基于交错定面射孔的近井筒裂缝扩展规律物理模拟

王滨，李军，柳贡慧，李东传，盛勇，颜辉

（1.中国石油大学（北京），北京 102249；2.北京工业大学，北京 100124；3.中国石油大庆油田采油工程技术研究院，黑龙江大庆 163000；4.吉林双林射孔器材有限责任公司，吉林吉林 132000）

0 引言

射孔技术作为压裂完井的核心环节，近年来发展迅速，随着油气开发向页岩气、致密气、煤层气等非常规油气扩展，射孔在打开油套管、连通井筒与地层的同时，可以控制裂缝走向、促进缝网形成、实现体积压裂[1-6]，受到研究人员的高度关注。

进行长直水平井大规模分段射孔压裂时，常用的射孔方式有螺旋射孔、定向射孔和定面射孔，可起到降低起裂压力、控制主缝形态有序扩展、促进缝网形成的作用[7-12]，如采用定面射孔技术结合等孔径深穿透射孔弹可对压裂缝高进行控制，避免在近井筒区域过早穿层；采用定向射孔技术对出砂严重的水平井沿应力差异最小方向射孔，可改变近井筒地层流体流动形态，使应力均匀分布，减轻出砂。综合以上 3种方法采用多级复合射孔技术可获得高穿深孔缝，缓解水平井近井筒区域污染严重以及井筒轨迹偏离储集层等问题。但目前由于射孔时孔周裂缝物理形态复杂、连通形式多样、形成机理和扩展规律不明等原因，上述方法普遍存在理论及实验依据欠缺、使用效果稳定性差、应用范围窄等诸多不足，严重限制了非常规油气储集层及复杂常规油气储集层资源的高效稳定开发，因此如何通过优化射孔方式及参数来实现对近井筒裂缝的控制，进而促进压裂改造效果的提升仍是射孔压裂领域的重要难题。

本研究首先对射孔压裂全过程进行了3阶段划分，并对各阶段裂缝发育特点进行分析，进而在常规射孔方式的基础上，提出交错定面射孔的概念，然后采用两种型号射孔弹设计并进行大型岩靶射孔实验，模拟页岩中交错定面射孔过程，对射孔“瞬间”近井筒裂缝形态、形成机理以及不同定面夹角与交错角组合下的扩展规律进行研究，最后基于上述研究成果对近井筒裂缝控制方法进行探讨。

1 交错定面射孔概念

1.1 射孔压裂各阶段裂缝发育特点及常规射孔方式不足

为提出交错定面射孔的概念，首先需要对射孔压裂各阶段裂缝发育特点进行研究。水平井射孔压裂过程可分为 3个阶段：①近井筒裂缝形成阶段，射孔时伴随孔道形成，孔周发育的大量微裂缝会通过应力集中效应连通扩展，形成复杂的近井筒孔周裂缝，由于射孔时高能量会在短时间内释放[13-15]，近井筒裂缝的形成主要受射孔方式及参数决定，地应力影响较小；②压裂主裂缝形成阶段[16-17]，射孔结束后进行水力压裂，近井筒裂缝进一步扩展汇聚形成主裂缝，同时在地应力作用下发生扭曲转向，最终沿着垂直于最小主地应力的方向延伸，此阶段射孔影响减弱，地应力影响增强；③压裂缝网形成阶段[18]，各主裂缝在水力驱动下沿垂直最小主地应力的方向扩展，同时受到地层局部地应力变化、储集层非均质性、天然裂缝等因素影响，不断发生分叉、转向、交会行为，最终形成复杂缝网，此阶段射孔影响最弱。所以，第 1阶段近井筒裂缝形态和扩展规律对压裂主缝的形成与扩展影响重大，为了增加泄油面积及避免压裂主缝过早交叉串通等问题，近井筒裂缝在垂直于井筒轴线且均匀分布在井筒四周的情况下，可以在第2和第3阶段压裂时快速连通汇聚成垂直井筒轴线的横切主缝并均匀扩展，从而减缓近井筒效应，实现“控近扩远”。

目前常规射孔方式（如螺旋、定向、定面射孔等）难以满足以上要求，主要原因在于采用螺旋射孔时，各射孔相对孤立，孔周微裂缝形成和扩展随机性强，彼此之间连通性差，难以形成形态及扩展方向可控的近井筒裂缝；采用定向射孔时，随着射孔方位角变化，射孔穿深波动剧烈，孔周微裂缝及近井筒裂缝多平行于井筒轴线方向，难以形成横切主缝；采用定面射孔时，同一定面内射孔联系紧密，易形成局部扇形近井筒横切裂缝面，但不同扇形横切裂缝面间连通扩展随机性强，难以进行有效控制，压裂时常出现主缝扩展失控等现象。

