徑向鉆孔在體積壓裂井中的應用

李 楊

徑向鉆孔在體積壓裂井中的應用

李 楊

（中國石油 遼河油田鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010）

非常規能源地質儲量巨大，有效開發必須通過體積壓裂技術使人工裂縫復雜化。但由于體積壓裂對儲層工程品質要求較高，往往井周地應力差大導致人工裂縫復雜程度不夠，使得壓裂效果差。通過分析前人對井周裂縫起裂偏轉的研究，利用ABAQUS數值模擬徑向鉆孔孔眼誘導應力場，發現多孔下井周應力場發生逆轉，有利于壓裂裂縫復雜化。并通過大型真三軸物模實驗對這一理論進行驗證，確定了一定夾角的多徑向孔眼有利于人工裂縫復雜化。本文對指導非常規油藏體積壓裂井的工藝選擇，具有十分重大意義。

徑向鉆孔；體積壓裂；轉向；裂縫復雜化；地應力

中國非常規油氣藏開發潛力巨大，但受制于常規壓裂雙翼縫改造程度低，壓后效果較差，難以獲得有效的經濟開發。體積壓裂改造技術[1]的裂縫起裂模型突破了傳統經典模式，不再是單一的張性裂縫起裂與延伸，而是復雜化縫網的起裂與擴展形態。達到復雜化縫網的儲層品質要求比較高，因此較多低滲超低滲儲層體積壓裂所獲得的改造體積較小，人工裂縫復雜程度較低。本研究在前人對井筒附近水力裂縫空間轉向研究[2]基礎上，發現井筒附近應力場的變化能改變水力裂縫的轉向，從而達到復雜化。因此，引入徑向鉆孔技術[3]，利用孔眼井周應力集中誘導井周地應力發生逆轉，再結合體積壓裂工藝，從而提高人工裂縫的復雜程度。

1 徑向鉆孔

1.1 鉆孔孔眼應力分布數值模擬

徑向鉆孔是利用高壓水射流的沖蝕破巖作用，對油層套管、水泥環、儲層巖石實施定點定向水力噴射鉆孔，一般孔眼深度為10~25 m，最高可達100 m，孔眼直徑為25~50 mm不等。由于徑向鉆孔孔眼延伸距離長，可以視作為小型測試壓裂所能達到的效果，且能夠按照一定角度進行延伸，因此，數學模型可以忽略套管、水泥環對井周應力的影響，單獨分析孔眼井周應力。應用ABAQUS模擬軟件[4]模擬不同地應力差參數下水力壓裂擴展應力以及水力壓裂裂縫周圍應力場，如圖1所示。

從圖1中可以看出，徑向鉆孔孔眼尖端出現應力集中。而壓裂人工裂縫起裂的壓力是指定向水力射孔壓裂時水力射孔孔道發生破裂時，水力射孔孔道內流體的壓力大小。定向水力射孔壓裂裂紋的起裂判斷、地層巖石破裂的判斷準則很多，因為巖石的抗拉應力強度小于巖石的抗壓應力強度和巖石的抗剪切應力強度，巖石的抗剪切應力強度最大。通常一般采用最大拉應力準則，孔眼尖端的應力集中導致裂縫首先從此起裂，并展開延伸。

1.2 真三軸物模實驗

軟件數值模擬是基于儲層巖石為均質、各向同性的線彈性體材料，同時忽略滲流的影響，建立鉆孔井周應力模型，與真實情況有多大差異，需要進一步驗證。因此，利用水泥、砂、巖心按一定混合比例制備成400 mm×400 mm的巖樣，同時施加三軸應力模擬地下工況，研究鉆孔對壓裂裂縫形態的影響。以4孔巖樣實驗為例，如圖2所示，在不同角度下的人工裂縫起裂及延伸發生一定偏轉，使得裂縫復雜化。實驗結果如表1所示。

表1 同層4鉆孔夾角裂縫擴展實驗與模擬結果對比表

圖2 試樣巖心及壓裂裂縫形態

徑向鉆孔同層多鉆孔壓裂時，當兩徑向鉆孔夾角小于60°時，裂縫沿著徑向鉆孔起裂，并隨著裂縫的延伸逐漸轉向最大主應力方向。當兩徑向鉆孔夾角大于60°時，出現沿最大主應力方向徑向鉆孔優先破裂，而另一徑向鉆孔未發生破裂或者裂縫擴展效果差。當兩徑向鉆孔夾角小于30°時，兩徑向鉆孔之間裂縫起裂干擾，鉆孔起裂裂縫發生拐折轉向現象，但未發生與裂縫交叉現象。徑向鉆孔之間的間距越小，干擾應力場作用影響越明顯，徑向鉆孔對于引導裂縫定向起裂、擴展的影響越小，裂縫更容易發生轉向。

