李建雄，刘茂林，郭天魁，刘晓强，李小龙

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580；2.中国石化西北石油分公司石油工程监督中心，新疆 乌鲁木齐 830001）

径向井引导水力裂缝扩展机理

李建雄1，刘茂林2，郭天魁1，刘晓强1，李小龙1

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580；2.中国石化西北石油分公司石油工程监督中心，新疆 乌鲁木齐 830001）

随着低渗、超低渗油藏的深入开发，径向井辅助压裂技术在各大油田进行了先导性试验，但目前对径向井引导裂缝扩展机理的研究尚未见报道。基于ABAQUS有限元软件，建立了径向井储层三维实体仿真模型，研究了径向井井径、井距和孔眼数对裂缝扩展的影响规律。数值模拟结果表明：不同井眼施工参数可以改变径向井周围的应力分布，达到减小储层破裂压力、引导裂缝扩展的作用；径向井井径和孔眼数的增加能够减小轴向压应力，降低储层破裂压力，而井距的增加使轴向压应力变大；直井井壁应力分布受径向井井距和孔眼数的影响明显，压应力随井径的增加而减小，并在径向井方向取得最小值，压应力随孔眼数的增加而增大。

径向井；ABAQUS；裂缝扩展；井眼施工参数；引导作用

径向井技术是近年发展起来的一种油气增产改造技术，其机理是借助高压水射流的破岩作用钻出不同排布方式的径向井，从而达到改造储层、增加泄油面积的作用［1-6］。径向井辅助压裂技术在各大油田进行了先导性试验，取得了较好的增产效果［7-8］，但目前对径向井引导裂缝扩展的力学机理研究尚未见报道。由于计算机仿真技术的高速发展，水力压裂数值模拟也从二维发展到全三维模拟［9-10］。本文在ABAQUS有限元软件的基础上［11-13］，建立了真实储层径向井三维模型，研究了径向井井径、井距和孔眼数对储层原始地应力的影响，得出了径向井施工参数对引导裂缝扩展的影响规律。

1 有限元径向井眼模型描述

1.1 模型假定

为了研究径向井施工参数对地应力的影响程度,重点分析径向井辅助压裂引导裂缝扩展的机理，对模型处理如下：根据储层实际参数，建立圆形定压边界模型，径向井方位始终沿水平最大主应力方向；地层岩石为均质线弹性介质，并采用孔压单元和Soil模块对储层岩石和流体及孔隙压力进行耦合［14-15］；应用最大拉应力准则，判定径向井对储层岩石应力的影响程度，当储层岩石最大主应力大于岩石抗张强度时，岩石破裂［16］。

1.2 材料参数

具体模型参数见表1。笔者经过多次建模实验，采用对称模型及六面体划分网格，并对径向井方向的网格进行局部细化，以提高研究区域的计算精度。其中：模型储层半径为40m，有效储层厚度为1m，径向井长度为40m，径向井井径为3～5cm，直井筒井径为20cm。网格划分方式及具体模型如图1所示。

表1 数值模拟参数设计

图1 径向井网格划分及模型

2 数值模拟结果

不同的径向井施工参数，可以明显改变径向井周围的应力分布，减小径向井轴向储层岩石的破裂压力，达到引导裂缝扩展的目的。本文使用的应力结果正值表示拉应力，负值表示压应力。数值模拟结果表明：径向井对储层应力的影响范围有限，超出影响范围，储层应力趋于原始地应力；在直井井壁上，压应力明显增大，而井筒附近存在明显的应力集中现象，致使井筒附近岩石的压应力超过了储层原始的压应力，储层破裂压力升高；径向井与直井筒交界处出现应力奇异现象，改变了井筒周向及径向的应力分布；径向井轴向应力场发生显著变化，在一定范围内，储层岩石所受压应力减小，裂缝更容易起裂扩展（见图2）。

图2 径向井模型最大主应力分布

2.1 径向井井径对裂缝起裂的影响

径向井井径（D）是现场施工中需要考虑的一个重要参数。不同井径直接影响储层应力分布情况，从而改变裂缝起裂和扩展的形态。如图3所示，选取井径分别为3，4，5cm的地层仿真模型，分析不同条件下直井井壁和径向井轴向上的应力分布规律，并和无径向井条件下的应力分布进行对比。

图3 不同井径时的最大主应力分布

对比结果表明，由于直井筒和径向井的出现，直井井壁应力场变化明显，在井周均表现为压应力，并随θ角（直井井壁径向方向与水平最大主应力方向的夹角）在-90～90°间先减小后增加，并在θ=0°（即径向井方向）时取得最小值。井壁最小压应力均出现在径向井方向，并随径向井井径的增加而减小。当D=3cm时，井壁在θ=0°处压应力为2.43 MPa；而当D=5cm时，压应力已经减小到了1.77 MPa。

由于直井筒的应力集中现象，井壁沿径向井轴向上的储层岩石所受压应力急剧变大，岩石破裂压力升高，在无径向井情况下甚至超过了储层水平原始压应力，并在距井壁0.41m处达到了最大值8.83 MPa（见图4）。

图4 不同井径时径向井轴向上的最大主应力分布

从图4可以看出，当径向井轴向距离超过直井应力集中影响范围后，径向井能够减小储层岩石所受压应力，降低破裂压力，并使储层岩石最大主应力保持恒定不变。随着径向井井径的增加，径向井改变储层应力分布的能力增强。当D=3cm时，径向井轴向上的压应力平均为7.71 MPa，相对于储层原始压应力减小了0.29 MPa；而当D=5cm时，径向井轴向上的压应力为6.81 MPa。这说明，径向井井径越大，对裂缝的引导能力就越强，裂缝越容易在径向井轴向上起裂。