1.2 交错定面射孔

为实现对近井筒裂缝的有效人工控制，加强各射孔之间的联系，促使孔周微裂缝有序连通扩展，提出了一种新的射孔概念：交错定面射孔（见图1）。其中定面夹角表示同一定面内相邻两发射孔弹之间的角度，类似于螺旋射孔中的相位角；定面交错角为相邻定面首发射孔弹之间的角度。交错定面射孔在常规定面射孔基础上引入了定面交错角，使 3发射孔所构成的相邻定面形成交错，既可以保证常规定面射孔中同一定面内射孔联系紧密、孔周微裂缝易连通的优势，又可增强相邻定面间射孔的联系，促使孔周微裂缝在定面间连通，有利于形成有序连通扩展的近井筒裂缝。

为了表达简洁、便于理解，图1将同一定面内 3发射孔弹布置在同一个平面上，与实际操作不完全相符。实际布孔时，同一定面内 3发射孔弹在射孔枪中从上到下连续布置，若将垂直于井筒的平面看作基准面，则从上到下第1发射孔弹孔道向下倾斜10°～13°，与基准面夹角为 10°～13°；第 2发射孔弹孔道垂直于井筒，与基准面夹角为0°；第3发射孔弹孔道向上倾斜10°～13°，与基准面夹角为10～13°，3发射孔弹孔道近似构成一个平面。

2 交错定面射孔打靶实验

为进一步探究交错定面射孔近井筒裂缝形态、形成机理和扩展规律，设计了大型射孔打靶实验（见图2），采用两种型号射孔弹在 4块岩靶上进行射孔，模拟交错定面射孔过程，射孔结束后劈开靶体，对射孔孔道和近井筒裂缝进行观测。

图1 交错定面射孔方式及参数示意图

图2 交错定面射孔打靶实验装置示意图及射孔后靶体照片

两种射孔弹采用油田常用的吉林双林射孔弹厂生产的深穿透DP44RDX38-1射孔弹和大孔径GH46RDX43-1射孔弹，深穿透射孔弹孔径小穿深大，大孔径射孔弹孔径大穿深小，射孔效果区别明显，其中深穿透射孔弹标准靶孔径约11 mm、穿深约1.5 m，大孔径射孔弹标准靶孔径约20 mm、穿深约0.8 m。

4块岩靶编号为115#—118#，由水灰砂比为0.52∶1.00∶2.50的水泥砂浆浇筑而成，整体均质，由于实验条件所限，岩靶中未设置天然裂缝和层理面，岩靶均为高1.4 m、直径2.5 m的圆柱体，有效射孔段长1 m。靶体中心预留套管，套管外径为 139.7 mm，壁厚 9.7 mm，射孔枪在套管中居中放置，套管外壁直接和靶体相连。4块岩靶单轴抗压强度为35.2～37.6 MPa，弹性模量为39.5～41.7 GPa，泊松比为0.29～0.31，与页岩力学性质相近，可用来近似模拟1 000～3 000 m垂深的页岩。

4支射孔枪编号为115#—118#，分别对应115#—118#岩靶，每支枪有效射孔段长为1 m，均布弹15发，从上到下设置5组定面，每组定面由3发弹组成，依次编号为 1#—15#射孔；相邻定面轴向上间距为 200 mm（定面间距为200 mm时射孔近井筒裂缝扩展规律明显、弹间干扰小、弹间联系密切），所有定面均近似垂直于井筒轴向。115#枪选用大孔径 GH46RDX43-1射孔弹，定面夹角为60°，从上到下5组定面交错角分别为 30°、60°、90°和 120°；116#枪选用深穿透DP44RDX38-1射孔弹，定面夹角和交错角与115#枪相同；117#枪选用大孔径GH46RDX43-1射孔弹，定面夹角为90°，从上到下5组定面交错角分别为45°、90°、135°和180°；118#枪选用深穿透DP44RDX38-1射孔弹，定面夹角和交错角与 117#枪相同。实验后劈开靶体，用红色颜料对部分孔道进行标注，用黄色颜料对部分孔周裂缝进行标注。

