Abstract：Oriented perforating has been widely applied in oil and gas well completion measures,which greatlu influences the artificial hydraulic fracture pattern of hydraulic fracturing treatment.The initial fracture location and overall pattern are affected by the angle between the oriented perforating direction and the direction of the biggest horizontal crustal stress as well as the difference value of the far field horizontal crustal stresses.Therefore,the influencing factors on the initial fracture position and pattern of artificial hydraulic fracturing with oriented perforating were studied with the large-scale real triaxial hydraulic fracturing physicas simulation experiment system(the test piece is of 300mm×300mm×300mm).The research results indicated that the oriented perforating azimuth angle and the horizontal crustal stress difference generate greater influences；the artificial hydraulic fracture formed by the hydraulic fracturing with oriented perforating may be an unsatisfactory straight dual-wing fracture,instead,it may be a bent dualwing crack；when the horizontal stress difference and the oriented perforating azimuth angle are comparatively large,it is easy to generate asymmetric multiple fractures at multiple points in the direction of oriented perforating and the biggest horizontal crustal stress or result in dual-wing fractures that pass through mini-circle surface.For improving the precision of the crustal stress measurement on the original site and the oriented precision of the oriented perforating,the azimuth angle of the oriented perforating is controled to be small,which avoids the generation of artificial hydraulic fractures in complicated patterns and decreases sand-plugging risk and the difficulties in fracturing operation,thus realizes the improvement of fracturing stimulation.Finally,positive propsals on well completion and fracturing were also pressented in this paper.

Keywords：hydraulic fracturing,oriented perforating,fracture(rock),pattern,asymmetry,poor horizontal stress,perforating azimuth angle

定向射孔廣泛應(yīng)用于油、氣井完井措施，其對(duì)水力裂人工水力裂縫的形態(tài)有很大影響。人工水力裂縫未受擾動(dòng)的原始地應(yīng)力場(chǎng)中沿垂直于最小主地應(yīng)力向擴(kuò)展，但是由于井眼和炮眼的存在會(huì)導(dǎo)致雙重應(yīng)集中而干擾近井區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)分布，使得人工水力裂在近井區(qū)形態(tài)復(fù)雜。

定向射孔方向與最大水平地應(yīng)力方向的夾角、遠(yuǎn)水平地應(yīng)力的差值都會(huì)影響到裂縫的起裂部位和整形態(tài)^[1-3]。應(yīng)用定向射孔技術(shù)有利于減少?gòu)?fù)雜裂縫產(chǎn)生而生成較寬的單一裂縫^[4]，且0°相位射孔是緩多裂縫的最有效方法^[5]。經(jīng)定向射孔后再進(jìn)行水力裂的井具有較低的近井壓力損耗和較高的支撐劑鋪濃度，平均產(chǎn)能也更高^[6]。

然而由于種種因素的影響，定向射孔不可能準(zhǔn)確沿著最大地應(yīng)力方向，這就造成在了在近井地帶可會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的人工水力裂縫形態(tài)(彎曲縫、多裂縫)，從而可能會(huì)導(dǎo)致縫寬變窄、壓裂液效率降低、脫砂壓裂施工凈壓力過(guò)高等問(wèn)題^[6-12]。

以上情況與定向射孔參數(shù)和目標(biāo)地層性質(zhì)(地應(yīng)狀態(tài)、地層非均勻性等)密切相關(guān)。然而目前對(duì)此問(wèn)研究甚少。筆者采用大型真三軸水力壓裂物理模擬驗(yàn)系統(tǒng)^[13]進(jìn)行了室內(nèi)物模實(shí)驗(yàn)，研究了定向射孔水壓裂人工水力裂縫的形態(tài)和影響因素，并對(duì)完井和裂施工提出了一些工程建議。

1　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?span lang="EN-US">

大型真三軸水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)所用的人造試三維結(jié)構(gòu)及具體尺寸如圖l、2所示，具體試件制備程詳見(jiàn)本文參考文獻(xiàn)[2]，筆者不再詳述。結(jié)合實(shí)際況及相似準(zhǔn)則^[14]，設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)：sv＝15MPa，水平應(yīng)力差(sH-sh)分別為3MPa、6MPa、9MPa，180°相位角平面簡(jiǎn)單布3排孔共6個(gè)。定義定向射孔方位角(q)為定向射孔方向與最大水平主應(yīng)力方向之間的夾角，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，q分別取值0°、30°、45°和60°。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

大型真三軸水力壓裂物模實(shí)驗(yàn)按水平應(yīng)力差(sH-sh)為3MPa、6MPa、9MPa共分為3組，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

