径向钻孔辅助压裂裂缝形态复杂化的研究

李 杨

（中国石油辽河油田钻采工艺研究院，辽宁 盘锦 124010）

随着非常规油气藏的逐渐开发，对储层压裂改造的要求也愈来愈高。常规的压裂改造只能形成单一的双翼人工裂缝。而非常规油藏由于自身渗流条件差，因此需要形成更复杂的人工裂缝，从而提高改造范围和程度。张广清[1]等在定向射孔对地层的破裂压力及裂缝形态的影响方面做了较多研究，认为射孔孔眼方向与预期人工裂缝夹角越大、破裂压力越高，越不易从孔眼处起裂，同时近井地带裂缝形态越复杂。但由于射孔深度的局限性，使得定向射孔对井周应力影响程度较小。而径向钻孔[2]能够达到十倍以上的射孔深度，且具有更大的孔眼尺寸，更有利于形成复杂的人工裂缝形态。因此，通过联合径向钻孔技术和压裂技术，分析径向钻孔孔眼井周应力的分布情况，建立数值模拟模型，研究不同角度下多钻孔的水力裂缝起裂及裂缝形态延伸，对径向钻孔压裂改造技术研究具有重要的意义。

1 径向钻孔对井周地应力的影响

1.1 径向钻孔技术

径向钻孔技术[3]就是利用高压水射流对油层套管、水泥环、岩石实施定点水力喷射钻孔，喷射孔眼直径为25～50 mm，钻进长度最高可达100 m。受储层深度及岩性的影响，通常长度为10～25 m，如此长度相比较常规射孔或者深穿透射孔具有一定的优势，能有效穿过泥浆污染带，改变储层的渗流环境，同时对近井地带的地应力分布有一定的改变。

图1 径向钻孔示意图

1.2 建立径向钻孔井周应力模型

由于钻孔穿透深度较长，大大超过了套管与水泥环对近井地应力的影响范围，因此在建立径向钻孔井周应力模型时可以将井筒设定为裸眼井，进行井周应力模型的预测[4]。井筒的实际应力是受多个应力同时影响的，主要包括三向原位地应力、井眼内液体压力、孔隙水压力和钻井液由于压差向地层渗滤引起的附加应力。假设储层岩石为均质、各向同性的线弹性体材料，同时忽略渗流的影响，建立钻孔井周应力模型为如下。

图2 径向钻孔井井筒坐标系及原始地应力示意图

径向钻孔井周应力分布为：

1.3 径向钻孔裂缝起裂与扩展模型

压裂裂缝起裂压裂由钻孔孔壁的应力分布决定。由于岩石的抗拉应力强度小于岩石的抗压应力强度和岩石的抗剪切应力强度，根据拉伸破坏准则，最大有效主应力与抗拉强度相等时岩石发生破坏，即可求出径向钻孔井的起裂压力。

储层岩石的3个主应力分别设为σ1、σ2、σ3，由水力钻孔深度为h处射孔周围井壁的应力场分布的数学模型可得3个主应力分布的表达式为：

通过比较σ2、σ3的大小，可知较大的主应力应该是σ3。所以最大拉应力的表达式为：

当σmax≥ps时，认为岩石开始发生破裂。上面已经求解出了最大拉应力的表达式，对上述最大拉应力的表达式进行一次求导，即可以求出初始裂缝的起裂角的表达式：

求解上述方程所得到的角度，即为定向水力射孔压裂时裂缝开始起裂的起裂方位角。这样就分别计算求解出了定向水力压裂时裂缝的起裂的压力和裂缝的起裂方位角。

2 径向钻孔压裂数值模拟

ABAQUS是通用型的有限元商业软件，非线性影响对力学问题进行大规模计算分析，并能够处理岩体的裂缝扩展、渗流-应力耦合等多种复杂问题，可考虑利用ABAQUS有限元软件模拟径向钻孔对水力裂缝形态扩展的影响。本文利用ABAQUS有限元建模软件，采用二维有限元建模方法，模拟建立径向钻孔二维弹性模型，对径向钻孔辅助水力压裂形态复杂化的研究。

2.1 双钻孔不同角度下裂缝形态变化

模型参数如表1所示，模拟结果如图3所示。

表1 不同双钻孔角度水力压裂实验及数值模拟参数

图3 不同钻孔角度下压裂裂缝形态

数值模拟结果表明，当两径向钻孔夹角小于30°时，钻孔之间裂缝起裂存在干扰，W2 钻孔起裂裂缝发生拐折转向现象，但未发生与W1 钻孔裂缝交叉。当钻孔孔眼夹角为30°，应力云图中应力分布集中，地层的破裂压力最小，当钻孔方位角夹角为180°，应力云图分布均匀，破裂压力明显增大。由于钻孔应力场之间的相互影响，钻孔夹角越小，应力场相互影响越强。

2.2 多钻孔下裂缝形态变化

通过ABAQUS 对径向钻孔进行有限元模拟，建立的四钻孔及六钻孔水力压裂裂缝扩展延伸模型，如图4所示。

图4 四钻孔和六钻孔下裂缝扩展分布云图

通过径向钻孔压裂的裂缝扩展分析，在裂缝扩展开始阶段，不同钻孔裂缝扩展长度相差不大。但是，随着裂缝的持续扩展，模拟四钻孔与六钻孔均存在最大主应力方向的裂缝出现优先扩展的状况。在六钻孔压裂裂缝扩展过程中，由于钻孔夹角较小，裂缝间应力干扰现象较大，使得裂缝发生偏转。在六钻孔压裂中（不考虑天然裂缝），裂缝延伸发生偏转，人工裂缝形态复杂。

3 结 论

1）径向钻孔可改变储层井周应力的分布，孔眼尖端具有应力集中效应，有利于水力压裂人工裂缝的开启。

2）当两径向钻孔夹角大于60°时，出现沿最大主应力方向径向钻孔优先破裂，而另一径向钻孔未发生破裂或者裂缝扩展效果差；当两径向钻孔夹角小于30°时，两径向钻孔之间裂缝起裂干扰，钻孔起裂裂缝发生拐折转向现象，有利于裂缝复杂化。

3）不同角度多钻孔模式下水力压裂裂缝由于应力互相干扰因素发生偏转，延伸一定长度后回归为最大主应力方向，从而使得裂缝复杂化，增大压裂改造范围。