3 实验结果分析

3.1 近井筒裂缝形成机理

观测 115#—118#靶可发现，射孔弹射入岩石形成孔道的同时会生成孔周微裂缝[15]，按照与射孔之间的关系可将这些微裂缝分为 3种类型：①Ⅰ型微裂缝，即径向微裂缝（见图3a—3c），裂缝面沿射孔孔道延伸方向（井筒径向）扩展，射孔孔道对其具有良好的控制作用。Ⅰ型微裂缝在孔周最为常见，砂岩靶单发射孔时会更加明显（见图3c）；②Ⅱ型微裂缝，即斜交微裂缝（见图3d—3e），裂缝面与射孔孔道延伸方向成角度相交，射孔孔道对其扩展控制作用降低；③Ⅲ型微裂缝，即射孔尖端发散微裂缝（见图3f），当射孔尖端有杵堵发生时生成该类型裂缝，Ⅲ型裂缝出现概率低、规模小、形态复杂、没有规律，故未作示意图。本研究中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型微裂缝有别于断裂力学中定义的Ⅰ型张开裂缝、Ⅱ型剪切裂缝和Ⅲ型撕开裂缝。

图3 孔周Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型微裂缝示意图

这 3种微裂缝相互连通可形成形态复杂的近井筒裂缝及缝网，如图4所示：①当孔周Ⅰ型微裂缝相互连通时，会形成Ⅰ-Ⅰ型平整裂缝，此时射孔孔道间相互作用强，射孔孔道对缝面扩展控制能力较强；②当孔周Ⅰ型与Ⅱ型微裂缝连通时，会形成Ⅰ-Ⅱ型扭曲裂缝，此时射孔孔道间相互作用减弱，射孔孔道对缝面扩展控制能力降低；③当孔周Ⅱ型与Ⅱ型微裂缝连通时，会形成与射孔孔道成角度斜交的Ⅱ-Ⅱ型裂缝，此时射孔孔道间相互作用最弱，射孔孔道对缝面扩展控制能力快速下降；④当多个Ⅰ-Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ和Ⅱ-Ⅱ型裂缝共存时，会形成复杂的近井筒裂缝网。由于Ⅲ型微裂缝出现频率低规模小，因此不作研究。

图4 近井筒Ⅰ-Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ-Ⅱ型裂缝及裂缝网示意图

3.2 近井筒裂缝扩展规律

3.2.1 深穿透射孔弹近井筒裂缝扩展规律

深穿透 DP44RDX38-1射孔弹药型罩开口锥角较小，形成的高能金属液流细长，能量释放相对集中，使各射孔孔道形成时孔周以发育Ⅰ型微裂缝为主，Ⅱ型微裂缝发育较少，孔道普遍完整，很少发生折断，套管周围井壁岩石基本完好。当定面夹角为60°、定面交错角为30°时（见图5a—图5c），同一定面内的3个射孔在环向上连通性较差，彼此之间相互独立，而相邻定面间邻相位上的两个射孔会通过Ⅰ-Ⅰ型裂缝面连通，当多个Ⅰ-Ⅰ型裂缝同时存在时则形成近似垂直井筒轴线的菱形横切裂缝，该菱形横切裂缝沿着孔道延伸方向向岩石深部扩展，此过程中Ⅰ-Ⅰ型裂缝几乎不发生扭曲，Ⅰ-Ⅱ型裂缝很少出现（未在图中标识）。

随着定面交错角增大为 60°、90°和 120°，相邻定面间同相位或邻相位射孔孔道之间的Ⅰ-Ⅰ型裂缝逐渐减少，在平行或近似平行于井筒轴线的方向进一步向前扩展，部分Ⅰ-Ⅰ型裂缝面会扭曲变形为Ⅰ-Ⅱ型裂缝面，或被孔周Ⅱ型微裂缝连通形成的Ⅱ-Ⅱ型裂缝所折断，导致射孔孔道逐渐失去对近井筒裂缝的控制，扩展方向更加随机，难以形成垂直于井筒的横切裂缝（见图5d—图5f）。

图5 116#页岩靶近井筒裂缝扩展形态（定面夹角60°，深穿透射孔弹）

定面夹角为 90°，定面交错角分别为 45°、90°、135°、180°时，射孔孔道间空间距离变大，使得同一定面内3个射孔在环向上基本不再出现Ⅰ-Ⅰ型裂缝，相邻定面间同相位及邻相位射孔间的Ⅰ-Ⅰ型裂缝也大量减少，而不相邻定面间同相位及邻相位上射孔则开始形成平行或近似平行于井筒轴线的横跨多定面的Ⅰ-Ⅰ型裂缝（见图6）。

