【摘要】：為了探究直井水力壓裂過程中定向射孔參數(shù)對壓裂裂縫擴展規(guī)律的影響,采用擴展有限元方法對水壓致裂巖石的流固耦合模型進行求解,從射孔方位、射孔長度和射孔相位角3個方面分析了裂縫自射孔孔眼起裂的擴展和轉(zhuǎn)向規(guī)律。研究結(jié)果表明:射孔方位對裂縫周圍地層壓力分布幾乎沒有影響;射孔方位角較小的孔眼具有較低的起裂壓力和較高的擴展壓力,壓裂后容易形成長而寬的裂縫;射孔方位角較大的孔眼則具有較高的起裂壓力和較低的擴展壓力,壓裂后容易形成短而窄的裂縫;隨著射孔長度的增加,重新定向距離逐漸增長,在轉(zhuǎn)向處易形成相對較寬的裂縫;射孔相位角過小容易引發(fā)裂縫干擾,射孔方位角較小的裂縫優(yōu)先擴展并對后擴展的裂縫產(chǎn)生較強的抑制作用。在施工時,為獲得較好的改造效果,應(yīng)盡量選擇小方位射孔;為避免縫間干擾,射孔相位角應(yīng)大于45°。
【圖文】：

，有效射孔方位角范圍為30~60°［3］。因此，模擬分析了30°與60°方位角射孔條件下，地層孔隙壓力、裂縫內(nèi)流體壓力以及縫寬和縫長隨壓裂時間的變化關(guān)系，模擬結(jié)果見圖3—6。a數(shù)值模擬結(jié)果b物理模擬實驗結(jié)果［3］圖2射孔方位角為60°時，數(shù)值模擬與實驗結(jié)果對比對比圖3a與圖3b可知：在30°與60°方位角射孔條件下，地層壓力在裂縫周圍未發(fā)生明顯變化；裂縫轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)的地層壓力值最大，近裂縫區(qū)呈尖核狀分布，遠離裂縫區(qū)逐漸呈橢圓狀分布，且離裂縫越遠，地層壓力變化越校a方位角30°b方位角60°圖330°與60°方位角射孔條件下地層壓力分布由圖4可知，裂縫內(nèi)流體壓力隨壓裂時間快速增加，達到地層破裂壓力之后，流體壓力迅速降低，最終趨于平穩(wěn)。當時間為0~15s時，在井筒附近，60°射孔裂縫內(nèi)的流體壓力高于30°射孔內(nèi)的流體壓力———說明射孔方位越大，地層發(fā)生破裂所需的壓力越大。隨著壓裂時間的增長（大于15s），60°射孔裂縫內(nèi)的壓力低于30°射孔裂縫內(nèi)的壓力———說明60°射孔裂縫內(nèi)的流體受到摩擦阻力的影響較大，阻礙了裂縫內(nèi)的壓力傳導，造成了壓力損失。裂縫寬度與裂縫橫向張開位移的關(guān)系為wf=u+-u-（9）式中：wf為裂縫寬度，m；u+為裂縫上表面的節(jié)點位移，參數(shù)模型尺寸/m0.3×0.3×0.310.0×10.0×30.0井筒半徑/m0.0150.200射孔長度/m0.20.3彈性模量/GPa8.40225.000泊松比0.230.25最小水平主應(yīng)力/MPa120最大水平主應(yīng)力/MPa430巖樣滲透率/μm20.1×10-31.0×10-9孔隙度/%1.855.00孔隙壓力/MPa30抗拉強度/MPa2.592.00斷裂韌度/（MPa·m1/2）5注入速率/（m3·s-1）2.10×10

斷塊油氣田2017年5月m；u-為裂縫下表面的節(jié)點位移，m。圖4裂縫內(nèi)流體壓力隨時間的變化關(guān)系由圖5可知，無論是裂縫上表面還是裂縫下表面節(jié)點位移，30°方位角射孔的裂縫都高于60°方位角射孔的裂縫。因此，30°方位角射孔條件下的裂縫擴展寬度明顯大于60°方位角下裂縫的擴展寬度。a裂縫上表面b裂縫下表面圖5裂縫張開位移隨時間的變化關(guān)系由圖6可知，30°方位角下射孔形成的裂縫長度大于60°的裂縫長度。上述研究表明：射孔方位較小的孔眼起裂壓力低，在井眼附近易形成較小曲率的裂縫，這樣有利于降低注入壓力和流動阻力，從而易形成長而寬的裂縫；射孔方位較大的孔眼，起裂壓力高，易形成較大曲率的裂縫，壓裂液在其中流動時，會產(chǎn)生較大的摩擦阻力與壓降損失，不利于流體流動與壓力傳導，其結(jié)果可能導致支撐劑沉降、砂堵，甚至造成壓裂施工的失敗。圖6裂縫半長隨時間的變化關(guān)系3.2.2射孔長度合適的射孔長度有利于穿過近井污染區(qū)，減小井筒效應(yīng)對裂縫起裂擴展的影響［13］。選取射孔長度與井筒半徑的比值，衡量射孔長度裂縫形態(tài)的影響。本文共進行6個計算模型的模擬，比值分別取1.0，1.5，2.0，3.0，4.0，5.0，射孔方位為45°。結(jié)果表明，射孔長度與井筒半徑的比值越大，重新定向的距離越大，并在轉(zhuǎn)向處形成較寬的裂縫，有利于壓裂液的流入與支撐劑的填充。3.2.3射孔相位角在壓裂施工過程中，為了保證達到預(yù)期壓裂效果，一般傾向于選擇較小的射孔相位角，如30°，45°或60°。當射孔相位角為30°時（見圖7），優(yōu)先擴展的裂縫會對后擴展的裂縫產(chǎn)生很強的限制作用，迫使射孔方位較大的裂縫發(fā)生不規(guī)則轉(zhuǎn)向，，并向低射孔方位方向延伸，從而導致不能形成有效
【作者單位】： 西安石油大學石油工程學院;中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院;
【基金】：國家自然科學基金面上項目“頁巖氣藏水平井液態(tài)氣動力壓裂增產(chǎn)新方法研究”(51374170) 陜西省教育廳省級重點實驗室項目“低滲透油藏注氣(氮氣、二氧化碳)提高原油采收率技術(shù)研究”(09JS036)
【分類號】：TE357.1

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本文編號：2548188