李 楊

徑向鉆孔在體積壓裂井中的應(yīng)用

李 楊

（中國(guó)石油 遼河油田鉆采工藝研究院，遼寧 盤(pán)錦 124010）

非常規(guī)能源地質(zhì)儲(chǔ)量巨大，有效開(kāi)發(fā)必須通過(guò)體積壓裂技術(shù)使人工裂縫復(fù)雜化。但由于體積壓裂對(duì)儲(chǔ)層工程品質(zhì)要求較高，往往井周地應(yīng)力差大導(dǎo)致人工裂縫復(fù)雜程度不夠，使得壓裂效果差。通過(guò)分析前人對(duì)井周裂縫起裂偏轉(zhuǎn)的研究，利用ABAQUS數(shù)值模擬徑向鉆孔孔眼誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)多孔下井周應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，有利于壓裂裂縫復(fù)雜化。并通過(guò)大型真三軸物模實(shí)驗(yàn)對(duì)這一理論進(jìn)行驗(yàn)證，確定了一定夾角的多徑向孔眼有利于人工裂縫復(fù)雜化。本文對(duì)指導(dǎo)非常規(guī)油藏體積壓裂井的工藝選擇，具有十分重大意義。

徑向鉆孔；體積壓裂；轉(zhuǎn)向；裂縫復(fù)雜化；地應(yīng)力

中國(guó)非常規(guī)油氣藏開(kāi)發(fā)潛力巨大，但受制于常規(guī)壓裂雙翼縫改造程度低，壓后效果較差，難以獲得有效的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)。體積壓裂改造技術(shù)[1]的裂縫起裂模型突破了傳統(tǒng)經(jīng)典模式，不再是單一的張性裂縫起裂與延伸，而是復(fù)雜化縫網(wǎng)的起裂與擴(kuò)展形態(tài)。達(dá)到復(fù)雜化縫網(wǎng)的儲(chǔ)層品質(zhì)要求比較高，因此較多低滲超低滲儲(chǔ)層體積壓裂所獲得的改造體積較小，人工裂縫復(fù)雜程度較低。本研究在前人對(duì)井筒附近水力裂縫空間轉(zhuǎn)向研究[2]基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)井筒附近應(yīng)力場(chǎng)的變化能改變水力裂縫的轉(zhuǎn)向，從而達(dá)到復(fù)雜化。因此，引入徑向鉆孔技術(shù)[3]，利用孔眼井周應(yīng)力集中誘導(dǎo)井周地應(yīng)力發(fā)生逆轉(zhuǎn)，再結(jié)合體積壓裂工藝，從而提高人工裂縫的復(fù)雜程度。

1 徑向鉆孔

1.1 鉆孔孔眼應(yīng)力分布數(shù)值模擬

徑向鉆孔是利用高壓水射流的沖蝕破巖作用，對(duì)油層套管、水泥環(huán)、儲(chǔ)層巖石實(shí)施定點(diǎn)定向水力噴射鉆孔，一般孔眼深度為10~25 m，最高可達(dá)100 m，孔眼直徑為25~50 mm不等。由于徑向鉆孔孔眼延伸距離長(zhǎng)，可以視作為小型測(cè)試壓裂所能達(dá)到的效果，且能夠按照一定角度進(jìn)行延伸，因此，數(shù)學(xué)模型可以忽略套管、水泥環(huán)對(duì)井周應(yīng)力的影響，單獨(dú)分析孔眼井周應(yīng)力。應(yīng)用ABAQUS模擬軟件[4]模擬不同地應(yīng)力差參數(shù)下水力壓裂擴(kuò)展應(yīng)力以及水力壓裂裂縫周圍應(yīng)力場(chǎng)，如圖1所示。

從圖1中可以看出，徑向鉆孔孔眼尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中。而壓裂人工裂縫起裂的壓力是指定向水力射孔壓裂時(shí)水力射孔孔道發(fā)生破裂時(shí)，水力射孔孔道內(nèi)流體的壓力大小。定向水力射孔壓裂裂紋的起裂判斷、地層巖石破裂的判斷準(zhǔn)則很多，因?yàn)閹r石的抗拉應(yīng)力強(qiáng)度小于巖石的抗壓應(yīng)力強(qiáng)度和巖石的抗剪切應(yīng)力強(qiáng)度，巖石的抗剪切應(yīng)力強(qiáng)度最大。通常一般采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，孔眼尖端的應(yīng)力集中導(dǎo)致裂縫首先從此起裂，并展開(kāi)延伸。

1.2 真三軸物模實(shí)驗(yàn)

軟件數(shù)值模擬是基于儲(chǔ)層巖石為均質(zhì)、各向同性的線彈性體材料，同時(shí)忽略滲流的影響，建立鉆孔井周應(yīng)力模型，與真實(shí)情況有多大差異，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，利用水泥、砂、巖心按一定混合比例制備成400 mm×400 mm的巖樣，同時(shí)施加三軸應(yīng)力模擬地下工況，研究鉆孔對(duì)壓裂裂縫形態(tài)的影響。以4孔巖樣實(shí)驗(yàn)為例，如圖2所示，在不同角度下的人工裂縫起裂及延伸發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)，使得裂縫復(fù)雜化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 同層4鉆孔夾角裂縫擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比表

圖2 試樣巖心及壓裂裂縫形態(tài)