3.2.2 大孔径射孔弹近井筒裂缝扩展规律

大孔径 GH46RDX43-1射孔弹由于炸药量增加，药型罩开口锥角增大，使得形成的高能金属液流短粗，能量释放相对发散。定面夹角为 60°，定面交错角为30°和 60°时，射孔孔道空间距离较近，使得各孔道形成时呈现出炸碎现象，实验中的明显表征为射孔孔道被折断、穿深减小，孔道周围存在扭曲裂缝，套管周围井壁岩石破碎严重，靶体出现大规模碎裂。这些现象说明在孔道的形成及延伸过程中，孔周发育大量Ⅰ型和Ⅱ型微裂缝，部分Ⅰ、Ⅱ型微裂缝会向岩石深部随机扩展，导致孔道折断、裂缝扭曲，另一部分Ⅰ、Ⅱ型微裂缝则会相互连通形成Ⅰ-Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ和Ⅱ-Ⅱ型裂缝，最终三者共存形成孔周裂缝网，使靶体发生碎裂（见图7a—图7c）。个别射孔孔道发育Ⅲ型微裂缝，进一步加剧了近井筒裂缝网的复杂性。

图6 118#页岩靶近井筒裂缝扩展形态（定面夹角90°，深穿透射孔弹）

随着定面交错角增大为90°和120°，各孔道炸碎现象减弱，有形态完好的孔道出现，说明孔周Ⅱ型微裂缝减少。同时相邻定面射孔有较为完整的与射孔孔道延伸方向重合或近似重合的Ⅰ-Ⅰ型裂缝出现，部分Ⅰ-Ⅰ型裂缝相互连通形成近似垂直于井筒轴线的横切裂缝，但很快发生扭曲演变为Ⅰ-Ⅱ型裂缝（见图7d—图7f）。

定面夹角增大为90°，射孔孔道空间距离增大，独立性增强，孔周同时发育Ⅰ、Ⅱ型微裂缝并随机扩展，当交错角为45°和90°时，相邻两组定面邻相位射孔孔道会通过Ⅰ-Ⅰ型裂缝连通，裂缝沿着孔道延伸方向扩展，并与孔周Ⅱ型微裂缝连通逐渐演变成Ⅰ-Ⅱ型裂缝，最终以随机发散状向岩石深部扩展（见图8a—图8c）。

如图8d—图8f所示，定面交错角增大为 135°和180°时，射孔孔道独立性进一步增强，大部分射孔之间不再相互连通，孔周Ⅰ型和Ⅱ型微裂缝发育扩展更加随机发散，个别射孔孔道间出现少量小型平行裂缝，近井筒裂缝更加扭曲，一些孔道被孔周Ⅱ型微裂缝所折断。

3.2.3 不同定面夹角和交错角组合下近井筒裂缝扩展规律

综合分析图5—图8，对两种型号射孔弹采用不同定面夹角和交错角组合时近井筒裂缝扩展规律进行总结。采用深穿透 DP44RDX38-1射孔弹：①定面夹角60°、交错角为 30°时，形成垂直井筒轴向的菱形横切裂缝；②定面夹角60°、交错角为60°时，相邻定面的射孔形成平行井筒轴向的小型平行裂缝；③定面夹角60°、交错角为90°或120°时，射孔能量释放更加发散，孔周出现随机发散裂缝，少部分射孔孔道通过Ⅰ-Ⅱ型裂缝连通，此时类似螺旋射孔；④定面夹角90°，交错角为 45°、90°、135°、180°时，非相邻定面射孔间形成平行井筒轴向的大型平行裂缝，类似于定向射孔，用图9表示5组定面的扩展规律。

采用大孔径 GH46RDX43-1射孔弹射孔：①定面夹角60°，交错角为30°、60°时，形成近井筒裂缝网，近井筒区域岩石在射孔弹爆轰时被炸碎；②定面夹角60°，交错角为 90°、120°，以及定面夹角 90°，交错角为 45°、90°时，出现垂直井筒的小型横切裂缝，但很快发生扭曲变形；③定面夹角90°，交错角为135°、180°时，射孔彼此独立，射孔能量释放更加发散，出现少量小型平行裂缝，类似螺旋射孔（见图10）。

