射孔对致密砂岩气藏水力压裂裂缝起裂与扩展的影响

雷 鑫，张士诚，许国庆，邹雨时，郭天魁

（1.中国石油大学（北京）教育部石油工程重点实验室，北京 102249； 2.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580）

0 引言

致密砂岩气藏储层孔隙度小、渗透率极低，物性界限为空气渗透率小于0.3×10－3μm2，单井产能低，常规开发方式很难实现有效动用.在水力压裂过程中，为了实现致密气藏经济有效的开采，一般采用射孔水平井分段多簇的体积压裂方式开启天然裂缝，使它不断扩张并与脆性岩石产生剪切滑移，最终形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络体系，从而增加改造体积﹑提高初始产量和最终采收率[1].由于部分致密砂岩气藏地层破裂压力较高，导致压裂施工困难，需要采用射孔完井方法降低储层破裂压力[2].另外，增加射孔裂缝条数，以沟通更多的天然裂缝和提高缝网结构的复杂性也是致密砂岩气藏增产改造的重点[3].在射孔井眼中，裂缝的起裂和近井筒的裂缝扩展是复杂的[4]，对于致密砂岩气藏的储层改造效果有很大影响.因此，研究射孔对致密砂岩气藏水平井压裂裂缝起裂与扩展的影响，对于水平井水力压裂优化设计具有重要的意义.

目前，对射孔影响裂缝起裂与扩展的实验研究多采用大尺寸的真三轴实验系统.Daneshy A[5]采用石膏块预置射孔的方式研究射孔影响破裂压力，发现增加射孔数量可以有效地降低破裂压力，短孔眼具有比长孔眼更低的破裂压力，射孔直径主要影响地层的抗拉强度，直径越大抗拉强度越低.邓金根等[6]采用水泥块预置射孔的方式研究不同射孔方式、方位、孔密、孔深及孔径对裂缝延伸和破裂压力的影响规律，对川西南致密气藏压裂井的射孔参数进行优化；Behrmann L等[7]使用砂岩露头进行射孔断裂实验，以确定最优起裂的射孔几何形状和射孔—压裂过程，表明水力裂缝起裂点通常是在孔眼的底部或是穿过井孔轴线的最小远场应力法平面与井筒表面的交点，起裂点取决于射孔方向相对于最小水平应力法平面、压裂液性质及注入速率.Bunger A P等[8]使用辉长岩露头，结合大型真三轴水力压裂模拟系统研究射孔对于裂缝扩展的影响，表明射孔除了能够有效地降低破裂压力外，对于裂缝的起裂与扩展还有很好的控制，有利于均匀布缝.

这些实验研究使用的是大尺寸人造岩心或是野外露头，不但很难处理实验岩样，而且岩样的物理性质与实际储层岩石物性也有一定差异，更没有专门针对致密砂岩进行过射孔对裂缝起裂与扩展的影响研究.针对致密砂岩储层钻井取心岩样，笔者设计一套小型真三轴水力压裂模拟实验装置，模拟实际地层条件，考虑射孔数量、射孔间距、射孔深度及水平应力差的影响，研究射孔对于致密砂岩气藏水力压裂裂缝起裂与扩展的影响，为致密砂岩气藏水力压裂射孔参数优化提供依据.

1 实验

1.1 设备

设计一套小型真三轴水力压裂模拟实验装置，其关键部分为岩心室（见图1（a），其中σv为垂向应力，σH为最大水平主应力，σh为最小水平主应力），内部尺寸为8.0cm×8.0cm×10.0cm.再结合液压泵﹑中间容器﹑压力传感器﹑压力数据采集系统及恒流泵，组成小型水力压裂模拟实验装置（见图1（b））.利用岩心室两侧和底部的液压活塞推动钢板，实现岩样的三轴应力加载，单向应力最大为30.00MPa；还可以调节不同活塞下的压力，实现应力差加载（见图2）.与常规大尺寸的真三轴装置相比，该装置的尺寸适用于实际储层的钻井取心，实现储层应力加载，更加真实地模拟储层压裂后近井筒处的裂缝起裂与扩展.

