侯 冰 張儒鑫 刁 策 李良川 程謨驥

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249； 2. 中國(guó)石油天然氣管道局第一工程分公司 河北廊坊 065000; 3. 中國(guó)石油冀東油田公司鉆采工藝研究院 河北唐山 063004)

大斜度井水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬實(shí)驗(yàn)分析*

侯 冰1張儒鑫1刁 策2李良川3程謨驥3

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249； 2. 中國(guó)石油天然氣管道局第一工程分公司 河北廊坊 065000; 3. 中國(guó)石油冀東油田公司鉆采工藝研究院 河北唐山 063004)

侯冰,張儒鑫,刁策，等.大斜度井水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬實(shí)驗(yàn)分析[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(5)：85-91.

Hou Bing,Zhang Ruxin,Diao Ce,et al.Experimental study on hydraulic fracture propagation in highly deviated wells[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(5):85-91.

針對(duì)大斜度射孔井水力壓裂中裂縫形態(tài)復(fù)雜，易造成壓裂加砂難的問題，通過物理模擬實(shí)驗(yàn)研究了大斜度射孔井中水力裂縫的起裂、轉(zhuǎn)向及擴(kuò)展形態(tài)。研究表明，不同水平應(yīng)力差條件下，井斜角、方位角和射孔相位角的變化會(huì)導(dǎo)致不同的水力裂縫形態(tài)：當(dāng)井斜角小于20°或大于80°、方位角小于30°、水平應(yīng)力差大于3 MPa、射孔相位角為60°時(shí)，兩翼裂縫平滑擴(kuò)展，裂縫形態(tài)簡(jiǎn)單；當(dāng)井斜角為40°～60°、方位角大于30°、水平應(yīng)力差小于3 MPa、射孔相位角為90°時(shí)，裂縫的扭曲程度大，次級(jí)裂縫多，裂縫形態(tài)復(fù)雜。上述認(rèn)識(shí)與冀東油田灘海403X1區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)壓裂統(tǒng)計(jì)結(jié)果相吻合，可為提高大斜度井壓裂成功率提供參考。

大斜度井；水力壓裂；裂縫擴(kuò)展；物理模擬實(shí)驗(yàn)

低滲透油田通常采用大斜度井結(jié)合水力壓裂進(jìn)行開發(fā)，但斜井壓裂中經(jīng)常出現(xiàn)加砂難、出砂早、增產(chǎn)效果不明顯等問題。通常認(rèn)為，在井壁圍巖應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)井周一點(diǎn)處的有效應(yīng)力達(dá)到巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)裂縫起裂[1]。在大斜度井中，裸眼完井裂縫起裂的方位會(huì)偏離井軸方向，偏離的程度與井斜角、井斜方位角有關(guān)[2]。與直井或水平井相比，大斜度井中裂縫擴(kuò)展十分復(fù)雜。在裸眼斜井中，裂縫起裂后將在水平方向和垂直方向發(fā)生轉(zhuǎn)向，最終沿垂直于水平最小主應(yīng)力方向擴(kuò)展。射孔井中裂縫的起裂形態(tài)較復(fù)雜，具體表現(xiàn)為：當(dāng)水泥環(huán)與地層膠結(jié)質(zhì)量好時(shí)，裂縫沿多個(gè)射孔孔眼起裂，形成鋸齒狀裂縫或與井筒垂直的多條裂縫[3-4]，之后多裂縫在垂向上發(fā)生連通，并在向井筒外擴(kuò)展過程中發(fā)生轉(zhuǎn)向，最終沿垂直于水平最小主應(yīng)力方向擴(kuò)展，射孔方位及水平應(yīng)力差大小決定了裂縫的扭曲程度[4-7]；當(dāng)水泥環(huán)與地層膠結(jié)質(zhì)量差時(shí)，在壓裂液作用下會(huì)產(chǎn)生微環(huán)隙，水力裂縫將從微環(huán)隙中沿垂直于水平最小主應(yīng)力方向起裂，此時(shí)起裂壓力明顯低于在射孔孔眼中起裂的情況[8]，裂縫擴(kuò)展方向與起裂方向相同。在射孔斜井中，如果水泥環(huán)與地層膠結(jié)良好，將有多個(gè)射孔孔眼起裂，并在近井區(qū)域產(chǎn)生多條裂縫，其中一部分裂縫在擴(kuò)展過程中止裂，其余裂縫相互溝通而最終形成一條主擴(kuò)展縫[9]。研究表明，目前理論模型只能預(yù)測(cè)某1個(gè)射孔點(diǎn)或處于相同方位的多個(gè)射孔點(diǎn)的起裂，具有局限性[10]。多裂縫以及裂縫扭曲會(huì)導(dǎo)致裂縫縫寬減小，壓裂液摩阻增大，從而導(dǎo)致施工壓力高，加支撐劑困難，在生產(chǎn)中易反吐砂[11-13]。

