径向钻孔在体积压裂井中的应用

李 杨

径向钻孔在体积压裂井中的应用

李 杨

（中国石油 辽河油田钻采工艺研究院，辽宁 盘锦 124010）

非常规能源地质储量巨大，有效开发必须通过体积压裂技术使人工裂缝复杂化。但由于体积压裂对储层工程品质要求较高，往往井周地应力差大导致人工裂缝复杂程度不够，使得压裂效果差。通过分析前人对井周裂缝起裂偏转的研究，利用ABAQUS数值模拟径向钻孔孔眼诱导应力场，发现多孔下井周应力场发生逆转，有利于压裂裂缝复杂化。并通过大型真三轴物模实验对这一理论进行验证，确定了一定夹角的多径向孔眼有利于人工裂缝复杂化。本文对指导非常规油藏体积压裂井的工艺选择，具有十分重大意义。

径向钻孔；体积压裂；转向；裂缝复杂化；地应力

中国非常规油气藏开发潜力巨大，但受制于常规压裂双翼缝改造程度低，压后效果较差，难以获得有效的经济开发。体积压裂改造技术[1]的裂缝起裂模型突破了传统经典模式，不再是单一的张性裂缝起裂与延伸，而是复杂化缝网的起裂与扩展形态。达到复杂化缝网的储层品质要求比较高，因此较多低渗超低渗储层体积压裂所获得的改造体积较小，人工裂缝复杂程度较低。本研究在前人对井筒附近水力裂缝空间转向研究[2]基础上，发现井筒附近应力场的变化能改变水力裂缝的转向，从而达到复杂化。因此，引入径向钻孔技术[3]，利用孔眼井周应力集中诱导井周地应力发生逆转，再结合体积压裂工艺，从而提高人工裂缝的复杂程度。

1 径向钻孔

1.1 钻孔孔眼应力分布数值模拟

径向钻孔是利用高压水射流的冲蚀破岩作用，对油层套管、水泥环、储层岩石实施定点定向水力喷射钻孔，一般孔眼深度为10~25 m，最高可达100 m，孔眼直径为25~50 mm不等。由于径向钻孔孔眼延伸距离长，可以视作为小型测试压裂所能达到的效果，且能够按照一定角度进行延伸，因此，数学模型可以忽略套管、水泥环对井周应力的影响，单独分析孔眼井周应力。应用ABAQUS模拟软件[4]模拟不同地应力差参数下水力压裂扩展应力以及水力压裂裂缝周围应力场，如图1所示。

从图1中可以看出，径向钻孔孔眼尖端出现应力集中。而压裂人工裂缝起裂的压力是指定向水力射孔压裂时水力射孔孔道发生破裂时，水力射孔孔道内流体的压力大小。定向水力射孔压裂裂纹的起裂判断、地层岩石破裂的判断准则很多，因为岩石的抗拉应力强度小于岩石的抗压应力强度和岩石的抗剪切应力强度，岩石的抗剪切应力强度最大。通常一般采用最大拉应力准则，孔眼尖端的应力集中导致裂缝首先从此起裂，并展开延伸。

1.2 真三轴物模实验

软件数值模拟是基于储层岩石为均质、各向同性的线弹性体材料，同时忽略渗流的影响，建立钻孔井周应力模型，与真实情况有多大差异，需要进一步验证。因此，利用水泥、砂、岩心按一定混合比例制备成400 mm×400 mm的岩样，同时施加三轴应力模拟地下工况，研究钻孔对压裂裂缝形态的影响。以4孔岩样实验为例，如图2所示，在不同角度下的人工裂缝起裂及延伸发生一定偏转，使得裂缝复杂化。实验结果如表1所示。

表1 同层4钻孔夹角裂缝扩展实验与模拟结果对比表

图2 试样岩心及压裂裂缝形态

径向钻孔同层多钻孔压裂时，当两径向钻孔夹角小于60°时，裂缝沿着径向钻孔起裂，并随着裂缝的延伸逐渐转向最大主应力方向。当两径向钻孔夹角大于60°时，出现沿最大主应力方向径向钻孔优先破裂，而另一径向钻孔未发生破裂或者裂缝扩展效果差。当两径向钻孔夹角小于30°时，两径向钻孔之间裂缝起裂干扰，钻孔起裂裂缝发生拐折转向现象，但未发生与裂缝交叉现象。径向钻孔之间的间距越小，干扰应力场作用影响越明显，径向钻孔对于引导裂缝定向起裂、扩展的影响越小，裂缝更容易发生转向。

2 体积压裂井的应用

2.1 体积压裂

体积压裂[5]是在水力压裂的过程中，通过在主裂缝上形成多条分支缝或者沟通天然裂缝，最终形成不同于常规压裂的复杂裂缝网络，增加井筒与储集层接触体积，改善储集层的渗流特征及整体渗流能力，从而提高压裂增产效果和增产有效期。

非常规油气藏体积压裂能形成复杂缝网所需的工程品质三要素为天然裂缝、应力差、脆性。而较多低渗透、超低渗透储层天然裂缝并不发育，最大最小主应力差高于7 MPa，针对这样井进行体积压裂改造，所产生的人工缝网有限，裂缝的复杂化程度有限。径向钻孔技术在人为基础上在井眼周围开辟出多角度的短裂缝，再通过相互应力干扰，产生诱导应力，使得井周最大最小主应力发生较大变化，从而达到体积压裂所需要的工程品质。

2.2 典型井例

LH油田H8井为低渗透油藏，有效孔隙度小于7%，渗透率小于0.1 mD。本井设计径向钻孔，如表2所示。钻孔后进行复合体积压裂，施工排量为 6~10 m3·min-1，总液量612 m3，加砂60 m3。压后水力泵排液日产压裂液24.4 m3，日产油9.44 m3。同比较邻井h18-18井体积压裂日产压裂液14.42 m3，日产油3.58 m3，产量提高2.63倍，取得较好压裂效果。

表2 H8井径向钻孔参数

3 结 论

1）径向钻孔孔眼尖端能形成应力集中，产生诱导应力，改变井周应力分布情况。

2）通过对比数值模拟和物模实验下，多径向孔夹角小于30°时，两径向钻孔之间裂缝起裂干扰，钻孔起裂裂缝发生拐折转向现象。

3）径向钻孔有助于体积压裂产生更复杂的人工缝网，从而提高非常规油气藏改造效果。

[1] 吴奇，胥云，王晓泉，等.非常规油气藏体积改造技术——内涵、优化设计与实现[J].石油勘探与开发，2012，39（3）：352-358.

[2] 张广清，陈勉，王强. 低渗透油藏径向钻孔技术增产机理研究[J].石油大学学报，2004, 28（4）：51-55.

[3] 施玉.径向钻孔技术在大民屯低渗透油藏的应用[J].中外能源，2017（4）：47-50.

[4] 李小龙，肖雯，李建雄，等.定向射孔水力压裂起裂压力的预测模型[J].石油学报，2013，34（3）：556-562.

[5] 张子明，苏建，李玉印，等. 变质岩潜山体积压裂技术探索与实践[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

中国石油股份公司重大科技专项，辽河油田原油千万吨持续稳产关键技术研究（项目编号：2017E-1605）。

2020-03-24

李杨（1988-），男，湖北省荆州市人，工程师，硕士研究生， 2012年毕业于中国石油大学（北京）油气井工程专业，研究方向：石油工程岩石力学及储层改造。

TE348

A

1004-0935（2020）09-1159-03