致密储层水平井定面射孔水力压裂裂缝起裂与扩展机理

Perforation at the defined plane is a novel completion technology for tight reservoir stimulation in multi-stage horizontal fracturing. Previous studies indicate its great advantages in decrease fracture pressure and complex fracture network optimization. But, the optimization of completion parameters depends on engineering experiences and these is not yet a suitable approach that can guide its utilization. To better understanding the fracture initiation and propagation around perforation tunnel is necessary. In this study, the initiation and propagation of hydraulic fracturing with defined plane perforation technology was investigated based on true tri-axial experiment. Based on geo-mechanic, elastic-plastic theory and fluid mechanics, fracture pressure change were also investigated by established fracture initiation model. This research also uses a fully coupled pore pressure–displacement model based on extended finite element method (XFEM) and cohesive zone model (CZM) to simulates the fracture initiation and propagation along an arbitrary path in hydraulic fracturing with defined plane perforation. The influences of hydraulic fracturing treatment and geological parameters are analyzed, thus the correlation between fracturing and perforation parameters and fracturing effectiveness can be obtained. By employing this methodology, one can better design defined plane perforation system and optimization perforation placement and complex fracture network along horizontal wellbores.

定面射孔是针对致密储层水平井体积压裂技术提出的新型完井措施，具有降低地层破裂压力、完善缝网等优势，但目前定面射孔技术参数主要以现场实施效应为参考，带有一定盲目性，妨碍了其推广应用。明确射孔井周裂缝起裂和扩展规律，搞清地层条件和射孔参数之间的匹配关系，是科学应用定面射孔技术的关键。本项目通过真三轴定面射孔水力压裂物理模拟实验，研究不同射孔参数下的裂缝起裂压力变化规律，分析裂缝形态及产状。以岩石力学、弹塑性力学及流体力学为基础，建立定面射孔水力压裂破裂压力计算模型，分析破裂压力变化规律；基于内聚力模型和扩展有限元方法建立界面单元，实现定面射孔水力裂缝扩展流固耦合数值模拟。以期探索不同地质和工程条件与水平井定面射孔水力压裂改造效果之间的匹配关系，揭示影响定面射孔裂缝起裂和扩展的主控因素，形成水平井定面射孔工艺参数优化设计和缝网调控方法，为进一步完善和推广应用该项技术提供理论基础。

针对水平井定面射孔水力压裂裂缝起裂及扩展机理，进行不同地质和工程条件下的定面射孔真三轴水力压裂试验，建立定面射孔破裂压力计算模型；揭示不同地质、压裂和射孔参数条件下定面射孔起裂压力的变化规律；研究和发展水力压裂数值模拟方法，分析不同定面射孔条件下的裂缝形态与工程参数之间的动力学响应规律和缝网调控策略，为致密储层定面射孔水力压裂方案的优化提供理论依据和技术基础。.本课题取得的具体成果如下：.（1）通过解析方法推导建立了定面射孔破裂压力计算方程，并分别研究了射孔长度、射孔内压力与井眼内压力比值、增压速率对起裂压力和起裂角的影响， 发现射孔长度会显著影响起裂压力，起裂角随着射孔长度与井眼半径之比的增大而增大。.（2）建立了三维定面射孔起裂模型，证实在定面射孔时起裂时，在射孔的尖端处以及射孔的根部都具有比较高的应力集中，因此压裂时更易在射孔端部或者发生起裂，同时起裂压力随射孔夹角增大而增大，随射孔长度增大而减小，射孔面间距越小越有利于降低破裂压力。.（3）开展了两种模式下的水平井定面射孔水力压裂真三轴试验，证实水平井定面射孔完井较螺旋射孔方式可以大幅度降低破裂压力，同时在压裂后更易形成较为简单的横断裂缝，有助于降低近井筒处的裂缝复杂性，对于降低近井筒处的砂堵，控制和优化裂缝走向具有重要意义。.（4）基于流固耦合理论和全局cohesive单元法，进行了定面射孔水力压裂数值模拟，分析发现：两向水力应力差、压裂液泵入速率、流体粘度、杨氏模量、泊松比、射孔夹角等因素队外侧双缝和中间裂缝水力裂缝几何形状的影响不同。裂缝开始阶段会沿着射孔方向延伸，但是延伸一定距离之后就会发生偏转，然后转向到水平最大地应力方向，多射孔裂缝之间的竞争扩展可以帮助射孔簇在一个平面内尽可能创建较简单的水力裂缝，减少水平井井筒附近的弯曲度。此外，由于强簇间裂缝应力干扰多发生在近井部位，因此更建议采用大尺寸射孔弹来避免裂缝宽度减小诱发的砂堵风险。