試件l、試件5和試件9的定向射孔方位角為0°，人工水力裂縫沿0°和l80°相位射孔起裂后并不改變方向，產(chǎn)生一條規(guī)則的雙翼裂縫，人工水力裂縫形態(tài)與裸眼井壓裂類(lèi)似。

試件2、試件3、和試件6中的人工水力裂縫沿0°和180°相位射孔起裂后逐漸轉(zhuǎn)到最優(yōu)裂縫面方向，形成了一條基本對(duì)稱(chēng)的雙翼彎曲裂縫。且在加載三向應(yīng)力條件不變的情況下，由于射孔方位角的增大，試件3的破裂壓力和水力裂縫轉(zhuǎn)向半徑較試件2均有所增加。

試件4、試件7和試件10的人工水力裂縫形態(tài)極為特殊。不僅在井眼兩側(cè)沿定向射孔尖端起裂形成一條雙翼彎曲裂縫，同時(shí)，水力裂縫還在井眼的一側(cè)自射孔孔眼根部與井壁的交匯處起裂、穿透水泥環(huán)一段距離后沿sH方向與井壁的交匯處起裂、延伸、產(chǎn)生了一條單翼裂縫，裂縫形態(tài)不對(duì)稱(chēng)。筆者將此裂縫形態(tài)定義為非對(duì)稱(chēng)多裂縫系統(tǒng)。這是在定向射孔水力壓裂大型物模實(shí)驗(yàn)中首次觀察到的特殊現(xiàn)象。且在加載三向應(yīng)力條件不變的情況下，破裂壓力和水力裂縫的轉(zhuǎn)向半徑均達(dá)到該組實(shí)驗(yàn)的極大值。同時(shí)，由于水平應(yīng)力差的增加，多裂縫系統(tǒng)的縫寬受到的限制加劇，試件4、試件7和試件10的破裂壓力呈遞增趨勢(shì)而水力裂縫的轉(zhuǎn)向半徑呈遞減趨勢(shì)。

試件8和試件11，人工水力裂縫從微環(huán)面起裂，形成一個(gè)穿過(guò)微環(huán)面后沿盯H方向擴(kuò)展的雙翼裂縫。較同組的前次實(shí)驗(yàn)，其破裂壓力減小。

2．2　影晌因素分析

2．2．1定向射孔方位角的影響

由表l可見(jiàn)：當(dāng)定向射孔沿著最大水平地應(yīng)力方向或與最大水平地應(yīng)力方向有一較小夾角時(shí)，人工水力裂縫一般沿著定向射孔方向起裂，產(chǎn)生一條規(guī)則的雙翼平直裂縫或雙翼彎曲裂縫；當(dāng)定向射孔方位角很大時(shí)，由于井壁上應(yīng)力集中的最大值出現(xiàn)在最大水平地應(yīng)力方向^[1，3]，此時(shí)人工水力裂縫并不沿定向射孔起裂，而是沿最大水平地應(yīng)力方向起裂，產(chǎn)生一條穿過(guò)微環(huán)面的雙翼平直裂縫(此時(shí)孔眼進(jìn)液，但沒(méi)有水力裂縫起裂)。

在定向射孔方位角由小變大的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)臨界角度，此時(shí)，定向射孔處和最大水平地應(yīng)力方向處的第一主應(yīng)力的大小相等，裂縫可能會(huì)同時(shí)在這兩個(gè)位置起裂^[1，3]。實(shí)驗(yàn)表明：在試件4、試件7和試件10中產(chǎn)生了非對(duì)稱(chēng)多裂縫系統(tǒng)，井眼一側(cè)是一條沿定向射孑乙起裂的轉(zhuǎn)向裂縫和一條白射孔孔眼根部與井壁的交匯處起裂、穿透水泥環(huán)一段距離后沿sH方向與井壁的交匯處起裂、延伸的單翼平直裂縫，井眼的另一側(cè)是沿定向射孔起裂的轉(zhuǎn)向裂縫(圖3)。而且在地應(yīng)力狀態(tài)一定的情況下，隨著定向射孔方位角的增大，由于水力裂縫的起裂困難和彎曲，產(chǎn)生人工水力裂縫所需的破裂壓力逐漸變大、水力裂縫的轉(zhuǎn)向半徑也越來(lái)越大；在產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)多裂縫時(shí)，破裂壓力和裂縫轉(zhuǎn)向半徑均達(dá)到實(shí)驗(yàn)的最大值(表1)。

