探讨射孔对致密砂岩气藏水力压裂裂缝起裂与扩展的影响

姚辉

摘要：针对砂密岩气藏水力对较高地层产生的破坏压力问题，以及对地质结构储层体积进行扩大，采用射孔技术对地层出现的问题进行处理。根据射孔数量和间距的变换，有效解决地层出现上述问题。在实际应用中发现，使用该技术不仅有效降低致密砂岩气藏的破裂压力，同时为相关技术参数优化，产生良好的应用效果。

关键词：射孔；致密砂岩气藏；裂缝起裂；裂缝扩展；破裂压力；缝间干扰

引言：

由于致密砂岩气藏储层中，其孔隙和渗透率较低，在工程施工过程中，无法产生良好的施工效果。因此，使用射孔水平井分段多簇的体积压裂技术进行施工，防止岩层结构出现剪切滑移情况，同时在地层结构中，将人工裂缝与地层结构产生的裂缝建立良好的结构体系，使地层内部空间和采收率不断提高。在进行致密砂岩气藏破裂压力研究过程中，采用小型真三轴水力压裂模型作为试验设备，对实际地层情况和条件建立模拟环境，对射孔数量和间距，以及射孔深度和水平应力产生的差值进行分析，从而为射孔技术应用提供参考依据。

1实验

1.1设备

使用小型真三轴水力压裂装置建立模拟环境，其中将岩心室作为核心设备，产生的垂向应力为σv，模拟环境规格为8.0cmX8.0cmX10.0cm。另外，使用液压泵、压力数据采集系统、恒流泵、中间容器和压力传感器作为其它模拟设备。在试验过程中，在岩心室底部和两侧位置，钢板在液压活塞的推动下对试验样品产生三轴应力作用，在一侧产生的压力最高为30MPa。使用该试验设备，按照环境实际产生的压力进行模拟试验，使储层产生的压裂裂缝与扩展符合试验要求。

1.2岩样

使用某地致密砂岩气藏作为岩样，要求岩样内部不存在天然裂缝，保证试验效果符合试验要求。然后将岩样制作成8.0cmX8.0cmX10.0cm规格的试验样品，在样品中心按照深度为7.5cm直径为1.5cm制作成一个孔洞，另外在孔洞底部4.5cm位置上作為裸眼段。

1.3设计方案

在完成岩样样品制作后，在岩心室内放好样品，通过设备对岩心施加应力。按照试验要求，将12块岩心样品分成7组，根据不同的射孔参数进行试验。在试验过程中，将红墨水混入到压裂液中，根据压裂液注入速率0.05mL/min要求，对压力产生的变化进行记录，通常注入时间为1分钟，然后切开样品岩心，记录裂缝产生的变化情况。

2实验结果分析

2.1破裂压力

使用破裂压力作为试验压力标准，对样品使用同等水平应力差，第一种按照无射孔方式进行试验，产生的破裂压力平均值为15.51MPa，剩下的6组破裂压力平均值为12.7MPa，通过试验发现，对岩样进行射孔处理，使岩样产生的破裂压力能力不断降低。在第三组和第四组对比试验发现，第三组射孔数量较多，同时岩样产生的破裂压力不断减少，说明射孔数量对降低破裂压力破坏程度有效果。在不断增加射孔密度过程中，射孔距离不断缩小，但是要保证岩样强度不发生变化，也能有效降低破裂压力造成的破坏能力。

2.2裂缝起裂

采用裂缝起裂施工技术，将射孔岩样和未射孔岩样作为试验对象。在试验过程中，水平产生的应力差为3MPa，在上覆施加的压力为20MPa。在岩样底部出现裂缝时，由于岩样在弱面的特点，通常裂缝从弱面出现，而且弱面出现裂缝具有无规则特点。在实际射孔过程中，根据裂缝的扩展性和延伸性特点，在水平井分段多簇压裂过程中，使用射孔技术有效解决地层出现裂缝压力的问题。

2.3水平应力差

在进行试验过程中，调整水平应力差差值，在第三组和第五组中，对岩样进行3个射孔处理，其中第三组应力差为3MPa，第五组应力差为9MPa。在不同应力差作用下，第三组和第五组岩样产生3条裂缝，但是裂缝起裂位置发生变化，在较高的水平应力差作用下，裂缝彼此间的干扰较小。

2.4射孔间距

在射孔间距试验过程中，在第三组和第八组进行对比时，使用3MPa的水平应力差，第三组射孔间距为1公分，第八组射孔间距为0.5公分。在试验中发现，第三组出现3条裂缝，并且三条裂缝没有出现偏移。第八组出现4条裂缝，其中裂缝1和裂缝2间距较近。根据试验对比发现，射孔间距不断缩小，对裂缝起产生的干扰作用不断增强。

2.5射孔深度

在进行射孔深度试验过程中，将11组和12组岩样作为试验对象，实施9MPa的水平应力差。在11组岩样上进行2个射孔操作，要求两个射孔距离控制在1.5cm，上射孔深度和下射孔深度分比为0.1cm和0.2cm。在12组岩样上进行3个射孔操作，射孔间距控制在1.0cm，上面一个射孔深度和下面射孔深度分别为0.1cm和0.2cm。通过对比试验发现，在射孔深度增加过程中，使孔壁面积不断扩大，使岩石破裂压力产生的破坏力不断减弱。

3数值模拟

在该试验过程中，射孔间距和水平应力差的变化，都会影响岩样裂缝形态，证明试验过程符合要求。另外，在试验过程中，制定不同的模拟数值，其中泊松比和杨氏模量分别为0.21和20GPa，垂向应力值和水平最大主应力分别为40MPa和35MPa，而最小主应力在26MPa-32MPa范围内。其中，抗拉强度控制在5MPa，射孔间距分别确定在75m、55m和35m位置处。

在进行试验过程中，在射孔间距同为35m时，并且水平应力差在3MPa时，岩样产生的裂缝受到干扰最大，而且裂缝沿着水平主应力方向发展，在发展过程中出现明确的路线变化。在水平应力差为6MPa时，岩样产生的裂缝受到干扰相对较小，而且裂缝出现的延伸没有出现明显变化。因此，根据上述使用条件可知，岩样裂缝延伸发生变化时，证明裂缝受到的干扰程度较强。在射孔间距为55m时，产生的裂缝路径没有明显变化。如果射孔间距控制在75m时，水平主应力方向上裂缝没有明显延伸变化。根据上述试验条件对比发现，在水平应力差和射孔间距不断增加过程中，岩样中裂缝形态的变化受到的干扰程度不断减弱。但是要注意的是，在水平应力差小于6MPa时，或者射孔间距小于55m范围内，裂缝产生受到的干扰程度不断升高，而且裂缝延伸路径出现的偏转的情况较为显著，证明试验过程按照模拟数据要求，符合试验结果要求。

结论：

综上所述，在该项目研究过程中，使用小型真三轴水力压裂模拟实验装置作为使用设备，采用数值模拟技术进行模拟试验，通过试验数据和现象可知，射孔的的数量、深度和间距等因素，对致密砂岩水力压裂裂缝起裂与发展有不同程度的影响。通过使用证明，使用射孔技术，不仅降低致密砂岩气藏的破裂压力对地层结构的坡效果，同时使水力压裂施工过程根据方便快捷的完成。而且在射孔数量不断增加过程中，对致密砂岩气藏地层结构体积发挥有效的改变作用。在较低水平应力差作用下，要求控制射孔间距保持在合理的范围内，防止地层储层结构改造体积出现不断缩小的情况。

参考文献

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（作者单位：中石化华北石油工程有限公司测井分公司）