径向井远端压裂电模拟实验研究

杨阳，曲占庆，曹砚锋，孙晓娜，李小龙，李杨，黄德胜

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛266580；2.中海油研究总院钻采研究院，北京100027）

0 引言

水力压裂是一种有效的增产措施，在开采低渗、特低渗透油藏过程中，有着举足轻重的作用，经压裂改造后，油井产量和最终采收率会有大幅度提升［1］。然而，对于部分油藏，由于含油面积小，地层薄、碎等，应用常规手段钻水平井进行大型压裂或分段压裂，不仅开采成本高，而且采收率较低，效益较差［2-4］。径向井远端压裂是在高压水射流钻出径向水平井［5-10］的基础上，进行水力压裂，在径向井井筒远端附近形成高导流能力的裂缝，以增加产油量的技术，该技术解决了上述难题。

电模拟实验［11-12］是目前比较经典的研究油气渗流规律的实验模拟技术。电模拟方法可以通过测量压力场直接模拟渗流场，简单方便。国内外虽有依靠水电模拟实验开展单井压裂渗流机理的研究，但对径向井远端压裂水电模拟的报道较少。

1 实验原理、装置及模型

1.1 原理

电模拟实验是利用相同的数学微分方程所表示的物理现象来互相模拟，依据水电相似理论［13-18］，用导电介质模拟地层，在介质上施加一定的电势差产生的电场来模拟地层中的稳定渗流场［19］。

1.2 装置及模型

电模拟实验装置主要由电解槽、电路系统、测量系统、数据采集系统4 个部分组成。电模拟实验电路如图1所示。电解槽用厚度为10 mm 的有机玻璃板制成，尺寸为1 500 mm×1 500 mm×350 mm。在电解槽中用一定质量浓度、一定深度的NaCl 溶液作为电解质溶液模拟油层。由于径向井为裸眼完井，并且井眼直径较小，流体在径向井筒中的流速较大，摩阻较大，故选用电阻率比较大的细铁丝代替细铜丝来模拟径向井，一定宽度和长度的铜片模拟径向井远端压裂后产生的裂缝，紫铜带模拟供给边界。

图1 电模拟实验电路

在裂缝为横向裂缝的条件下，不同裂缝条数、间距和长度时径向井远端压裂的电压分布所对应的电模拟实验模型如图2所示，每组模型以一种情形为例。

图2 电模拟实验模型

2 实验结果分析

根据实验结果，分别就不同裂缝条数（n）、不同裂缝间距（d）、不同裂缝长度（L）对电压分布的影响进行分析（见图3）。

2.1 不同裂缝条数的影响

实验中取裂缝长度为300 mm，裂缝间距为100 mm，并保持裂缝长度和裂缝间距不变，裂缝条数依次设定为1，2，3，4 条分别进行电模拟实验（见图3a—3d）。实验结果表明：

1）径向井远端压裂后的等压线在压裂裂缝附近是以裂缝为长轴的椭圆形状，在径向井筒附近是类似于以径向井筒为长轴的椭圆形状，在远井地带等压线形状逐渐接近供给边界的形状（由于电模拟实验中供给边界紫铜带的形状为圆形，故远井地带等压线形状逐渐接近圆形）。

2）在裂缝端部和径向井筒端部的等压线发生明显弯曲，沿着径向井筒等压线变化平缓。这是由于在裂缝的端部和径向井筒端部流体径向流入裂缝和径向井筒而产生的径向流效应导致的。

3）相同电压差的等压线在裂缝附近比较集中，在径向井筒附近及远井地带比较平缓。这说明流体渗流的阻力主要产生在压裂后的裂缝附近，从实验上证实了压裂技术提高油井产能的机理，即通过提高地层的渗透率来提高油井的产能。以裂缝长度为300 mm，间距为100 mm 的3 条裂缝渗流场图为例，有接近2.0 V的电压在压裂裂缝附近损失，与径向井附近及远井地带相比，压裂裂缝附近的等压线要密集得多。