整體上形狀復(fù)雜的多裂縫系統(tǒng)會(huì)增加人工水力裂縫在擴(kuò)展過(guò)程中所需的凈壓力，并且使得每個(gè)裂縫的寬度減小，導(dǎo)致過(guò)高的壓裂施工凈壓力，可能會(huì)造成支撐劑橋堵而過(guò)早脫砂，非常不利于水力壓裂施工的順利進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)所用的人造試件可視為均勻介質(zhì)，但產(chǎn)生的人工水力裂縫在整體上并不對(duì)稱(chēng)，而對(duì)于進(jìn)行增產(chǎn)作業(yè)的實(shí)際地層，其非均勻性會(huì)影響近井地帶的應(yīng)力場(chǎng)分布，且由于同井水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量的影響，因此，在多個(gè)起裂點(diǎn)同時(shí)起裂形成人工水力裂縫具有較大的不確定性和隨機(jī)性，這使得現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工中實(shí)際形成的人工水力裂縫形態(tài)會(huì)更加復(fù)雜和難以預(yù)測(cè)，對(duì)壓裂設(shè)計(jì)、施工和壓后裂縫擬合都會(huì)造成嚴(yán)重影響。

2．2．2水平應(yīng)力差的影響

在不同的水平應(yīng)力差狀態(tài)下，即使定向射孔方位角相同，人工水力裂縫的形態(tài)也不盡相同；而且隨著水平應(yīng)力差的增加，產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)多裂縫系統(tǒng)的臨界射孔角度呈減小趨勢(shì)(表1)?？梢?jiàn)水平應(yīng)力差對(duì)人工水力裂縫形態(tài)和臨界射孔角度都有很大影響。

利用本壓裂模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可回歸出產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)多裂縫系統(tǒng)的臨界射孔角度和水平應(yīng)力差的相互關(guān)系曲線(xiàn)(圖4)。當(dāng)水平應(yīng)力差和定向射孔方位角的坐標(biāo)落在藍(lán)色臨界線(xiàn)的左下側(cè)時(shí)，人工水力裂縫會(huì)沿定向射孔方向起裂，形成一條基本對(duì)稱(chēng)的雙翼平直裂縫或雙翼彎曲裂縫；當(dāng)水平應(yīng)力差和定向射孔方位角的坐標(biāo)落在藍(lán)色臨界線(xiàn)的右上側(cè)時(shí)，人工水力裂縫會(huì)沿著最大水平地應(yīng)力方向起裂，產(chǎn)生一條穿過(guò)微環(huán)面的雙翼平直裂縫；當(dāng)水平應(yīng)力差和定向射孔方位角的坐標(biāo)正好落在藍(lán)色臨界線(xiàn)上時(shí)，人工水力裂縫可能沿著定向射孔方向和最大水平地應(yīng)力方向多點(diǎn)同時(shí)起裂，形成非對(duì)稱(chēng)多裂縫系統(tǒng)。該預(yù)測(cè)結(jié)果與本文參考文獻(xiàn)[3]的有限元模擬計(jì)算結(jié)果比較一致。運(yùn)用該圖可以用來(lái)預(yù)測(cè)定向射孔水力壓裂裂縫形態(tài)，為現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工提供參考。但鑒于實(shí)際地層因素和完井因素的影響，實(shí)際的臨界射孔角度可能會(huì)有所變化。

3　結(jié)論和建議

1)定向射孔方位角和水平應(yīng)力差對(duì)人工水力裂縫的起裂和形態(tài)有重大影響，定向射孔水力壓裂所形成的人工水力裂縫不會(huì)完全是一條規(guī)則的裂縫，而是整體上形狀復(fù)雜的非對(duì)稱(chēng)多裂縫系統(tǒng)。且由于實(shí)際地層的非均勻性和固井、完井因素的影響，人工水力裂縫的形態(tài)將會(huì)更加復(fù)雜。

2)對(duì)于水平應(yīng)力差較小的地層，人工水力裂縫一般沿著定向射孔方向起裂；但對(duì)于水平應(yīng)力差較大的地層，則將會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)多裂縫系統(tǒng)或穿過(guò)微環(huán)面的雙翼平直裂縫。

3)在進(jìn)行定向射孔時(shí)，通過(guò)提高原場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量的精度和定向射孔的定向精度。將定向射孔方位角控制在較小角度，優(yōu)化固井、完井質(zhì)量，將有利于避免產(chǎn)生形態(tài)復(fù)雜的人工水力裂縫，達(dá)到降低壓裂施工難度和壓裂增產(chǎn)效果的最優(yōu)化。

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本文作者：姜滸  劉書(shū)杰  何保生  陳勉  張廣清

作者單位：中海油研究總院

  “油氣資源與探測(cè)”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)石油大學(xué)