水力徑向射流對壓裂裂縫起裂機理研究

丁然

摘要：近年來，國內(nèi)外學(xué)者在常規(guī)射孔對地層破裂壓力的影響方面做了一些研究，然而，相比于常規(guī)射孔槍射孔，水力噴射徑向鉆孔在鉆孔方式和鉆孔參數(shù)上都有很大的區(qū)別，本文建立水力徑向鉆孔三維有限元模型結(jié)合巖石的抗拉破壞準(zhǔn)則，研究徑向鉆孔參數(shù)包括鉆孔孔徑、鉆孔方位角及鉆孔深度對地層破裂壓力的影響。

關(guān)鍵詞：徑向鉆孔;破裂壓力;有限元

1.前言

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在常規(guī)射孔對地層破裂壓力的影響方面做了一些研究，張廣清、陳勉等利用線彈性三維有限元模型結(jié)合巖石的抗拉破壞準(zhǔn)則，系統(tǒng)研究了垂直井中射孔對于地層破裂壓力的影響;彪仿俊、劉合等進行了常規(guī)螺旋射孔條件下不同射孔方位角、相位角以及射孔密度對地層破裂壓力的影響的研究;鄧金根、薛寶華等采用室內(nèi)大型真三軸水力壓裂模擬試驗，研究了常規(guī)定向射孔參數(shù)對裂縫起裂壓力影響研究。

然而，相比于常規(guī)射孔槍射孔，水力噴射徑向鉆孔在鉆孔方式和鉆孔參數(shù)上都有很大的區(qū)別，而室內(nèi)真三軸水力壓裂模擬受到巖芯尺寸的限制，難以實現(xiàn)徑向鉆孔的物理模擬實驗。本文建立水力徑向鉆孔三維有限元模型結(jié)合巖石的抗拉破壞準(zhǔn)則，研究徑向鉆孔參數(shù)包括鉆孔孔徑、鉆孔方位角及鉆孔深度對地層破裂壓力的影響。

2.水力徑向鉆孔參數(shù)影響因素分析

進行徑向鉆孔不同射孔參數(shù)對井筒周圍應(yīng)力場的影響差異和對壓裂裂縫起裂的影響分析，以射孔相應(yīng)參數(shù)為變量，根據(jù)前人的研究及現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)，以下幾種工況進行數(shù)值模擬：

（1）鉆孔長度為變量，其值分別為：50m、60m、70m、80m、90m、100m;

（2）鉆孔方位角為變量，其值分別為：0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°;

（3）鉆孔直徑為變量，其值分別為：30mm、35mm、40mm、45mm、50mm。

2.1 水力徑向鉆孔深度影響

水力徑向鉆孔孔眼的深度與噴射工具和地層條件有關(guān)，為了從理論上考慮射孔深度對起裂壓力的影響，在建立模型時，不考慮孔眼直徑的變化，只改變射孔深度，分別取50m、60m、70m、80m、90m。

由調(diào)研的文獻中，常規(guī)射孔深度對破裂壓力的影響規(guī)律，隨著射孔深度的增加起裂壓力先減小后增加。這是因為當(dāng)射孔深度較小時，由鉆井引起的近井筒地帶地應(yīng)力的變化沒有消除，對裂縫起裂起到限制作用，當(dāng)射孔深度增大時，在射孔眼的尖端不受近井筒地帶地應(yīng)力的影響，且在孔壓的作用下產(chǎn)生的應(yīng)力集中對孔眼根部的應(yīng)力起到疊加作用，使得孔眼根部的起裂壓力降低。

而徑向鉆孔深度遠大于了常規(guī)射孔的孔眼深度，隨著徑向鉆孔深度增加，近井筒地帶地應(yīng)力對孔眼尖端的影響較小，破裂壓力主要受到遠場地應(yīng)力的影響，由計算結(jié)果可以看出，鉆孔深度在50m至100m范圍內(nèi)變化，對地層的破裂壓力基本上沒有影響。

2.2 水力徑向鉆孔方位角影響

射孔方位角為射孔軸線與最大水平地應(yīng)力方向的夾角。鉆孔方位角為變量，其值分別為：0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，鉆孔長度和直徑為定值，分別為50m，40mm，列舉了0°、30°、60°、90°有限元計算網(wǎng)格。

同樣采用試算法計算水力射孔井的地層破裂壓力，保持鉆孔參數(shù)和邊界條件不變，在井壁和孔壁處施加壓力，計算該壓力下的井眼最大主應(yīng)力，將最大主應(yīng)力與井壁巖石的抗拉強度比較，若最大主應(yīng)力恰好等于抗拉強度，則施加的壓力就等于地層破裂壓力;否則，改變壓力值再計算井眼最大主應(yīng)力，直到等于井壁巖石的抗拉強度。對每種工況進行計算，不同方位角徑向鉆孔井筒附近應(yīng)力分布。

地層破裂壓力隨著射孔方位角的增加而增大。當(dāng)射孔方向與最大水平地應(yīng)力重合時，起裂壓力最小，在0°～40°之間起裂壓力變化不明顯，在40°～70°之間，起裂壓力迅速增加，在70°～90°之間起裂壓力變化較小。根據(jù)最小能量原理，裂縫總是沿著阻力最小的平面破裂和傳播。平行于最大水平地應(yīng)力方向的孔眼壁面的破裂阻力最小，所需的破裂能量最低，因此破裂壓力也最低，為最佳射孔方向，反之亦然。破裂壓力是射孔方位角的函數(shù)，因此通過控制射孔方位，可降低地層破裂壓力，射孔與最大水平地應(yīng)力的夾角最好不超過40°，40°即為獲得地層低破裂壓力所允許的臨界射孔方位角。

2.3 水力徑向鉆孔孔徑影響

水力徑向鉆孔孔眼直徑是鉆孔設(shè)計的一個重要參數(shù)，它涉及噴頭尺寸的選擇。取鉆孔孔眼直徑為一均勻變化的參數(shù)，而不考慮水力噴射工具的實際型號。以現(xiàn)有的工藝技術(shù)水平為例進行計算，計算中選取射孔眼直徑分別為30mm、35mm、40mm、45mm和50mm。

隨著孔眼直徑的增加，起裂壓力成明顯的線性降低趨勢，孔眼直徑在50mm大小時，起裂壓力較30mm的降低接近17MPa。因此，從降低起裂壓力的角度分析，選擇大孔徑的噴射工具較為合理。

3.結(jié)論

本章對水力徑向鉆孔的孔徑、鉆孔方位角及鉆孔深度對地層破裂壓力的影響進行了數(shù)值模擬計算分析：

隨著孔眼直徑的增加，起裂壓力成明顯的線性降低趨勢，孔眼直徑在50mm大小時，起裂壓力較30mm的降低接近17MPa。因此，從降低起裂壓力的角度分析，選擇大孔徑的噴射工具較為合理。

地層破裂壓力隨著射孔方位角的增加而增大。當(dāng)射孔方向與最大水平地應(yīng)力重合時，起裂壓力最小，在0°～40°之間起裂壓力變化不明顯，在40°～70°之間，起裂壓力迅速增加，在70°～90°之間起裂壓力變化較小。優(yōu)化鉆孔與最大水平地應(yīng)力的夾角最好不超過40°，40°即為獲得地層低破裂壓力所允許的臨界射孔方位角。鉆孔深度在50m至90m范圍內(nèi)變化，對地層的破裂壓力基本上沒有影響。、

參考文獻

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（作者單位：1.中國石油大學(xué)（華東）;2.勝利油田石油工程技術(shù)研究院）