图7 115#页岩靶近井筒裂缝扩展形态（定面夹角60°，大孔径射孔弹）

图8 117#页岩靶近井筒裂缝扩展形态（定面夹角90°，大孔径射孔弹）

图9 不同定面夹角和交错角组合时深穿透射孔弹近井筒裂缝扩展规律

图10 不同定面夹角和交错角组合时大孔径射孔弹近井筒裂缝扩展规律

4 近井筒裂缝人工控制方法

4.1 近井筒裂缝人工控制原理

对于不同型号射孔弹，改变定面夹角和交错角组合时，近井筒裂缝呈现出特定的形态和扩展规律，对后续压裂改造产生重大影响。对于不同特点的非常规油气储集层，可尝试采用交错定面射孔方式，优选射孔弹型号以及定面夹角和交错角组合以形成所需的近井筒裂缝，从而最大限度影响并控制后续压裂主缝的形成与扩展，更好地进行压裂改造。

4.2 近井筒裂缝人工控制方法

①促进形成近井筒360°横切裂缝。对于地质条件良好、倾角变化较小、厚度较大的页岩储集层，垂向上井筒轴线一般穿过储集层中部，通常需要形成垂直井筒轴向的横切主缝，从而减缓近井筒效应，控近扩远。采用深穿透射孔DP44RDX38-1射孔弹，取定面夹角60°、交错角30°，各定面采用螺旋单向环绕井筒排布方法，可实现这一目标（见图11），射孔爆轰时近井筒附近相邻定面间会通过菱形横切裂缝连通并环绕井筒一周，在后续压裂时近井筒 360°横切裂缝更易扩展发育成环绕井筒的大型横切主缝。

②促进形成近井筒定向横切裂缝。对于地质条件特殊、倾角变化较大或有特殊工程需求的页岩储集层，井筒轴线有时会从储集层上方或下方穿过，通常需要裂缝偏向储集层一侧发育，从而最大限度利用水力能量，提高产能。此时采用深穿透射孔DP44RDX38-1射孔弹，取定面夹角60°、交错角30°，各定面采用连续“之”字形在井筒一侧双向排布，可实现这一目标（见图12），射孔爆轰时近井筒附近相邻定面间会通过菱形横切裂缝连通并在井筒一侧按照“之”字形发生扭转，形成近井筒定向横切裂缝，在后续压裂时易扩展发育成偏向井筒一侧且控制一定周向角度的大型横切主缝。

图11 定面螺旋单向布孔及主缝发育示意图

③促进形成近井筒多向横切裂缝。井筒轴线通常难以准确贯穿地质条件复杂、倾角变化剧烈的页岩储集层，常偏向于储集层一侧或穿出，这种情况下需要主缝扩展方向能“紧跟”储集层位置。此时采用深穿透射孔DP44RDX38-1射孔弹，取定面夹角60°、交错角30°，各定面根据储集层位置混合采用螺旋单向和连续“之”字形双向排布方法，可实现这一目标（见图13）。

图12 “之”字形井筒一侧双向布孔及主缝发育示意图

图13 混合布孔及主缝发育示意图

④促进形成近井筒缝网。对于薄差层、含边底水油气层、稠油油层和出砂油气层等复杂储集层，通常需要通过射孔直接在井壁上获取更大的过流面积，降低储集层破裂压力，形成近井筒缝网系统。此时采用大孔径GH46RDX43-1射孔弹，取定面夹角60°、交错角30°，各定面采用螺旋单向环绕井筒排布方法，可达到该效果。该射孔参数下由于射孔弹距离较近，能量释放集中，孔周岩石会在射孔爆轰时发生碎裂，从而直接形成近井筒缝网。

5 结论

通过在常规定面射孔基础上引入定面交错角这一射孔参数，使相邻 3发射孔所构成的定面形成交错，同一定面内及相邻定面间射孔均联系更加紧密，射孔孔道间相互作用更强，易形成连通裂缝并有序扩展。

交错定面射孔时孔周发育 3种微裂缝，分别是Ⅰ型径向微裂缝、Ⅱ型斜交微裂缝和Ⅲ型射孔尖端发散微裂缝，这 3种微裂缝相互连通会形成形态复杂的近井筒裂缝。由于不同型号射孔弹采用不同定面夹角和交错角组合射孔时，近井筒裂缝形态和扩展规律不同，根据油气藏特点调整射孔弹型号及定面夹角和交错角组合，定面按照一定方式排布，可人工促进形成所需的近井筒裂缝，从而增强了对近井筒裂缝形态及扩展的控制能力，有利于进一步压裂时获得所需的压裂主缝。