4）不同的裂缝条数下，相同数值等压线的控制面积随着裂缝条数的增加而增大，控制面积的增大可以使压裂后产量增加。以1.3 V 等压线为例，由于裂缝长度相同，故纵坐标控制的范围相差不大，比较横坐标的控制范围，1 条裂缝的控制范围为30 mm 左右，2 条裂缝控制范围为150 mm 左右，3 条裂缝的控制范围为290 mm 左右，4 条裂缝的控制范围为330 mm 左右。

5）随着裂缝条数的增加，等压线的起伏剧烈，这是由于缝间干扰加剧，裂缝中的流体在油层中的流动产生了相互干扰，但裂缝条数增加，控制面积增加，压裂后产量增加，故径向井远端压裂裂缝条数应有一相对最优值或范围。

图3 不同裂缝条数、间距、长度下等压线分布

2.2 不同裂缝间距的影响

实验中取缝长为300mm，裂缝条数为3，并保持二者不变，裂缝间距依次设定为50，100，200 mm，及100 与200 mm 组合，进行实验（见图3e，3c，3f，3g）。实验结果表明：

1）不同的裂缝间距下，相同数值等压线的控制面积随着裂缝间距的增加而增大，控制面积的增大可以使压裂后产量增加。以1.3 V 等压线为例，由于裂缝长度相同，故纵坐标控制的范围相差不大，比较横坐标的控制范围，裂缝间距为50 mm 的控制范围为110 mm左右，裂缝间距为100 mm 的控制范围为270 mm 左右，裂缝间距为100，200 mm 组合的控制范围为320 mm左右，裂缝间距为200 mm 的控制范围为430 mm 左右。

2）随着裂缝间距的减小，等压线起伏剧烈，裂缝间距为50 mm 的等压线起伏最为剧烈，且相同电压差的等压线较为集中。这是由于裂缝间距过小，裂缝中的流体流动相互干扰所致，随着裂缝间距的增加，这一情况逐渐减缓。同时随裂缝间距增加，控制面积增加，压裂产量增加，故径向井远端压裂裂缝间距不宜过小，应尽量增加裂缝间的距离。

2.3 不同裂缝长度的影响

在本组实验中，控制裂缝条数为3，裂缝间距为100 mm，保持二者不变，裂缝长度依次设定为200，300，400 mm，分别进行电模拟实验，结果如图3h，3c，3i 所示。

实验结果表明：

1）不同的裂缝长度下，相同数值等压线的控制面积随着裂缝长度的增加而增大，控制面积的增大可以使压裂后产量增加。以1.3 V 等压线为例，由于裂缝间距相同，故横坐标控制的范围相差不大，比较纵坐标的控制范围，裂缝长度为200 mm 的控制范围为150 mm左右，裂缝长度为300 mm 的控制范围为290 mm 左右，裂缝长度为400 mm 的控制范围为350 mm 左右。

2）随着裂缝长度的增加，等压线起伏剧烈，这是由于裂缝长度增加，裂缝中的流体流动相互干扰所致，但随裂缝长度增加，控制面积增加，压裂后产量增加，故径向井远端压裂裂缝长度存在一个相对最优值或范围。

3 结论

1）径向井远端压裂后的等压线在压裂的裂缝附近是以裂缝为长轴的椭圆形状，在径向井筒附近是类似于以径向井筒为长轴的椭圆形状，在远井地带等压线形状逐渐接近供给边界的圆形。

2）流体径向流入产生的径向流效应导致等压线在裂缝端部和径向井筒端部发生明显弯曲，且沿着径向井筒变化平缓。

3）相同电压差的等压线在裂缝附近比较集中，在径向井筒附近及远井地带比较平缓。

4）随着裂缝长度、裂缝条数、裂缝间距的增加，控制面积增大，压裂后产量增加；但随着裂缝长度、裂缝条数增加，裂缝间距的减小，缝间干扰加剧，径向井远端压裂时裂缝条数和裂缝长度存在一最优值，裂缝间距不宜过小，应尽量增加裂缝间的距离。

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