李暉（中石化中原石油工程有限公司地球物理測(cè)井公司射孔中心，河南 濮陽(yáng) 457001）

定向射孔參數(shù)對(duì)壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響探究

李暉（中石化中原石油工程有限公司地球物理測(cè)井公司射孔中心，河南 濮陽(yáng) 457001）

本文使用擴(kuò)展有限元的辦法對(duì)水壓致使裂巖層的流固耦合模型開(kāi)展研究，根據(jù)定向射孔的方位、定向射孔的長(zhǎng)度以及定向射孔的相位角這三個(gè)參數(shù)，分析了壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律當(dāng)中定向射孔參數(shù)對(duì)其所造成的影響。希望能夠?yàn)閺氖孪嚓P(guān)研究的工作人員帶來(lái)有價(jià)值的參考。

定向射孔；參數(shù)；壓裂裂縫；擴(kuò)展規(guī)律

在使用射孔技術(shù)進(jìn)行油氣井勘探和挖掘的過(guò)程中，針對(duì)射孔參數(shù)的選擇對(duì)于工程的順利進(jìn)行具有重要的影響。在使用射孔技術(shù)時(shí)，地層在遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力、射孔位置以及井筒效應(yīng)三者的共同影響之下，壓裂裂縫從射孔處開(kāi)始進(jìn)行延伸，并逐形成一道有曲率的裂紋。影響該裂紋的曲率大小的因素為射孔位置和平面最大應(yīng)力夾角。因此，研究射孔位置與水平應(yīng)力差對(duì)壓裂裂縫延展的影響，對(duì)于在日常工作當(dāng)中正確指導(dǎo)射孔技術(shù)的數(shù)據(jù)優(yōu)化起到了十分重要的作用。

1 水利壓裂拓展有限元模型簡(jiǎn)介

構(gòu)建定向射孔裂紋拓展模型，為了保障計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文使用四節(jié)點(diǎn)矩形單元對(duì)模型開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)劃分，同時(shí)使用沙漏控制計(jì)算的收斂性。在該模型的圓邊，是呈現(xiàn)出封閉狀態(tài)的界限，射孔入射角度的可選取值范圍為0°-90°。在巖層裂紋當(dāng)中，其流體符合連續(xù)性方程。最后，在針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過(guò)程中，不對(duì)流體的滯后現(xiàn)象進(jìn)行考慮。井筒在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，受到了孔隙壓力、流體壓強(qiáng)以及水平方向的地層應(yīng)力。

2 定向射孔參數(shù)對(duì)裂縫延展的影響分析

2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確，本文選擇了60°的方位角射孔開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)中不難發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果和裂紋的形態(tài)之間有著較強(qiáng)的匹配性。裂紋首先從射孔孔眼的位置進(jìn)行開(kāi)裂，并且沿著最大應(yīng)力的方向進(jìn)行延伸，構(gòu)成一道擁有一定彎曲幅度的裂紋。

2.2 定向射孔參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響分析

2.2.1 射孔位置對(duì)裂縫延展規(guī)律的影響分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)中可以發(fā)現(xiàn)，射孔的入射角度對(duì)于裂紋的開(kāi)裂位置以及裂紋的最后形態(tài)將會(huì)產(chǎn)生很大的影響。基于該實(shí)驗(yàn)當(dāng)中所展現(xiàn)出的結(jié)果，針對(duì)需要形成顯著裂紋轉(zhuǎn)向的裂縫，通常情況下，其有效射孔入射角角度為30°-60°范圍之間。所以，本文分析模擬了在30°以及60°入射角條件當(dāng)中，地下縫隙壓力、裂縫當(dāng)中流體壓強(qiáng)、裂縫寬度以及裂縫長(zhǎng)度隨時(shí)間變化之間的關(guān)聯(lián)性。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)中可以發(fā)現(xiàn)，在30°和60°的射入角條件下，裂紋周邊以及地下壓力均為出現(xiàn)顯著的變化。在裂紋向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移時(shí)，地層壓力逐漸升高，并達(dá)到最大值，與裂縫接近的區(qū)域表現(xiàn)出尖核狀態(tài)的應(yīng)力分布。與裂縫相隔較遠(yuǎn)的區(qū)域，其應(yīng)力呈現(xiàn)橢圓形狀樣式分布。并且從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中還可以發(fā)現(xiàn)，如果距離裂縫越遠(yuǎn)，地層所受到的壓力也會(huì)變得更低。

