探討射孔對致密砂巖氣藏水力壓裂裂縫起裂與擴展的影響

姚輝

摘要：針對砂密巖氣藏水力對較高地層產生的破壞壓力問題，以及對地質結構儲層體積進行擴大，采用射孔技術對地層出現的問題進行處理。根據射孔數量和間距的變換，有效解決地層出現上述問題。在實際應用中發現，使用該技術不僅有效降低致密砂巖氣藏的破裂壓力，同時為相關技術參數優化，產生良好的應用效果。

關鍵詞：射孔；致密砂巖氣藏；裂縫起裂；裂縫擴展；破裂壓力；縫間干擾

引言：

由于致密砂巖氣藏儲層中，其孔隙和滲透率較低，在工程施工過程中，無法產生良好的施工效果。因此，使用射孔水平井分段多簇的體積壓裂技術進行施工，防止巖層結構出現剪切滑移情況，同時在地層結構中，將人工裂縫與地層結構產生的裂縫建立良好的結構體系，使地層內部空間和采收率不斷提高。在進行致密砂巖氣藏破裂壓力研究過程中，采用小型真三軸水力壓裂模型作為試驗設備，對實際地層情況和條件建立模擬環境，對射孔數量和間距，以及射孔深度和水平應力產生的差值進行分析，從而為射孔技術應用提供參考依據。

1實驗

1.1設備

使用小型真三軸水力壓裂裝置建立模擬環境，其中將巖心室作為核心設備，產生的垂向應力為σv，模擬環境規格為8.0cmX8.0cmX10.0cm。另外，使用液壓泵、壓力數據采集系統、恒流泵、中間容器和壓力傳感器作為其它模擬設備。在試驗過程中，在巖心室底部和兩側位置，鋼板在液壓活塞的推動下對試驗樣品產生三軸應力作用，在一側產生的壓力最高為30MPa。使用該試驗設備，按照環境實際產生的壓力進行模擬試驗，使儲層產生的壓裂裂縫與擴展符合試驗要求。

1.2巖樣

使用某地致密砂巖氣藏作為巖樣，要求巖樣內部不存在天然裂縫，保證試驗效果符合試驗要求。然后將巖樣制作成8.0cmX8.0cmX10.0cm規格的試驗樣品，在樣品中心按照深度為7.5cm直徑為1.5cm制作成一個孔洞，另外在孔洞底部4.5cm位置上作為裸眼段。

1.3設計方案

在完成巖樣樣品制作后，在巖心室內放好樣品，通過設備對巖心施加應力。按照試驗要求，將12塊巖心樣品分成7組，根據不同的射孔參數進行試驗。在試驗過程中，將紅墨水混入到壓裂液中，根據壓裂液注入速率0.05mL/min要求，對壓力產生的變化進行記錄，通常注入時間為1分鐘，然后切開樣品巖心，記錄裂縫產生的變化情況。

2實驗結果分析

2.1破裂壓力

使用破裂壓力作為試驗壓力標準，對樣品使用同等水平應力差，第一種按照無射孔方式進行試驗，產生的破裂壓力平均值為15.51MPa，剩下的6組破裂壓力平均值為12.7MPa，通過試驗發現，對巖樣進行射孔處理，使巖樣產生的破裂壓力能力不斷降低。在第三組和第四組對比試驗發現，第三組射孔數量較多，同時巖樣產生的破裂壓力不斷減少，說明射孔數量對降低破裂壓力破壞程度有效果。在不斷增加射孔密度過程中，射孔距離不斷縮小，但是要保證巖樣強度不發生變化，也能有效降低破裂壓力造成的破壞能力。

2.2裂縫起裂

采用裂縫起裂施工技術，將射孔巖樣和未射孔巖樣作為試驗對象。在試驗過程中，水平產生的應力差為3MPa，在上覆施加的壓力為20MPa。在巖樣底部出現裂縫時，由于巖樣在弱面的特點，通常裂縫從弱面出現，而且弱面出現裂縫具有無規則特點。在實際射孔過程中，根據裂縫的擴展性和延伸性特點，在水平井分段多簇壓裂過程中，使用射孔技術有效解決地層出現裂縫壓力的問題。