目前對(duì)于射孔斜井的水力裂縫形態(tài)研究較少，研究方法通常為理論分析或數(shù)值模擬，對(duì)近井區(qū)域裂縫的起裂、轉(zhuǎn)向以及連通情況所得結(jié)果過于理想化，與實(shí)際情況有很大差距[14]。本文利用大尺寸真三軸壓裂模擬裝置進(jìn)行壓裂模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)螺旋射孔完井方式下的大斜度井水力壓裂中的裂縫起裂、轉(zhuǎn)向及連通形態(tài)進(jìn)行研究，分析主應(yīng)力及鉆完井參數(shù)對(duì)裂縫形態(tài)的影響規(guī)律，以期為現(xiàn)場(chǎng)施工提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)裝置、樣品及參數(shù)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用中國(guó)石油大學(xué)(北京)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的大尺寸真三軸壓裂模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)大斜度射孔井水力裂縫起裂、轉(zhuǎn)向及擴(kuò)展延伸形態(tài)進(jìn)行模擬研究。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由真三軸實(shí)驗(yàn)架、三軸液壓穩(wěn)壓源、油水分離器、MTS增壓及控制器、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)、聲發(fā)射儀等組成[15]。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)中使用水泥及石英砂澆鑄成300 mm×300 mm×300 mm的人工樣品進(jìn)行壓裂模擬，樣品制作過程如圖1所示。射孔孔眼在斜井筒中，實(shí)驗(yàn)前在斜井筒孔眼中插入3 cm長(zhǎng)的紙筒以模擬真實(shí)情況下的射孔。制作樣品時(shí)，首先將井筒按所要模擬的方位角放入模具中(圖2)，然后澆筑一定配比的水泥、石英砂。澆筑完成后，樣品須放置30 d凝固、風(fēng)干。風(fēng)干后的水泥塊單軸抗壓強(qiáng)度34 MPa，彈性模量為13.8 MPa，泊松比為0.14。

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示，主要研究射孔斜井中水力裂縫形態(tài)以及各因素的影響規(guī)律，包括井斜角、方位角、射孔相位角以及水平應(yīng)力差。

圖1 水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)樣品澆鑄過程

圖2 水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)樣品側(cè)視圖

表1 大斜度井水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)

注：實(shí)驗(yàn)參數(shù)中方位角為井眼方位與水平最大主應(yīng)力夾角；所有樣品均采用兩簇螺旋射孔，孔眼之間的垂直間距為10 mm。

2 裂縫形態(tài)描述

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)樣品中示蹤劑的分布可以得到裂縫的形態(tài)，見表2。由表2可知，裂縫起裂方位通常與水平最大主應(yīng)力方向存在夾角，因此裂縫起裂后會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向，最終沿水平最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展。當(dāng)多個(gè)孔眼發(fā)生起裂時(shí)，不同孔眼處起裂的裂縫在擴(kuò)展過程中可能會(huì)發(fā)生連通。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，射孔壓裂裂縫可分為以下4類：①單一裂縫，即裂縫從1個(gè)射孔孔眼起裂后擴(kuò)展，或從多個(gè)孔眼起裂后溝通成1條裂縫(圖3a)；②主裂縫+次級(jí)縫，即裂縫從多個(gè)孔眼起裂后，其中1條裂縫擴(kuò)展為主裂縫，其他裂縫在小范圍擴(kuò)展后止裂或與主裂縫連通(圖3b)；③平行擴(kuò)展裂縫，即裂縫從多個(gè)孔眼(通常為不同射孔簇中同一位置的孔眼)起裂后，都發(fā)生較大范圍的擴(kuò)展，并且裂縫之間未溝通(圖3c)；④復(fù)雜多裂縫，即裂縫從多個(gè)孔眼起裂后，各自發(fā)生較大范圍的擴(kuò)展，裂縫扭曲程度嚴(yán)重(圖3d)。

