裂液排量的動態分布情況如圖4所示。

從圖4可以看出，在排量升高階段，進入各射孔簇的排量波動較大。側邊裂縫排量逐漸升高并趨于平衡，而中間射孔簇的排量降低為0。在模擬結束時(300 s)，對于不同的三種排量條件下，三個射孔簇獲得的排量分配比例不同，對于排量為16 m3/min的情況，排量比例分別為52.86%、47.11%和0.03%；對于排量為12 m3/min的情況，分別為53.15%、46.81%和0.04%;而當排量為10 m3/min時，分別為53.70%、46.25%和0.05%。三種排量條件下，側邊裂縫獲得了99%以上的壓裂液。

圖4 排量為12 m3/min時各射孔簇壓裂液動態分配

在壓裂液注入初期，三個射孔簇的裂縫同步起裂并均勻擴展，隨著縫間干擾的產生以及縫間流量分配不均勻性的加劇，中間裂縫逐漸閉合，在三種排量條件下，中間射孔簇均未能形成有效裂縫。

以上模擬結果表明，盡管增大施工排量能夠增大壓裂液進入側邊裂縫的摩阻，但是在目前的施工能力條件下，增大排量對于增大側邊縫注入摩阻的能力十分有限，因此不能平衡或消除縫間干擾作用。

2. 壓裂液黏度的影響

模擬了當壓裂液黏度分別為1 mPa·s、5 mPa·s和10 mPa·s時的排量動態分布情況。以5 mPa·s為例，射孔簇之間的排量動態分布如圖5。

隨著壓裂液黏度的增大，井筒摩阻逐漸增大，發揮一定的限流作用，促進壓裂液的在三簇裂縫之間的平均分配。模擬結果表明，盡管增大壓裂液黏度有利于排量的平均分配，但是其作用有限。當壓裂液黏度增大時，進入中間裂縫的壓裂液排量降低至0的時間延長，但不能促進三簇射孔簇壓裂液的均勻分配，中間射孔簇排量最終降低為0。

圖5 壓裂液黏度5 mPa·s時各射孔簇壓裂液動態分配

裂縫延伸形態表明，隨著壓裂液黏度的增大，裂縫的寬度逐漸增大。當壓裂液黏度分別為1 mPa·s、5 mPa·s和10 mPa·s時，裂縫的最大寬度分別為1.680 mm、2.367 mm和2.681 mm。壓裂液黏度的增大能夠增加裂縫內部凈壓力，從而增大裂縫寬度。

3. 單簇射孔數量的影響

單簇射孔數量對于孔眼處壓力損失具有重要的影響。模擬了當單簇射孔數量分別為10孔、15孔和20孔時,排量動態分布情況。以單簇15孔為例,射孔簇之間的排量動態分布情況見圖6。

圖6看出，當射孔孔眼從每簇20孔降低為15孔時，三個射孔簇之間的排量分布變化不大。當射孔簇減少至10孔/簇時，能夠起到有效的限流作用。一方面，減緩了中間裂縫排量降低至0的過程;另一方面，側邊裂縫排量差距減小。這是由于壓裂液進入裂縫的摩阻增大，有效平衡了裂縫之間的干擾作用。在排量相同的情況下，若孔眼數量降低一半，則孔眼壓降增大為原來的4倍。同時，值得注意的是，減小射孔孔眼會顯著增加裂縫內部凈壓力，對壓裂施工設備提出了更高的要求，不利于控制裂縫高度。

圖6 單簇15孔時各射孔簇壓裂液動態分配

對于射孔孔眼均勻分布的情況，盡管降低射孔數量能夠在裂縫延伸初期促進裂縫的均勻延伸，但是隨著裂縫的延伸，裂縫之間的應力干擾逐漸加劇，并且孔眼流動摩阻并不能平衡裂縫之間的應力干擾作用，最終僅外側射孔簇能夠形成有效裂縫。并且降低孔眼數量會顯著增大孔眼摩阻，不利于現場水力壓裂施工作業。

4. 孔眼直徑的影響

孔眼直徑對于射孔孔眼壓力損失也具有重要的影響。對比了當射孔孔眼直徑分別為15 mm、10 mm和6 mm時的排量動態分布情況。以孔眼直徑10 mm為例，排量動態分配情況如圖7所示。

圖7 孔眼直徑10 mm時各射孔簇壓裂液動態分配

模擬結果表明，降低孔眼直徑能夠起到增加摩阻的作用，三條裂縫所獲得的排量逐漸更加均勻。當孔眼直徑為15 mm時，中間裂縫F2未能獲得有效的排量分配。而當孔眼直徑降低為10 mm后，中間射孔簇能夠獲得排量，注入結束時，三簇裂縫的排量分配比例分別為39.16%、36.61%和24.22%。而當射孔孔眼直徑降低為5 mm時，能夠起到較強的限流壓裂作用，射孔孔眼摩阻足夠大，可以有效緩解縫間干擾作用，當注入結束時，三簇裂縫的排量分配比例分別為34.24%、33.94%和31.82%。

三、結論與建議

(1)由于應力陰影效應的存在，多裂縫同步擴展時，中間裂縫由于受到側邊裂縫的應力效應，不能產生有效裂縫，降低壓裂施工效果。

(2)壓裂施工排量的增大有利于裂縫均勻發展，但是在目前的壓裂施工要求下，其效果十分有限。這是因為受到目前壓裂施工設備的影響，壓裂液排量還不能實現成倍的增加。

(3)壓裂液黏度越大，在井筒內的流動摩阻越大，雖然增大壓裂液黏度有利于裂縫均勻擴展，但是黏度變化有限，限制了其對裂縫均勻擴展的促進作用。