图1 小型水力压裂模拟实验装置Fig.1 The mini－size hydraulic fracturing simulation system

图2 实验装置流程Fig.2 Sketch map of experiment setup

1.2 岩样

岩样为鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏钻井取心，物理及岩石力学参数见表1.在实验过程中，为了防止岩心存在的天然裂缝对水力裂缝的扩展产生影响，实验前对岩心进行CT扫描.由CT扫描结果（见图3）可以看出，实验选取的岩心不含有天然裂缝，可以忽略天然裂缝对水力裂缝扩展的影响.将岩心加工成为8.0cm×8.0cm×10.0cm的方块，在岩心中部钻直径为1.5cm、深度为7.5cm的孔洞.将孔洞下部的4.5cm空间作为裸眼段，在裸眼段的内壁刻上深度为0.1cm的环型槽模拟射孔，环间距（即射孔间距）参数见表2.然后将注液用的模拟井筒用高强度的环氧树脂胶粘在裸眼段上方（见图2），防止注液时液体从井口漏出导致泄压.为了保证井筒更好的粘结效果，在井筒外壁刻上螺纹.

表1 岩样物理和岩石力学参数Table 1 Petrophysical properties and mechanics parameters of the specimen

图3 致密砂岩岩样CT扫描结果Fig.3 CT scanned images of tight gas downhole drilling core

1.3 设计方案

将处理好的岩心放入岩心室，连接管线，对岩心加载应力（见表2），加载方式见图1（a）.实验共选取12块岩心岩样，分为7组，采用不同的射孔参数进行实验；然后对岩样注压裂液进行压裂，由于岩样尺寸较小，裂缝扩展速度很快，容易达到边界，实验选用低注入速率（0.05mL／min）[9]，采用低黏度滑溜水（2.5 mPa·s）作为压裂液.为了更好地观测裂缝形态，在压裂液中加入红墨水；用仪器记录注入压力的变化，观察破裂压力（见图2）；达到破裂压力后压力开始下降，持续注压裂液1min后将岩心取出，切割并观察裂缝形态.

表2 岩心参数Table 2 Parameters and values for experiments

2 实验结果分析

2.1 破裂压力

各个岩样在压裂实验过程中注入压力的变化见图3.在相同的水平应力差条件下，无射孔的第一组岩样的平均破裂压力为15.51MPa，其余6组射孔岩样的平均破裂压力为12.70MPa，降低幅度为18%，射孔能够有效降低岩石的破裂压力.另外，第四组射孔的岩样的破裂压力要略小于第三组射孔的，说明随着射孔数量的增加，岩石的破裂压力减小.射孔对井眼应力的影响可以认为是无限大物体开多孔应力集中相互影响的结果[6].随着射孔密度的增加，孔眼距离不断减小，多孔应力集中效应增强，使得孔眼附近的应力增大.因此，在不影响射孔段套管强度的前提下，可以适当地加大射孔密度，一方面保证射孔的有效数量，另一方面可以降低起裂压力.

表3 岩样破裂压力Table 3 Breakdown pressure of each experiment

2.2 裂缝起裂

未射孔与射孔岩样裂缝形态见图4，其中1＃岩样采用未射孔的方式进行水力压裂实验，加载的水平应力差为3.00MPa，上覆压力为20.00MPa.由图4（a）可以看出，1＃岩样产生1条裂缝，处于井眼的底部.这是因为在钻孔时，岩样井眼底部有残余的钻槽，属于岩石的弱面，因此裂缝沿着应力的弱面发生起裂.裂缝的起裂没有方向性，向最大主应力的方向发生偏转，由于岩样尺寸较小，裂缝还未偏转到最大主应力方向已达到边界.3＃和8＃岩样采用多射孔方式，在射孔处产生多条裂缝，裂缝按垂直于最小主应力方向扩展.水力裂缝的数量随着射孔数量增加而增加，更多的主裂缝沟通储层中天然裂缝而形成复杂的裂缝网络结构.