表2 大斜度井水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裂縫形態(tài)描述

圖3 大斜度井射孔中水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裂縫擴(kuò)展形態(tài)

3 影響因素分析

3.1 井斜角和方位角

不同井斜角條件下大斜度井水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，結(jié)果表明：井斜角為40°和60°時(shí)裂縫扭曲程度大，而井斜角為20°和80°時(shí)裂縫扭曲程度小，即隨著井斜角增大裂縫扭曲程度先增大后減小。 不同方位角條件下大斜度井水力壓裂裂縫擴(kuò)展模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，結(jié)果表明：方位角為10°和30°時(shí)裂縫扭曲程度小，而方位角大于30°時(shí)裂縫扭曲程度大，即隨著方位角增大裂縫扭曲程度增大。

圖4 不同井斜角條件下大斜度井水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)的裂縫形態(tài)

圖5 不同方位角條件下大斜度井水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)的裂縫形態(tài)

此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還看出裂縫與井筒的相對(duì)位置關(guān)系可分為2種情況：①井筒在裂縫面內(nèi)，井筒偏離水平最大主應(yīng)力方向的程度決定了裂縫的扭曲程度；②井筒與裂縫面相交(井斜角40°、方位角60°或80°)，裂縫的扭曲程度與發(fā)生起裂的射孔孔眼的方位有關(guān)。 3.2 水平應(yīng)力差不同水平應(yīng)力差條件下裂縫擴(kuò)展形態(tài)如圖6所示,結(jié)果表明：水平應(yīng)力差對(duì)裂縫起裂有很大影響。當(dāng)水平應(yīng)力差大于3 MPa時(shí)，通常只有與水平最大主應(yīng)力夾角較小的射孔孔眼發(fā)生起裂；而當(dāng)水平應(yīng)力差小于3 MPa時(shí)，發(fā)生起裂的射孔孔眼較多，且起裂孔眼的方位無規(guī)律。

圖6 不同水平應(yīng)力差條件下大斜度井水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)的裂縫形態(tài)

另外，裂縫擴(kuò)展也受到水平應(yīng)力差的影響。當(dāng)水平應(yīng)力差大于3 MPa時(shí)，通常都會(huì)形成1條主裂縫，并且應(yīng)力差越大，次級(jí)裂縫越少，主裂縫的轉(zhuǎn)向區(qū)域越?。划?dāng)水平應(yīng)力差小于3 MPa時(shí)，通常會(huì)形成多條非平面裂縫。

3.3 射孔相位角

由于斜井中井壁圍巖所受應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，裂縫起裂的最佳方位不容易確定，但對(duì)于螺旋射孔，相位角越小，孔眼越多，孔眼與最佳起裂方位的夾角就越小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)射孔相位角為60°時(shí)，位于最佳起裂位置的孔眼易于起裂，其他孔眼起裂的幾率很??；當(dāng)射孔相位角為90°時(shí)，井斜角、方位角與最佳裂縫面夾角較大時(shí)各孔眼處對(duì)應(yīng)的周向應(yīng)力相差不大，起裂的孔眼多，因此次級(jí)裂縫較多。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

冀東油田灘海403X1區(qū)塊儲(chǔ)層深度在3 400～3 600 m，水平應(yīng)力差約10 MPa，該區(qū)塊大斜度井水力壓裂經(jīng)常出現(xiàn)加砂難的問題。統(tǒng)計(jì)了灘海403X1區(qū)塊多口壓裂井的加砂情況(圖7)，結(jié)果表明:當(dāng)井斜角小于25°或方位角小于60°時(shí)，加砂順利；當(dāng)井斜角在30°～50°，方位角大于60°時(shí)，通常不能按設(shè)計(jì)完成加砂。由此可見，現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與本文實(shí)驗(yàn)分析規(guī)律基本一致。