在裂縫當(dāng)中，流體壓強(qiáng)伴隨著裂紋出現(xiàn)的時(shí)間增加而迅速增長(zhǎng)，當(dāng)其達(dá)到地層破裂壓力的臨界點(diǎn)之后，流體壓強(qiáng)便會(huì)快速下降，最終走向平衡。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：在實(shí)驗(yàn)進(jìn)入到0-15s時(shí)，在井筒周圍。60°射孔裂紋當(dāng)中的流體壓強(qiáng)超過(guò)30°射孔裂紋當(dāng)中的流體壓強(qiáng)。該數(shù)據(jù)直接證明了射孔入射角越大，地層產(chǎn)生破裂所需要的應(yīng)力也就會(huì)越大。

2.2.2 射孔長(zhǎng)度對(duì)對(duì)裂縫延展規(guī)律的影響分析

合理的射孔長(zhǎng)度能夠幫助其穿越污染區(qū)域，降低井筒效應(yīng)對(duì)裂縫延伸所產(chǎn)生的影響。選擇射孔長(zhǎng)度和井筒半徑之間的比例值，計(jì)算射孔長(zhǎng)度對(duì)裂紋延展所造成的影響。在該實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，工開(kāi)展了6個(gè)計(jì)算模型的模擬，其比例值以此為1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0射孔入射角均為45°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，射孔長(zhǎng)度和井筒半徑之間所呈現(xiàn)的比例值越高，需要重新進(jìn)行定向的距離就會(huì)越長(zhǎng)。同時(shí)在轉(zhuǎn)向位置產(chǎn)生直徑較大的裂縫，能夠幫助工作人員進(jìn)行壓裂液流入以及支撐劑的補(bǔ)充。

2.2.3 射孔相位角對(duì)裂縫延展規(guī)律的影響分析

在開(kāi)展壓裂施工作業(yè)時(shí)，為了讓壓裂效果得到保障，通常會(huì)選擇相對(duì)較小的相位角。例如在本實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，若相位角為30°，先延伸的裂縫會(huì)對(duì)之后延伸的裂縫產(chǎn)生極強(qiáng)的抑制效果，逼迫射孔位置較大的裂縫出現(xiàn)無(wú)規(guī)律性的方向變化，由此使其無(wú)法產(chǎn)生有效的裂縫。若射孔相位角為45°，那么該裂縫的干擾效果便會(huì)明顯減小。在同樣的施工作業(yè)周期當(dāng)中，射孔方位角更低的裂縫延伸長(zhǎng)度超過(guò)射孔相位角相對(duì)更大的裂紋。憑借上述分析后不難發(fā)現(xiàn)，在針對(duì)壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須要基于工程的實(shí)際情況進(jìn)行射孔相位角的選取。若相位角過(guò)大或者過(guò)小，都會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的摩擦阻力，不利于接下來(lái)施工作業(yè)的順利開(kāi)展。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，證明了定向射孔參數(shù)對(duì)壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律將會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。因此相關(guān)工作人員必須要謹(jǐn)慎進(jìn)行定向射孔參數(shù)的選擇，只有這樣，才能達(dá)到最為理想的施工效果。

[1]陳軍斌,魏波,王漢青.定向射孔參數(shù)對(duì)壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響[J/OL].斷塊油氣田,2017,24(03):391-395.

[2]虞建業(yè),沈飛,顧慶宏,任雙雙.水平井射孔參數(shù)對(duì)壓裂起裂壓力的影響[J].油氣地質(zhì)與采收率,2011,18(01):105-107+110+118.

[3]姜滸,陳勉,張廣清,金衍,趙振峰,朱桂芳.定向射孔對(duì)水力裂縫起裂與延伸的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(07):1321-1326.

李 暉（1987-）男，漢族，河北省任丘市市人，助理工程師，主要從事現(xiàn)場(chǎng)射孔工作。