定向割缝压裂技术研究初探

郭先敏，冯光通（中石化胜利油田分公司钻井工艺研究院，山东 东营257000）

邓金根（中国石油大学（北京）石油天然气工程学院，北京102249）

赵秀菊（中石化胜利油田分公司钻井工艺研究院，山东 东营257000）

定向割缝压裂技术研究初探

郭先敏，冯光通（中石化胜利油田分公司钻井工艺研究院，山东 东营257000）

邓金根（中国石油大学（北京）石油天然气工程学院，北京102249）

赵秀菊（中石化胜利油田分公司钻井工艺研究院，山东 东营257000）

通过室内大尺寸真三轴模拟试验系统和FLAC3D有限差分大型岩土数值模拟软件，初步研究了割缝对裂缝延伸和破裂压力的影响规律并与当前存在的定向射孔压裂进行了对比。根据室内试验和数值模拟结果，定向割缝对裂缝延伸和破裂压力的大小影响都优于定向射孔。因此，定向割缝技术能有效降低破裂压力，形成较好的裂缝形态，有助于压裂的成功，值得进行深入的研究和推广。

定向割缝；定向射孔；真三轴试验；数值模拟；裂缝延伸；破裂压力

目前，随着全球低渗透油气藏开采力度的加大，压裂工艺早已成为增产的必要手段。为提高低渗透油气藏的压裂成功率，国内外专家学者自20世纪70年代就开始研究射孔对水力压裂的影响，结果表明，水力压裂使地层产生多条裂缝是导致压裂作业失败的主要原因。自1994年Abass［1］从岩石力学的观点提出了定向射孔技术以来，张广清［2］、邓金根［3，4］、姜浒［5］等人用有限元方法、室内真三轴水力压裂试验法和有限差分法研究了射孔对水力压裂过程中裂缝的延伸及破裂压力的影响，总结出了提高压裂成功率的射孔优化设计方案。李根生［6］用有限元方法研究了水力喷砂射孔对地层破裂压力的影响规律。

自从油气井割缝技术提出以来，主要应用于油气井的增产增注［7］。只有Rabaa［8］在1989年提出割缝井压裂的破裂压力和延伸压力最低，但没有提出明确的影响规律。笔者针对目前仍有部分低渗透油气藏压裂成功率较低的现实，利用室内水力压裂模拟试验结合FLAC3D大型岩土数值模拟软件，初步研究了定向割缝压裂对裂缝延伸和破裂压力的影响，并与目前存在的定向射孔压裂工艺进行了对比，探索适合于低渗透油气藏的定向割缝压裂工艺技术，以提高压裂成功率和压裂效果，为低渗透油气藏的水力压裂设计提供科学依据。

1 室内真三轴水力压裂模拟试验

为对比定向割缝和定向射孔对压裂过程中裂缝延伸规律的影响，采用大尺寸真三轴模拟试验系统进行了相同条件下的定向割缝和定向射孔的水力压裂模拟试验［9］。试验采用自制的300mm×300mm×300mm水泥块试样，用预制了缝和孔的钢管作为模拟井筒。定向割缝和定向射孔的方位取最大主应力方向θ＝0°。模拟试验方案见表1。

表1 模拟试验方案

对比图1和图2可以看出，在最大主应力方向，定向割缝相对于定向射孔可以产生一条更为平整的大裂缝，裂缝光滑。

图1 直井，0°方位割缝，裂缝光滑

图2 直井，0°方位射孔，裂缝较光滑

2 定向割缝压裂数值模拟研究

利用FLAC3D岩土数值模拟软件结合岩石抗拉破坏准则研究了定向割缝孔参数包括割缝方位、割缝深度、割缝高度和割缝宽度对破裂压力的影响规律，并与相同条件下的定向射孔工艺进行了对比。

2.1 数值模型

利用FLAC3D岩土数值模拟软件内置的brick单元和radcylinder单元建立了1/4三维割缝数值模型（见图3），为简化计算，建立模型时假设地层岩石弹性均质且各向同性、忽略套管和水泥环的影响。模型尺寸1000mm×1000mm×500mm，井筒直径177.8mm，基本地层参数和边界条件见表2。

表2 基本地层参数和边界条件

图3 FLAC3D1/4三维割缝数值模型

2.2 模拟计算结果分析

2.2.1 割缝参数对破裂压力的影响

割缝参数对破裂压力的影响结果见图4～7。

1）破裂压力随着割缝深度的增加而减小（图4），割缝深度小于200mm时，破裂压力随着割缝深度的增加降低较为明显；当割缝深度介于200～300mm时，破裂压力随着割缝深度的增加降低幅度变小；当割缝深度大于300mm时，破裂压力随着割缝深度的增加趋于平缓。

