李建雄，劉茂林，郭天魁，劉曉強，李小龍

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石化西北石油分公司石油工程監(jiān)督中心，新疆 烏魯木齊 830001）

徑向井引導(dǎo)水力裂縫擴展機理

李建雄1，劉茂林2，郭天魁1，劉曉強1，李小龍1

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石化西北石油分公司石油工程監(jiān)督中心，新疆 烏魯木齊 830001）

隨著低滲、超低滲油藏的深入開發(fā)，徑向井輔助壓裂技術(shù)在各大油田進行了先導(dǎo)性試驗，但目前對徑向井引導(dǎo)裂縫擴展機理的研究尚未見報道?；贏BAQUS有限元軟件，建立了徑向井儲層三維實體仿真模型，研究了徑向井井徑、井距和孔眼數(shù)對裂縫擴展的影響規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明：不同井眼施工參數(shù)可以改變徑向井周圍的應(yīng)力分布，達到減小儲層破裂壓力、引導(dǎo)裂縫擴展的作用；徑向井井徑和孔眼數(shù)的增加能夠減小軸向壓應(yīng)力，降低儲層破裂壓力，而井距的增加使軸向壓應(yīng)力變大；直井井壁應(yīng)力分布受徑向井井距和孔眼數(shù)的影響明顯，壓應(yīng)力隨井徑的增加而減小，并在徑向井方向取得最小值，壓應(yīng)力隨孔眼數(shù)的增加而增大。

徑向井；ABAQUS；裂縫擴展；井眼施工參數(shù)；引導(dǎo)作用

徑向井技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種油氣增產(chǎn)改造技術(shù)，其機理是借助高壓水射流的破巖作用鉆出不同排布方式的徑向井，從而達到改造儲層、增加泄油面積的作用［1-6］。徑向井輔助壓裂技術(shù)在各大油田進行了先導(dǎo)性試驗，取得了較好的增產(chǎn)效果［7-8］，但目前對徑向井引導(dǎo)裂縫擴展的力學(xué)機理研究尚未見報道。由于計算機仿真技術(shù)的高速發(fā)展，水力壓裂數(shù)值模擬也從二維發(fā)展到全三維模擬［9-10］。本文在ABAQUS有限元軟件的基礎(chǔ)上［11-13］，建立了真實儲層徑向井三維模型，研究了徑向井井徑、井距和孔眼數(shù)對儲層原始地應(yīng)力的影響，得出了徑向井施工參數(shù)對引導(dǎo)裂縫擴展的影響規(guī)律。

1 有限元徑向井眼模型描述

1.1 模型假定

為了研究徑向井施工參數(shù)對地應(yīng)力的影響程度,重點分析徑向井輔助壓裂引導(dǎo)裂縫擴展的機理，對模型處理如下：根據(jù)儲層實際參數(shù)，建立圓形定壓邊界模型，徑向井方位始終沿水平最大主應(yīng)力方向；地層巖石為均質(zhì)線彈性介質(zhì)，并采用孔壓單元和Soil模塊對儲層巖石和流體及孔隙壓力進行耦合［14-15］；應(yīng)用最大拉應(yīng)力準則，判定徑向井對儲層巖石應(yīng)力的影響程度，當(dāng)儲層巖石最大主應(yīng)力大于巖石抗張強度時，巖石破裂［16］。

1.2 材料參數(shù)

具體模型參數(shù)見表1。筆者經(jīng)過多次建模實驗，采用對稱模型及六面體劃分網(wǎng)格，并對徑向井方向的網(wǎng)格進行局部細化，以提高研究區(qū)域的計算精度。其中：模型儲層半徑為40m，有效儲層厚度為1m，徑向井長度為40m，徑向井井徑為3～5cm，直井筒井徑為20cm。網(wǎng)格劃分方式及具體模型如圖1所示。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)計

圖1 徑向井網(wǎng)格劃分及模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果

不同的徑向井施工參數(shù)，可以明顯改變徑向井周圍的應(yīng)力分布，減小徑向井軸向儲層巖石的破裂壓力，達到引導(dǎo)裂縫擴展的目的。本文使用的應(yīng)力結(jié)果正值表示拉應(yīng)力，負值表示壓應(yīng)力。數(shù)值模擬結(jié)果表明：徑向井對儲層應(yīng)力的影響范圍有限，超出影響范圍，儲層應(yīng)力趨于原始地應(yīng)力；在直井井壁上，壓應(yīng)力明顯增大，而井筒附近存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，致使井筒附近巖石的壓應(yīng)力超過了儲層原始的壓應(yīng)力，儲層破裂壓力升高；徑向井與直井筒交界處出現(xiàn)應(yīng)力奇異現(xiàn)象，改變了井筒周向及徑向的應(yīng)力分布；徑向井軸向應(yīng)力場發(fā)生顯著變化，在一定范圍內(nèi)，儲層巖石所受壓應(yīng)力減小，裂縫更容易起裂擴展（見圖2）。

