射孔参数对砂砾岩储层压裂的影响

贾文婷 牟建业 李小伟 王新亮 张士诚 王丽峰

摘要：砂砾岩油藏具有应力差大、破裂压力高的特点，导致造缝难度大，如何降低破裂压力是安全压开储层的关键。将水泥与石英砂按3∶1 混合并随机混入不同直径的鹅卵石和细碎石粒，制作边长300 mm 的人造砾岩，使用水力喷砂射孔枪进行射孔，通过改变角度0～90°、深度1.5～6 cm 模拟现场不同射孔方位角和炮眼深度，根据现场数据设置实验三向应力分别为9.4、19.3、24.8MPa，排量为 50 mL/min，压裂液黏度为45 mPa·s，开展室内水力压裂实验，分析射孔角度和射孔深度对裂缝起裂及破裂压力的影响。研究结果表明，射孔方向与最大水平主应力夹角为0°时破裂压力最低，为11.9 MPa，减小射孔方位角能够降低破裂压力3.55MPa；射孔深度由1.5 cm 增加至6.1 cm，破裂压力降低了4.63 MPa；当射孔孔眼附近存在砾石，破裂压力异常增高约10 MPa。建议通过合理优化射孔方位角，适当增加射孔深度，同时遴选砾石粒径较小且分选性较好的层段进行施工，提高压裂改造成功率。研究成果为制定玛湖射孔方案提供了参数优选的依据。

关键词：水力压裂；射孔完井；真三轴实验；砂砾岩储层；破裂压力

中图分类号：TE357.1 文献标识码： A

0 引言

新疆玛湖油田是全球规模最大的十亿吨级砾岩油田，目前获三级储量12.4×108 t［1］。随着勘探开发的不断深入，玛湖凹陷下三叠统百口泉组砂砾岩储层成为重点勘探开发层系（百一段和百二段油层为主）［2］，其储层具有埋藏较深、油藏物性差、非均质性较强、水平应力差大的特点，需要进行压裂改造才能实现油气资源的输出。以玛18 井区为例，储层岩性以灰绿色-褐色砂砾岩为主，夹棕灰色含砾泥岩，砾石体积分数为12%～94%，且硬度较高，粒径变化范围较广（2～64 mm），分选性较差［3］。采用桥塞分段+水平井分簇射孔分压工艺进行压裂改造过程中面临地层破裂压力高、裂缝起裂困难等问题［4］，导致地层压开难度大，压裂改造成功率低，如何有效降低地层破裂压力是成功实施压裂改造的关键。

酸液预处理、优化射孔、喷砂射孔、高能气体压裂等压前预处理措施，已被证实能有效降低地层破裂压力［5］。其中酸液预处理技术通过酸液与岩石矿物发生溶蚀反应，从微观上改变岩石自身物性、矿物组分，宏观上破坏胶结结构，使岩石强度降低，从而达到降低破裂压力的目的［6］，然而若用酸种类不当、用酸浓度过高或酸处理时间过长，易出现酸处理不充分或酸处理过度而造成岩石骨架坍塌等问题，不利于安全生产且严重影响压裂效果。喷砂射孔预处理技术基于水动力学动量-冲量原理，将低砂比液体从油管高速注入，形成高压磨料射流冲刷腐蚀地层岩石以形成较深的孔道，从而减小应力集中效应所造成的起裂困难，但喷砂射孔器使用寿命短且作业成本高，同时易出现孔眼直径不规则、孔眼密度稀疏的问题［7］。高能气体压裂技术通过在储层中燃烧火药或者推进剂，产生大量高温高压气体脉冲使得近井地带岩石破裂形成多裂缝，从而降低破裂压力和起裂难度［8］，但近井周围的多裂缝形态将会引起砂堵等问题，不利于提高压裂成功率。优化射孔技术则是通过优化射孔角度、射孔深度等参数改变井筒附近应力状态，达到降低破裂压力的目的，而且射孔工艺适用于大部分类型的储层，也是完井工程中不可缺少的一环，因此优化射孔是最直接有效的降压预处理措施。布孔方式、射孔方位和射孔深度等是影响破裂压力的关键射孔参数［9］，明确射孔参数对砂砾岩储层破裂压力的影响规律，对现场制定降低破裂压力方案至关重要。

针对砂砾岩储层破裂压力和水力裂缝起裂及扩展规律，目前已有部分学者进行了研究。王剑波等［10］从细观尺度研究了砾岩的组分特征、力学性能和水力压裂裂缝扩展规律，发现玛湖地区以钙质杂基发育为主的百口泉组砂砾岩储层水力裂缝扩展时遇砾以穿砾为主，鲜有绕砾路径，而以黏土类杂基发育为主的上乌尔禾组裂缝扩展路径主要为绕砾，同时发现高破裂压力与砾岩多相颗粒复合特征密切相关。王松等［11］开展玛湖区块井下岩心酸岩反应实验，通过采用SEM 扫描电镜、EDS 能谱分析和XRD 矿物组分分析从微观角度阐述了酸处理对玛湖砾岩的作用机理，进一步结合组合弹簧模型和破裂压力计算公式证实了酸液预处理降低玛湖砾岩储层破裂压力的有效性。刘见通等［12］采用玛湖凹陷百口泉组井下岩心开展三轴压缩实验，基于裂缝体积应变和声发射分析，深入探究了不同围压下玛湖砾岩破裂机理及破裂特征。李宁等［13］采用山东省某区块天然砂砾岩露头开展裸眼完井条件下的真三轴水力压裂物理模拟实验，结合压力响应特征分析发现砂砾岩储层的水力裂缝起裂和扩展特征由地应力和砾石性质共同决定，砾石粒径较小时对裂缝扩展形态影响微弱，粒径较大则会导致裂缝面的扭曲。鞠杨等［14］同时构建了非均质砂砾岩三维数值模型和物理模型，重点探讨了储层非均质性和水平应力比对砂砾岩水力压裂裂缝起裂和扩展的影响，发现砂砾岩的非均质性对水力裂缝起裂行为影响较大，对于非均质性较强的砂砾岩，水平应力比对起裂压力影响较弱。马东东等［15］采用西部某深井井下砂砾岩岩心进行不同围压下的水力压裂试验，结合裂纹曲折度与注射能分析发现，对于分选性较好的砾石，其围压变化对破裂模式影响甚微。上述针对砂砾岩水力裂缝的起裂行为探索普遍基于井下岩心尺度和大尺寸的裸眼完井条件，且研究重点以地应力的影响为主，除地质因素外，射孔等工艺参数对砾岩储层裂缝起裂规律及破裂压力的作用规律研究权重不足。