2 體積壓裂井的應用

2.1 體積壓裂

體積壓裂[5]是在水力壓裂的過程中，通過在主裂縫上形成多條分支縫或者溝通天然裂縫，最終形成不同于常規壓裂的復雜裂縫網絡，增加井筒與儲集層接觸體積，改善儲集層的滲流特征及整體滲流能力，從而提高壓裂增產效果和增產有效期。

非常規油氣藏體積壓裂能形成復雜縫網所需的工程品質三要素為天然裂縫、應力差、脆性。而較多低滲透、超低滲透儲層天然裂縫并不發育，最大最小主應力差高于7 MPa，針對這樣井進行體積壓裂改造，所產生的人工縫網有限，裂縫的復雜化程度有限。徑向鉆孔技術在人為基礎上在井眼周圍開辟出多角度的短裂縫，再通過相互應力干擾，產生誘導應力，使得井周最大最小主應力發生較大變化，從而達到體積壓裂所需要的工程品質。

2.2 典型井例

LH油田H8井為低滲透油藏，有效孔隙度小于7%，滲透率小于0.1 mD。本井設計徑向鉆孔，如表2所示。鉆孔后進行復合體積壓裂，施工排量為 6~10 m3·min-1，總液量612 m3，加砂60 m3。壓后水力泵排液日產壓裂液24.4 m3，日產油9.44 m3。同比較鄰井h18-18井體積壓裂日產壓裂液14.42 m3，日產油3.58 m3，產量提高2.63倍，取得較好壓裂效果。

表2 H8井徑向鉆孔參數

3 結 論

1）徑向鉆孔孔眼尖端能形成應力集中，產生誘導應力，改變井周應力分布情況。

2）通過對比數值模擬和物模實驗下，多徑向孔夾角小于30°時，兩徑向鉆孔之間裂縫起裂干擾，鉆孔起裂裂縫發生拐折轉向現象。

3）徑向鉆孔有助于體積壓裂產生更復雜的人工縫網，從而提高非常規油氣藏改造效果。

[1] 吳奇，胥云，王曉泉，等.非常規油氣藏體積改造技術——內涵、優化設計與實現[J].石油勘探與開發，2012，39（3）：352-358.

[2] 張廣清，陳勉，王強. 低滲透油藏徑向鉆孔技術增產機理研究[J].石油大學學報，2004, 28（4）：51-55.

[3] 施玉.徑向鉆孔技術在大民屯低滲透油藏的應用[J].中外能源，2017（4）：47-50.

[4] 李小龍，肖雯，李建雄，等.定向射孔水力壓裂起裂壓力的預測模型[J].石油學報，2013，34（3）：556-562.

[5] 張子明，蘇建，李玉印，等. 變質巖潛山體積壓裂技術探索與實踐[J].中外能源，2016（6）：25-30

Application of Radial Drilling Process in Volume Fracturing Wells

（D&P Technology Research Institute of PetroChina Liaohe Oilfield Company, Panjin Liaoning 124010, China）

Unconventional energy geological reserves are huge, and in effective development of unconventional energy geological reserves, artificial fractures must be complicated by stimulated reservoir volume fracturing. Volume fracturing has high requirement for reservoir engineering quality, and the complexity of artificial fractures is not enough due to the large difference in formation stress around the well, so the fracture effect is poor. Based on previous studies on fracture initiation and deflection around wells, ABAQUS was used to simulate the induced stress field in radial boreholes, it was found that the stress field around the well under wells was reversed, which was helpful to complicate the fracture. This theory was verified by large-scale true triaxial physical model experiments. It was determined that multiple radial perforations with a certain angle were conducive to the complexity of artificial fractures.

Radial drilling; Volume fracturing; Direction change; Fracture network; Formation stress

中國石油股份公司重大科技專項，遼河油田原油千萬噸持續穩產關鍵技術研究（項目編號：2017E-1605）。

2020-03-24

李楊（1988-），男，湖北省荊州市人，工程師，碩士研究生， 2012年畢業于中國石油大學（北京）油氣井工程專業，研究方向：石油工程巖石力學及儲層改造。

TE348

A

1004-0935（2020）09-1159-03