圖2 徑向井模型最大主應(yīng)力分布

2.1 徑向井井徑對裂縫起裂的影響

徑向井井徑（D）是現(xiàn)場施工中需要考慮的一個重要參數(shù)。不同井徑直接影響儲層應(yīng)力分布情況，從而改變裂縫起裂和擴展的形態(tài)。如圖3所示，選取井徑分別為3，4，5cm的地層仿真模型，分析不同條件下直井井壁和徑向井軸向上的應(yīng)力分布規(guī)律，并和無徑向井條件下的應(yīng)力分布進行對比。

圖3 不同井徑時的最大主應(yīng)力分布

對比結(jié)果表明，由于直井筒和徑向井的出現(xiàn)，直井井壁應(yīng)力場變化明顯，在井周均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，并隨θ角（直井井壁徑向方向與水平最大主應(yīng)力方向的夾角）在-90～90°間先減小后增加，并在θ=0°（即徑向井方向）時取得最小值。井壁最小壓應(yīng)力均出現(xiàn)在徑向井方向，并隨徑向井井徑的增加而減小。當(dāng)D=3cm時，井壁在θ=0°處壓應(yīng)力為2.43 MPa；而當(dāng)D=5cm時，壓應(yīng)力已經(jīng)減小到了1.77 MPa。

由于直井筒的應(yīng)力集中現(xiàn)象，井壁沿徑向井軸向上的儲層巖石所受壓應(yīng)力急劇變大，巖石破裂壓力升高，在無徑向井情況下甚至超過了儲層水平原始壓應(yīng)力，并在距井壁0.41m處達到了最大值8.83 MPa（見圖4）。

圖4 不同井徑時徑向井軸向上的最大主應(yīng)力分布

從圖4可以看出，當(dāng)徑向井軸向距離超過直井應(yīng)力集中影響范圍后，徑向井能夠減小儲層巖石所受壓應(yīng)力，降低破裂壓力，并使儲層巖石最大主應(yīng)力保持恒定不變。隨著徑向井井徑的增加，徑向井改變儲層應(yīng)力分布的能力增強。當(dāng)D=3cm時，徑向井軸向上的壓應(yīng)力平均為7.71 MPa，相對于儲層原始壓應(yīng)力減小了0.29 MPa；而當(dāng)D=5cm時，徑向井軸向上的壓應(yīng)力為6.81 MPa。這說明，徑向井井徑越大，對裂縫的引導(dǎo)能力就越強，裂縫越容易在徑向井軸向上起裂。

2.2 徑向井井距對裂縫起裂的影響

現(xiàn)場為了降低儲層巖石的破裂壓力，更好地引導(dǎo)裂縫擴展，采取豎直多徑向鉆孔的方式輔助壓裂。而豎直多徑向井的一個重要參數(shù)就是井間距離（l），如圖5所示，使用井徑為4cm的徑向井，分別分析不同井距（40，50，60cm）下的儲層應(yīng)力分布，其他參數(shù)如表1所示。分析結(jié)果表明：井距在40～60cm內(nèi)，井壁上最大主應(yīng)力基本維持不變，只是在徑向井處發(fā)生微小變化，表現(xiàn)為徑向井井距越大，井壁處應(yīng)力干擾越小，井壁處壓應(yīng)力越小。當(dāng)l=40cm時，井壁處的最大壓應(yīng)力為1.89 MPa；而當(dāng)l=60cm時，井壁最大壓應(yīng)力為1.83 MPa，僅減小了0.06 MPa。

圖5 不同井距時的最大主應(yīng)力分布

徑向井井距對徑向井軸向上的應(yīng)力分布影響明顯。當(dāng)徑向井軸向距離大于直井筒應(yīng)力集中區(qū)域時，徑向井軸向上的最大主應(yīng)力趨于穩(wěn)定，在井距為40～60cm內(nèi)，最大壓應(yīng)力值隨井距的增大而增大（見圖6）。

圖6 不同井距時徑向井軸向上的最大主應(yīng)力分布

當(dāng)l=40cm時，軸向上的平均壓應(yīng)力為7.12 MPa；而當(dāng)l=60cm時，平均壓應(yīng)力增大到了7.73 MPa。這說明隨著徑向井井距的增加，井間干擾逐漸減弱，儲層巖石的破裂壓力逐漸升高，徑向井引導(dǎo)裂縫擴展的能力減弱。