2）若割缝深度相同，破裂压力随割缝方位角的增加而升高（图5）。0°割缝（即沿着最大主应力的方向割缝）破裂压力最低；90°割缝（即沿着最小主应力的方向割缝）破裂压力最高。随着割缝方位角的增加，破裂压力的增加幅度呈现阶段性。在0～30°范围内，破裂压力曲线增加幅度不明显；30～60°之间破裂压力的增加幅度增加；在60～90°范围内破裂压力曲线又趋于平缓。

3）割缝宽度和割缝高度对破裂压力的影响不大（图6和图7）。

图4 破裂压力随割缝深度的变化曲线

图5 破裂压力随割缝方位角的变化曲线

图6 破裂压力随割缝宽度的变化曲线

图7 破裂压力随割缝高度的变化曲线

2.2.2 定向割缝与定向射孔对破裂压力影响对比

为对比定向割缝与定向射孔对破裂压力的影响，取文献［2］有限元模拟边界条件和地层参数作为FLAC3D数值模拟边界条件和地层参数。

基于前述基本假设和FLAC3D数值模型，计算了在最大主应力方向，定向割缝深度对破裂压力的影响规律，并与文献［2］在射孔孔密为13孔/m条件下定向射孔深度对破裂压力的影响规律的有限元模拟结论做了对比，结果见图8。可见在最大主应力方向，同一缝孔长度值时，定向割缝的破裂压力值要比定向射孔的破裂压力值明显降低。因此可以得出结论，定向割缝能有效降低地层的破裂压力，提高低渗透油藏的压裂成功率。

图8 破裂压力随缝孔深度的变化曲线

3 结 论

1）通过室内试验和数值模拟研究，初步掌握了定向割缝对压裂过程中裂缝延伸和破裂压力的影响规律。

2）与目前的定向射孔工艺相比，定向割缝能更有效地降低压裂施工时地层的破裂压力，裂缝更加平整、光滑，提高了压裂成功率。

3）对定向割缝压裂工艺进行了初步探索，更深一步的研究工作还需要加强。

4）定向割缝压裂工艺的研究及有效实施，将为低渗透油气藏的勘探开发提供有效的技术手段。

［1］Abass H H.Oriented perforations——A rock mechanics view［J］.SPE28555，1994.

［2］张广清，陈勉，殷有泉.射孔对地层破裂压力的影响研究［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（1）：40～44.

［3］邓金根，蔚宝华，王金凤.定向射孔提高低渗透油藏水力压裂效率的模拟试验研究［J］.石油钻探技术，2003，31（5）：14～16.

［4］邓金根，郭先敏，孙焱.致密气藏压裂井定向射孔优化技术［J］.石油钻采工艺，2008，30（6）：93～96.

［5］姜浒，陈勉，张广清.定向射孔对水力裂缝起裂与延伸的影响［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（7）：1321～1326.

［6］李根生，刘丽，黄中伟.水力射孔对地层破裂压力的影响研究［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2006，30（5）：42～45.

［7］李忠华.水力喷砂割缝增产增注机理及有关参数的研究［J］.辽宁工程技术大学学报，2001，20（2）：156～158.

［8］Rabaa W E.Experimental study of hydraulic fracture geometry initiated from horizontal wells［J］.SPE19720，1989.

［9］陈勉，庞飞，金衍.大尺寸真三轴水力压裂模拟与分析［J］.岩石力学与工程学报，2000，19（增）：868～872.

Primary Research on the Oriented Slotting Fracturing

GUO Xian－min，FENG Guang－tong（Research Institute of Shengli Oilfield Drilling Technology，SINOPEC，Dongying257000，Shandong，China）

DENG Jin－gen（Faculty of Oil and Gas Engineering，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

ZHAO Xiu－ju（Research Institute of Shengli Oil Field Drilling Technology，SINOPEC，Dongying257000，Shandong，China）

Currently，fracturing was carried out in perforated wells，many slotted technical studies for EOR were conducted.The influence law of slotting on fracture extension and pressure was preliminarily studied by using an indoor large sized and true tri－axial simulation system and a king－sized rock and soil numerical simulation software named FLAC3Dfinite difference.The result was contrasted to the existed oriented perforating fracturing.According to the contrast and results from the experiment and numerical simulation，the oriented slotting has bigger influence on fracture expansion and size of fracture pressure than the oriented perforating.Therefore，the oriented slotting technology is deserved to conduct intensive research and extension because fracture pressure can be effectively reduced and preferable fracture morphology can be obtained by using it.

oriented slotting；oriented perforating；real tri－axial test；numerical simulation；fracture propagation；fracture pressure

TE357.1

A

1000－9752（2010）05－0319－04

2010－02－02

郭先敏（1972－），男，1995年大庆石油学院毕业，硕士，工程师，现主要从事钻井工艺技术服务和研究工作。

［编辑］ 萧 雨