受制于岩样的尺寸，实验只能模拟水平井分段多簇压裂其中一簇的近井筒裂缝起裂与扩展.在实际生产中，多条裂缝从井筒起裂点向远井延伸，连通更多天然裂缝，增加接触面积或改造体积.裂缝的起裂取决于井筒周围的应力，包括地质产生的构造应力和裂缝增长产生的应力变化.当最小和最大主应力存在显著差异时，往往产生二维裂缝.因此，即使在近井筒区域射孔产生多条裂缝，随着裂缝的扩展延伸，在缝间干扰的影响下，裂缝在远端也将合并为一条裂缝[10].为了实现多裂缝扩展增加改造体积，需要进行射孔水平井分段多簇压裂.

图4 未射孔与射孔岩样裂缝形态Fig.4 Fracture geometry of unperforated and perforated specimens

2.3 水平应力差

3＃岩样和5＃岩样采用3个射孔，射孔间距为1.0cm.3＃岩样加载的水平应力差为3.00MPa，5＃岩样加载的水平应力差为9.00MPa.不同水平应力差条件下岩样裂缝形态见图5.由图5（a）、（b）可以看出，在射孔区域，3＃岩样产生3条裂缝，沿射孔的位置起裂.在扩展的过程中，裂缝1和裂缝2的右侧在应力干扰的情况下发生偏转，最后合为1条裂缝，裂缝的扩展方向垂直于最小主应力方向.5＃岩样同样产生3条裂缝，也是沿射孔的位置起裂.与3＃岩样相比，在较高的水平应力差条件下，缝间干扰减弱，裂缝在扩展的过程中基本上未发生偏转，3条裂缝分别垂直于最小主应力方向进行扩展.

7＃岩样采用4个射孔，射孔间距为0.5cm，加载的水平应力差为3.00MPa.10＃岩样采用3个射孔，射孔间距与7＃岩样相同，加载的水平应力差为9.00MPa.由图5（c）﹑（d）可以看出，在射孔区域，7＃岩样产生2条裂缝，沿中间的2个射孔区域起裂；在裂缝扩展的过程中，裂缝发生偏转，左侧的2条裂缝相互偏转合并在一起，右侧的2条裂缝也有偏转的趋势.在10＃岩样中，沿着最上面和最下面2个射孔有2条裂缝起裂，裂缝扩展垂直于最小主应力方向，在扩展的过程中未发生偏转.

水平应力差对于裂缝扩展有很大的影响.由复杂缝到平面缝过渡的应力差通常为 5.00～7.00MPa[11].在 3.00 MPa的低水平应力差条件下，缝间干扰现象比较明显，说明在扩展的过程中发生应力偏转，导致裂缝扩展的方向偏转.在9.00MPa的高水平应力差的条件下，缝间干扰现象不明显，在扩展的过程中未发生偏转，分别向垂直于最小主应力的方向扩展.这说明随着水平应力差的增大，缝间干扰现象逐渐减弱.

图5 不同水平应力差条件下岩样裂缝形态Fig.5 Fracture geometry created under different horizontal stress biases

图6 不同射孔间距条件下岩样裂缝形态Fig.6 Fracture geometry created under different perforation spacing

2.4 射孔间距

3＃岩样和8＃岩样的实验采用水平应力差为3.00MPa，3＃岩样的射孔间距为1.0cm，8＃岩样的射孔间距为0.5cm.不同射孔间距条件下岩样裂缝形态见图6.由图6可以看出，在射孔区域，3＃岩样产生3条裂缝，只有裂缝1和裂缝2的右侧部分在扩展的过程中发生偏转，岩样左侧的3条裂缝并未发生偏转，沿最大主应力方向扩展.8＃岩样产生4条裂缝，在扩展的过程中发生偏转，岩样左侧的裂缝1和裂缝2合并为1条，右侧的2条裂缝彼此靠近.对于储层，当裂缝的间距很小时，缝间干扰变得强烈.在多级水平井压裂的过程中，新产生的裂缝改变初始应力分布，导致裂缝扩展方向偏离初始最大主应力方向，产生应力阴影[12]现象.因此，射孔间距对裂缝的扩展过程中缝间干扰有一定的影响，随着射孔间距的增加，缝间干扰现象逐渐减弱.