目前，水力裂缝的起裂和扩展规律仍主要通过常规室内真三轴物理模拟实验获得［16］。由于实验室条件及模拟井筒的尺寸、射孔完井模拟手段等方面的制约，裸眼完井方式在压裂实验中应用更为广泛［17］。较少涉及的射孔完井方式，也有学者研制出等效模拟方法，如目前常用的割缝法和预置射孔法。张士诚等［18］通过对井筒进行割缝处理，结合真三轴实验对页岩储层压裂的破裂机制进行了研究。然而，割缝处理法获得的环形裂缝与真实孔眼形态存在较大差异，且受力状态不同。另一种方法是预置射孔法［19］，该方法需预置带有模拟射孔的井筒然后浇铸水泥成模，仅适用于混凝土试件，无法应用于天然露头试件。此外，预置的孔道在固井或水泥浇铸过程中可能发生堵塞，因此存在应用局限性。付海峰等［20］发明了专用射孔枪，实现了射孔与压裂工艺联作，对混凝土试样开展射孔完井条件下的裂缝起裂与扩展规律研究，但该方法更适用于大尺度实验样品（762 mm×762 mm×914 mm） 的射孔模拟，且操作过程中需反复提枪装弹，耗时较长。制作符合玛18 井区特征的砂砾岩样品，利用水力喷射射孔装置进行射孔，结合室内大尺寸真三轴水力压裂物理模拟系统实现了射孔完井条件下的压裂模拟，分析了不同射孔方位角和射孔深度对砂砾岩破裂压力的影响规律，探究不同射孔参数下砂砾岩水力裂缝起裂及扩展形态特征，为降低地层破裂压力、优化射孔参数方案设计提供理论支持。

1 砂砾岩射孔压裂物理模拟及实验

为考察射孔方位角和射孔深度对水力压裂裂缝起裂和扩展的影响，采用大尺寸真三轴水力压裂物理模拟系统对人造砾石混凝土试件开展水力压裂实验。人造岩样的砾石体积分数为65%、尺寸300 mm×300 mm×300 mm，在其表面中心处钻孔，置入尺寸匹配的钢筒并使用高强度环氧树脂进行固结，模拟下套管和固井过程，固井完成后进行射孔操作最终形成射孔孔眼。

1.1 实验仪器

室内真三轴压裂实验可以模拟人造含砾石混凝土试样水力压裂的整个过程。该实验系统由真三轴实验架、增压及控制器、数据采集及处理系统等组成［21］，真三轴应力加载系统对试样进行围压加载时，X 轴最大加载应力为15 MPa，Y、Z 轴的最大施加值可以达到30 MPa。加载过程通过变频加载技术实现，通过液压站迅速起压，再由控制面板进行精确加压，实现对压力的伺服跟踪。恒速恒压泵采用双缸连续供液方式，最大排量400 mL/min。

1.2 射孔岩样制备

依据现场资料制作符合该地区特征的砂砾岩样品，制备砾石体积分数65% 的人工浇筑混凝土试样过程中，通过控制水泥与砂的配比获得与玛湖油藏相似的力学性质。采用425 号建筑水泥与石英砂以3∶1 比例混合，在水泥中随机混合1～2 cm、3～5cm、5～8 cm 的3 种直径范围的鹅卵石及直径小于1cm 的细碎石粒以模拟三级砾石粒径（2～8 mm、8～16mm、16～64 mm）。为使砾石与水泥浆混合充分，同时保证各种粒径砾石随机分布，采用砾石铺置和水泥浇筑逐层交替叠加的方法进行样品制备。待水泥固结后脱模并养护28 d，以达到较高的强度。为验证人造砾岩与实际储层性质的相似性，在试样中钻取直径25.4 mm，高50 mm 的岩心进行物性及力学参数测试。测得样品孔隙度为10.57%，在储层孔隙度参考范围7.523%～16.707% 以内；测得渗透率为3.32×10?3 μm2， 与储层渗透率（0.037～19.74）×10?3μm2、平均渗透率3.73×10?3 μm2 匹配；弹性模量、泊松比分别为27 GPa 和0.267，与现场三轴力学参数平均值26.037 GPa 和0.28 匹配。综上所述，认为样品与储层性质相似，实验结果具有参考意义。

随后，在试样表面中心钻取1 个直径3.4 cm、深度25 cm 的盲孔。将外径3 cm、内径2.5 cm 的钢制井筒置于盲孔内，盲孔与模拟井筒之间的环形空间注入高强度环氧树脂固井，井筒底部用胶带密封避免滴胶渗入，静置24 h 待环氧树脂固结。固井完成后，利用水力喷砂射孔设备对试样进行射孔［22］。