徑向鉆孔同層多鉆孔壓裂時(shí)，當(dāng)兩徑向鉆孔夾角小于60°時(shí)，裂縫沿著徑向鉆孔起裂，并隨著裂縫的延伸逐漸轉(zhuǎn)向最大主應(yīng)力方向。當(dāng)兩徑向鉆孔夾角大于60°時(shí)，出現(xiàn)沿最大主應(yīng)力方向徑向鉆孔優(yōu)先破裂，而另一徑向鉆孔未發(fā)生破裂或者裂縫擴(kuò)展效果差。當(dāng)兩徑向鉆孔夾角小于30°時(shí)，兩徑向鉆孔之間裂縫起裂干擾，鉆孔起裂裂縫發(fā)生拐折轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，但未發(fā)生與裂縫交叉現(xiàn)象。徑向鉆孔之間的間距越小，干擾應(yīng)力場(chǎng)作用影響越明顯，徑向鉆孔對(duì)于引導(dǎo)裂縫定向起裂、擴(kuò)展的影響越小，裂縫更容易發(fā)生轉(zhuǎn)向。

2 體積壓裂井的應(yīng)用

2.1 體積壓裂

體積壓裂[5]是在水力壓裂的過(guò)程中，通過(guò)在主裂縫上形成多條分支縫或者溝通天然裂縫，最終形成不同于常規(guī)壓裂的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，增加井筒與儲(chǔ)集層接觸體積，改善儲(chǔ)集層的滲流特征及整體滲流能力，從而提高壓裂增產(chǎn)效果和增產(chǎn)有效期。

非常規(guī)油氣藏體積壓裂能形成復(fù)雜縫網(wǎng)所需的工程品質(zhì)三要素為天然裂縫、應(yīng)力差、脆性。而較多低滲透、超低滲透儲(chǔ)層天然裂縫并不發(fā)育，最大最小主應(yīng)力差高于7 MPa，針對(duì)這樣井進(jìn)行體積壓裂改造，所產(chǎn)生的人工縫網(wǎng)有限，裂縫的復(fù)雜化程度有限。徑向鉆孔技術(shù)在人為基礎(chǔ)上在井眼周圍開(kāi)辟出多角度的短裂縫，再通過(guò)相互應(yīng)力干擾，產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力，使得井周最大最小主應(yīng)力發(fā)生較大變化，從而達(dá)到體積壓裂所需要的工程品質(zhì)。

2.2 典型井例

LH油田H8井為低滲透油藏，有效孔隙度小于7%，滲透率小于0.1 mD。本井設(shè)計(jì)徑向鉆孔，如表2所示。鉆孔后進(jìn)行復(fù)合體積壓裂，施工排量為 6~10 m3·min-1，總液量612 m3，加砂60 m3。壓后水力泵排液日產(chǎn)壓裂液24.4 m3，日產(chǎn)油9.44 m3。同比較鄰井h18-18井體積壓裂日產(chǎn)壓裂液14.42 m3，日產(chǎn)油3.58 m3，產(chǎn)量提高2.63倍，取得較好壓裂效果。

表2 H8井徑向鉆孔參數(shù)

3 結(jié) 論

1）徑向鉆孔孔眼尖端能形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力，改變井周應(yīng)力分布情況。

2）通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬和物模實(shí)驗(yàn)下，多徑向孔夾角小于30°時(shí)，兩徑向鉆孔之間裂縫起裂干擾，鉆孔起裂裂縫發(fā)生拐折轉(zhuǎn)向現(xiàn)象。

3）徑向鉆孔有助于體積壓裂產(chǎn)生更復(fù)雜的人工縫網(wǎng)，從而提高非常規(guī)油氣藏改造效果。

[1] 吳奇，胥云，王曉泉，等.非常規(guī)油氣藏體積改造技術(shù)——內(nèi)涵、優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].石油勘探與開(kāi)發(fā)，2012，39（3）：352-358.

[2] 張廣清，陳勉，王強(qiáng). 低滲透油藏徑向鉆孔技術(shù)增產(chǎn)機(jī)理研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2004, 28（4）：51-55.

[3] 施玉.徑向鉆孔技術(shù)在大民屯低滲透油藏的應(yīng)用[J].中外能源，2017（4）：47-50.

[4] 李小龍，肖雯，李建雄，等.定向射孔水力壓裂起裂壓力的預(yù)測(cè)模型[J].石油學(xué)報(bào)，2013，34（3）：556-562.

[5] 張子明，蘇建，李玉印，等. 變質(zhì)巖潛山體積壓裂技術(shù)探索與實(shí)踐[J].中外能源，2016（6）：25-30

Application of Radial Drilling Process in Volume Fracturing Wells

（D&P Technology Research Institute of PetroChina Liaohe Oilfield Company, Panjin Liaoning 124010, China）

Unconventional energy geological reserves are huge, and in effective development of unconventional energy geological reserves, artificial fractures must be complicated by stimulated reservoir volume fracturing. Volume fracturing has high requirement for reservoir engineering quality, and the complexity of artificial fractures is not enough due to the large difference in formation stress around the well, so the fracture effect is poor. Based on previous studies on fracture initiation and deflection around wells, ABAQUS was used to simulate the induced stress field in radial boreholes, it was found that the stress field around the well under wells was reversed, which was helpful to complicate the fracture. This theory was verified by large-scale true triaxial physical model experiments. It was determined that multiple radial perforations with a certain angle were conducive to the complexity of artificial fractures.

Radial drilling; Volume fracturing; Direction change; Fracture network; Formation stress

中國(guó)石油股份公司重大科技專項(xiàng)，遼河油田原油千萬(wàn)噸持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究（項(xiàng)目編號(hào)：2017E-1605）。

2020-03-24

李楊（1988-），男，湖北省荊州市人，工程師，碩士研究生， 2012年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)，研究方向：石油工程巖石力學(xué)及儲(chǔ)層改造。

TE348

A

1004-0935（2020）09-1159-03