2.3 徑向井孔眼數(shù)對裂縫起裂的影響

不同徑向井孔眼數(shù)（n）的應(yīng)力干擾不同，表現(xiàn)為孔眼數(shù)越多，徑向井間的應(yīng)力干擾越嚴重。如圖7所示，以孔眼數(shù)分別為1，2，3、井徑為5cm建立儲層仿真模型，其他參數(shù)均按表1設(shè)定。模擬結(jié)果表明：隨著孔眼數(shù)的增加，直井井壁應(yīng)力干擾越大，軸向上的應(yīng)力疊加越嚴重。徑向井孔眼數(shù)越多，井壁應(yīng)力越趨于穩(wěn)定，巖石越容易從徑向井方向起裂。

圖7 不同孔眼數(shù)時的最大主應(yīng)力分布

徑向井軸向應(yīng)力分布決定著壓裂時裂縫能否垂向連通各井，達到引導(dǎo)裂縫擴展的作用。由圖8可見，當(dāng)徑向井軸向距離超過直井筒應(yīng)力集中區(qū)域后，軸向上的最大主應(yīng)力增大，隨著徑向井軸向距離的增加趨于一個穩(wěn)定的值。當(dāng)n=1時，徑向井軸向平均壓應(yīng)力為6.81 MPa；而當(dāng)n=3時，軸向平均壓應(yīng)力減小到了6.22 MPa。這說明，隨著徑向井孔眼數(shù)的增加，徑向井軸向上的壓應(yīng)力減小，軸向儲層巖石破裂壓力降低。所以在壓裂時，增加徑向井孔眼數(shù)有利于孔間裂縫的連通，降低破裂壓力，更有助于裂縫在徑向井方向上起裂。

圖8 不同孔眼數(shù)時徑向井軸向上的最大主應(yīng)力分布

3 結(jié)論

1）徑向井井徑和孔眼數(shù)能夠顯著改變直井筒壁面的應(yīng)力分布，而井距對直井筒壁應(yīng)力的影響甚微。隨著井徑的增加，直井筒壁面的壓應(yīng)力減??；而隨孔眼數(shù)增加，直井筒壁面應(yīng)力干擾增強，壓應(yīng)力增大。

2）徑向井井徑、井距和孔眼數(shù)對徑向井軸向上的應(yīng)力影響明顯。在徑向井軸向距離超過直井筒應(yīng)力集中范圍時，徑向井軸向上的最大主應(yīng)力趨于一個穩(wěn)定的值。隨井徑和孔眼數(shù)增加，軸向壓應(yīng)力減小，軸向巖石的破裂壓力降低，徑向井的引導(dǎo)作用增強；隨井距的增加，徑向井軸向壓應(yīng)力增大，巖石的破裂壓力升高，徑向井的引導(dǎo)能力減弱。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Hydraulic crack propagation mechanism of radial well guidance

LI Jianxiong1,LIU Maolin2,GUO Tiankui1,LIU Xiaoqiang1,LI Xiaolong1
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China;2.Petroleum Engineering Supervision Center,Northwest Petroleum Bureau,SINOPEC,Urumqi 830001,China)

Along with the development of low permeability and super-low permeability reservoirs,the auxiliary radial well fracturing technology was carried out firstly in several oilfields.But now the mechanism of crack extension of radial well guidance has not yet been reported.Based on the finite element software ABAQUS,a 3D simulation model of radial well,which considers different parameters,including radial well diameters,distance and numbers of radial wells,was established to study the effect on crack propagation.The numerical simulation results show that different borehole parameters can change the circumferential stress distribution of radial well and decrease the reservoir fracture pressure to guide crack extension;the increase of the radial well hole diameter and hole number can reduce the axial compressive stress and fracture pressure;on the other hand,the axial compressive stress will decrease along the growth of well distance;distribution of vertical wellbore stress is affected by the number of radial well distance and radial well diameter,and the compressive stress will decrease with the growth of well distance and radial well diameter and reach the minimum value in the radial direction of radial well.

radial well;ABAQUS;crack propagation;borehole construction parameter;guidance effect

國家自然科學(xué)基金青年基金項目“徑向鉆孔引導(dǎo)水力壓裂裂縫定向擴展機理研究”（51404288）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（15CX02012A）

TE377

A

10.6056/dkyqt201606025

2016-04-25；改回日期：2016-08-26。

李建雄，男，1989年生，在讀碩士研究生，主要從事采油工程技術(shù)研究工作。E-mail：956848061@qq.com。

李建雄，劉茂林，郭天魁，等.徑向井引導(dǎo)水力裂縫擴展機理［J］.斷塊油氣田，2016，23（6）：803-806.

LI Jianxiong，LIU Maolin，GUO Tiankui，et al.Hydraulic crack propagation mechanism of radial well guidance［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：803-806.