2.3水平應力差

在進行試驗過程中，調整水平應力差差值，在第三組和第五組中，對巖樣進行3個射孔處理，其中第三組應力差為3MPa，第五組應力差為9MPa。在不同應力差作用下，第三組和第五組巖樣產生3條裂縫，但是裂縫起裂位置發生變化，在較高的水平應力差作用下，裂縫彼此間的干擾較小。

2.4射孔間距

在射孔間距試驗過程中，在第三組和第八組進行對比時，使用3MPa的水平應力差，第三組射孔間距為1公分，第八組射孔間距為0.5公分。在試驗中發現，第三組出現3條裂縫，并且三條裂縫沒有出現偏移。第八組出現4條裂縫，其中裂縫1和裂縫2間距較近。根據試驗對比發現，射孔間距不斷縮小，對裂縫起產生的干擾作用不斷增強。

2.5射孔深度

在進行射孔深度試驗過程中，將11組和12組巖樣作為試驗對象，實施9MPa的水平應力差。在11組巖樣上進行2個射孔操作，要求兩個射孔距離控制在1.5cm，上射孔深度和下射孔深度分比為0.1cm和0.2cm。在12組巖樣上進行3個射孔操作，射孔間距控制在1.0cm，上面一個射孔深度和下面射孔深度分別為0.1cm和0.2cm。通過對比試驗發現，在射孔深度增加過程中，使孔壁面積不斷擴大，使巖石破裂壓力產生的破壞力不斷減弱。

3數值模擬

在該試驗過程中，射孔間距和水平應力差的變化，都會影響巖樣裂縫形態，證明試驗過程符合要求。另外，在試驗過程中，制定不同的模擬數值，其中泊松比和楊氏模量分別為0.21和20GPa，垂向應力值和水平最大主應力分別為40MPa和35MPa，而最小主應力在26MPa-32MPa范圍內。其中，抗拉強度控制在5MPa，射孔間距分別確定在75m、55m和35m位置處。

在進行試驗過程中，在射孔間距同為35m時，并且水平應力差在3MPa時，巖樣產生的裂縫受到干擾最大，而且裂縫沿著水平主應力方向發展，在發展過程中出現明確的路線變化。在水平應力差為6MPa時，巖樣產生的裂縫受到干擾相對較小，而且裂縫出現的延伸沒有出現明顯變化。因此，根據上述使用條件可知，巖樣裂縫延伸發生變化時，證明裂縫受到的干擾程度較強。在射孔間距為55m時，產生的裂縫路徑沒有明顯變化。如果射孔間距控制在75m時，水平主應力方向上裂縫沒有明顯延伸變化。根據上述試驗條件對比發現，在水平應力差和射孔間距不斷增加過程中，巖樣中裂縫形態的變化受到的干擾程度不斷減弱。但是要注意的是，在水平應力差小于6MPa時，或者射孔間距小于55m范圍內，裂縫產生受到的干擾程度不斷升高，而且裂縫延伸路徑出現的偏轉的情況較為顯著，證明試驗過程按照模擬數據要求，符合試驗結果要求。

結論：

綜上所述，在該項目研究過程中，使用小型真三軸水力壓裂模擬實驗裝置作為使用設備，采用數值模擬技術進行模擬試驗，通過試驗數據和現象可知，射孔的的數量、深度和間距等因素，對致密砂巖水力壓裂裂縫起裂與發展有不同程度的影響。通過使用證明，使用射孔技術，不僅降低致密砂巖氣藏的破裂壓力對地層結構的坡效果，同時使水力壓裂施工過程根據方便快捷的完成。而且在射孔數量不斷增加過程中，對致密砂巖氣藏地層結構體積發揮有效的改變作用。在較低水平應力差作用下，要求控制射孔間距保持在合理的范圍內，防止地層儲層結構改造體積出現不斷縮小的情況。

參考文獻

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（作者單位：中石化華北石油工程有限公司測井分公司）