圖7 冀東油田灘海403X1區(qū)塊壓裂井加砂情況統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,大斜度射孔井水力裂縫形態(tài)可分為單一裂縫、主裂縫+次級(jí)縫、多條平行裂縫以及復(fù)雜多裂縫等4類，裂縫形態(tài)主要受井斜角、方位角、射孔相位角及水平應(yīng)力差等參數(shù)的影響。其中，井斜角主要影響裂縫的扭曲程度，射孔相位角主要影響裂縫數(shù)量，而方位角和水平應(yīng)力差對(duì)裂縫扭曲程度和數(shù)量都有影響。當(dāng)井斜角為40°～60°、方位角大于30°、水平應(yīng)力差小于3 MPa、射孔相位角為90°時(shí)，裂縫數(shù)量多、扭曲程度大、形態(tài)復(fù)雜；當(dāng)井斜角小于20°或大于80°、方位角小于30°、水平應(yīng)力差大于3 MPa、射孔相位角為60°時(shí)，裂縫形態(tài)較簡(jiǎn)單。上述實(shí)驗(yàn)分析規(guī)律與冀東油田灘海403X1區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)壓裂統(tǒng)計(jì)結(jié)果相吻合。

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(編輯：孫豐成)

Experimental study on hydraulic fracture propagation in highly deviated wells

Hou Bing1Zhang Ruxin1Diao Ce2Li Liangchuan3Cheng Moji3

(1.StateKeyLaboratoryofPetroleumResource&Prospecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.No.1ConstructionCompanyofCPP,Langfang,Hebei065000,China; 3.ResearchInstituteofDrillingandProductionTechnology,JidongOilfieldCompany,PetroChina,Tangshan,Hebei063004,China)

In highly deviated wells, the hydraulic fracture geometry is complex and it is always difficult to add proppant. In this paper, physical simulations of hydraulic fracturing were conducted to study the initiation, reorientation and propagation of fractures in highly deviated wells with perforations. The experimental results indicate that the fracture geometry is affected by horizontal stress contrast, deviation, azimuth, and perforation phase angle. If the deviation angle is less than 20° or larger than 80°, the azimuth angle less than 30°, the horizontal stress contrast larger than 3 MPa, and perforation phase angle 60°, the fractures will propagate smoothly and the fracture geometry is simple; if the deviation angle is between 40° and 60°, the azimuth angle larger than 30°, the horizontal stress contrast less than 3 MPa, and the perforation phase angle 90°, the fracture geometry will be complex with high distortion and many sub-fractures. The result here agrees to the statistics of fracturing operations in 403X1 Block in Jidong oilfield, and could contribute to improving the success rate of fracturing jobs in highly deviated wells.

highly deviated well; hydraulic fracturing; fracture propagation; physical simulation

*國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“深部裂縫性儲(chǔ)層大斜度井水力裂縫非平面擴(kuò)展機(jī)理研究 (編號(hào)：51574260)”、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“頁巖非線性工程地質(zhì)力學(xué)特征與預(yù)測(cè)理論(編號(hào)：51490651)”、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“頁巖氣開采巖石力學(xué)(編號(hào)：51234006)”、中國(guó)石油大學(xué)(北京)科研基金資助優(yōu)秀青年教師研究項(xiàng)目“砂煤互夾層水力裂縫造縫機(jī)制研究 (編號(hào)：2462015YQ0203) ”部分研究成果。

侯冰，男，博士，副研究員，主要從事石油工程巖石力學(xué)方面的教學(xué)與研究工作。地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)中國(guó)石油大學(xué)(北京)289信箱(郵編：102249)。電話：010-89732165。E-mail: houbing9802@163.com。

1673-1506(2016)05-0085-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.05.014

TE357.1

A

2015-10-23 改回日期：2016-04-11