2.2 径向井井距对裂缝起裂的影响

现场为了降低储层岩石的破裂压力，更好地引导裂缝扩展，采取竖直多径向钻孔的方式辅助压裂。而竖直多径向井的一个重要参数就是井间距离（l），如图5所示，使用井径为4cm的径向井，分别分析不同井距（40，50，60cm）下的储层应力分布，其他参数如表1所示。分析结果表明：井距在40～60cm内，井壁上最大主应力基本维持不变，只是在径向井处发生微小变化，表现为径向井井距越大，井壁处应力干扰越小，井壁处压应力越小。当l=40cm时，井壁处的最大压应力为1.89 MPa；而当l=60cm时，井壁最大压应力为1.83 MPa，仅减小了0.06 MPa。

图5 不同井距时的最大主应力分布

径向井井距对径向井轴向上的应力分布影响明显。当径向井轴向距离大于直井筒应力集中区域时，径向井轴向上的最大主应力趋于稳定，在井距为40～60cm内，最大压应力值随井距的增大而增大（见图6）。

图6 不同井距时径向井轴向上的最大主应力分布

当l=40cm时，轴向上的平均压应力为7.12 MPa；而当l=60cm时，平均压应力增大到了7.73 MPa。这说明随着径向井井距的增加，井间干扰逐渐减弱，储层岩石的破裂压力逐渐升高，径向井引导裂缝扩展的能力减弱。

2.3 径向井孔眼数对裂缝起裂的影响

不同径向井孔眼数（n）的应力干扰不同，表现为孔眼数越多，径向井间的应力干扰越严重。如图7所示，以孔眼数分别为1，2，3、井径为5cm建立储层仿真模型，其他参数均按表1设定。模拟结果表明：随着孔眼数的增加，直井井壁应力干扰越大，轴向上的应力叠加越严重。径向井孔眼数越多，井壁应力越趋于稳定，岩石越容易从径向井方向起裂。

图7 不同孔眼数时的最大主应力分布

径向井轴向应力分布决定着压裂时裂缝能否垂向连通各井，达到引导裂缝扩展的作用。由图8可见，当径向井轴向距离超过直井筒应力集中区域后，轴向上的最大主应力增大，随着径向井轴向距离的增加趋于一个稳定的值。当n=1时，径向井轴向平均压应力为6.81 MPa；而当n=3时，轴向平均压应力减小到了6.22 MPa。这说明，随着径向井孔眼数的增加，径向井轴向上的压应力减小，轴向储层岩石破裂压力降低。所以在压裂时，增加径向井孔眼数有利于孔间裂缝的连通，降低破裂压力，更有助于裂缝在径向井方向上起裂。

图8 不同孔眼数时径向井轴向上的最大主应力分布

3 结论

1）径向井井径和孔眼数能够显著改变直井筒壁面的应力分布，而井距对直井筒壁应力的影响甚微。随着井径的增加，直井筒壁面的压应力减小；而随孔眼数增加，直井筒壁面应力干扰增强，压应力增大。

2）径向井井径、井距和孔眼数对径向井轴向上的应力影响明显。在径向井轴向距离超过直井筒应力集中范围时，径向井轴向上的最大主应力趋于一个稳定的值。随井径和孔眼数增加，轴向压应力减小，轴向岩石的破裂压力降低，径向井的引导作用增强；随井距的增加，径向井轴向压应力增大，岩石的破裂压力升高，径向井的引导能力减弱。

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（编辑 赵卫红）

Hydraulic crack propagation mechanism of radial well guidance

LI Jianxiong1,LIU Maolin2,GUO Tiankui1,LIU Xiaoqiang1,LI Xiaolong1
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China;2.Petroleum Engineering Supervision Center,Northwest Petroleum Bureau,SINOPEC,Urumqi 830001,China)

Along with the development of low permeability and super-low permeability reservoirs,the auxiliary radial well fracturing technology was carried out firstly in several oilfields.But now the mechanism of crack extension of radial well guidance has not yet been reported.Based on the finite element software ABAQUS,a 3D simulation model of radial well,which considers different parameters,including radial well diameters,distance and numbers of radial wells,was established to study the effect on crack propagation.The numerical simulation results show that different borehole parameters can change the circumferential stress distribution of radial well and decrease the reservoir fracture pressure to guide crack extension;the increase of the radial well hole diameter and hole number can reduce the axial compressive stress and fracture pressure;on the other hand,the axial compressive stress will decrease along the growth of well distance;distribution of vertical wellbore stress is affected by the number of radial well distance and radial well diameter,and the compressive stress will decrease with the growth of well distance and radial well diameter and reach the minimum value in the radial direction of radial well.

radial well;ABAQUS;crack propagation;borehole construction parameter;guidance effect

国家自然科学基金青年基金项目“径向钻孔引导水力压裂裂缝定向扩展机理研究”（51404288）；中央高校基本科研业务费专项资金（15CX02012A）

TE377

A

10.6056/dkyqt201606025

2016-04-25；改回日期：2016-08-26。

李建雄，男，1989年生，在读硕士研究生，主要从事采油工程技术研究工作。E-mail：956848061@qq.com。

李建雄，刘茂林，郭天魁，等.径向井引导水力裂缝扩展机理［J］.断块油气田，2016，23（6）：803-806.

LI Jianxiong，LIU Maolin，GUO Tiankui，et al.Hydraulic crack propagation mechanism of radial well guidance［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：803-806.