2.5 射孔深度

在实验过程中，并不是每个岩样的射孔区域都有裂缝产生.为分析射孔深度对裂缝起裂的影响，选取11＃岩样和12＃岩样，加载的水平应力差为9.00MPa.11＃岩样有2个射孔，射孔间距为1.5cm，上面的射孔深度为0.1cm，下面的射孔深度为0.2cm；12＃岩样有3个射孔，射孔间距为1.0cm，上面的1个射孔深度为0.1cm，下面的2个射孔的深度为0.2cm.

不同射孔深度下岩样裂缝形态见图7.由图7可以看出，对于11＃岩样，下面的1个射孔区域产生裂缝，基本上垂直于最小主应力方向；上面的1个射孔区域未产生裂缝.对于12＃岩样，下面的2个射孔区域产生垂直于最小主应力方向的扩展裂缝，上面的1个射孔区域未产生裂缝.这说明射孔的深度对裂缝的起裂有一定的影响，当射孔的深度增加时，液体压力在孔壁上有效作用面积增大，用于破裂底层的液体能量增大，使得孔眼的周向应力增加，岩石破裂压力降低，裂缝更容易在较深的射孔中起裂并且扩展[13].

图7 不同射孔深度下岩样裂缝形态Fig.7 Fracture geometry created under different perforation depth

3 数值模拟

利用致密砂岩水力压裂裂缝扩展模型[14]，分析射孔间距与水平应力差对裂缝形态的影响，验证实验结果正确性.模型的主要参数：杨氏模量、泊松比分别取为20.0GPa、0.21，垂向应力为40.00MPa，水平最大主应力为35.00MPa，最小主应力分别为26.00、29.00和32.00MPa，抗拉强度为5.00MPa，射孔间距分别为35、55和75m.不同水平应力差、射孔间距下岩样数值模拟结果见图8和图9（其中灰色直线为水平井段）.

图8 不同水平应力差条件下岩样裂缝形态数值模拟结果Fig.8 Fracture geometry created under different horizontal stress biases numerical simulation

由图8可知，在相同的射孔间距35m条件下，当水平应力差为3.00MPa时（见图8（a）），缝间干扰严重，最大水平主应力方向发生改变，水力裂缝沿着最大水平主应力方向延伸，因此裂缝延伸路径出现明显的偏转；当水平应力差达到6.00MPa时（见图8（b）），缝间干扰相对减弱，裂缝扩展路径也发生偏转，但是偏转不明显；当水平应力差达到9.00MPa时（见图8（c）），基本上没有缝间干扰，裂缝扩展路径不变，对裂缝形态无影响.

由图9可知，在相同的水平应力差3.00MPa条件下，射孔间距为35m时（见图9（a）），裂缝扩展路径发生偏转，表明缝间干扰对裂缝形态影响显著；当射孔间距增加到55m时（见图9（b）），随着缝间距的增大，缝间干扰减弱，裂缝扩展路径偏转不明显；当射孔间距达到75m时（见图9（c）），水力裂缝沿最大水平主应力方向延伸，无偏转.因此，随着水平应力差及射孔间距的增加，缝间干扰对裂缝形态的影响显著降低，当水平地应力差低于6.00MPa或射孔间距低于55m时缝间应力干扰显著，裂缝延伸路径偏转明显.这说明数值模拟结果与实验结果是基本吻合的.

图9 不同射孔间距下岩样裂缝形态数值模拟结果Fig.9 Fracture geometry created under different perforation spacing nemerical simulation

4 结论

（1）采用设计的小型真三轴水力压裂模拟实验装置进行实验，并通过数值模拟进行验证，研究射孔影响致密砂岩水力压裂裂缝起裂与扩展的规律.

（2）射孔可以有效地降低致密砂岩气藏的破裂压力，有利于降低现场水力压裂施工的难度；通过多射孔的方式可以增加裂缝的条数，更多地沟通储层中的天然裂缝，有效地提高致密砂岩气藏的改造体积.

（3）在低水平应力差下，要避免射孔间距过小而造成缝间干扰，引起水力裂缝延伸过程中发生偏转合并，导致储层改造体积减小.

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