丁然

摘要：近年来，国内外学者在常规射孔对地层破裂压力的影响方面做了一些研究，然而，相比于常规射孔枪射孔，水力喷射径向钻孔在钻孔方式和钻孔参数上都有很大的区别，本文建立水力径向钻孔三维有限元模型结合岩石的抗拉破坏准则，研究径向钻孔参数包括钻孔孔径、钻孔方位角及钻孔深度对地层破裂压力的影响。

关键词：径向钻孔;破裂压力;有限元

1.前言

近年来，国内外学者在常规射孔对地层破裂压力的影响方面做了一些研究，张广清、陈勉等利用线弹性三维有限元模型结合岩石的抗拉破坏准则，系统研究了垂直井中射孔对于地层破裂压力的影响;彪仿俊、刘合等进行了常规螺旋射孔条件下不同射孔方位角、相位角以及射孔密度对地层破裂压力的影响的研究;邓金根、薛宝华等采用室内大型真三轴水力压裂模拟试验，研究了常规定向射孔参数对裂缝起裂压力影响研究。

然而，相比于常规射孔枪射孔，水力喷射径向钻孔在钻孔方式和钻孔参数上都有很大的区别，而室内真三轴水力压裂模拟受到岩芯尺寸的限制，难以实现径向钻孔的物理模拟实验。本文建立水力径向钻孔三维有限元模型结合岩石的抗拉破坏准则，研究径向钻孔参数包括钻孔孔径、钻孔方位角及钻孔深度对地层破裂压力的影响。

2.水力径向钻孔参数影响因素分析

进行径向钻孔不同射孔参数对井筒周围应力场的影响差异和对压裂裂缝起裂的影响分析，以射孔相应参数为变量，根据前人的研究及现场收集的数据，以下几种工况进行数值模拟：

（1）钻孔长度为变量，其值分别为：50m、60m、70m、80m、90m、100m;

（2）钻孔方位角为变量，其值分别为：0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°;

（3）钻孔直径为变量，其值分别为：30mm、35mm、40mm、45mm、50mm。

2.1 水力径向钻孔深度影响

水力径向钻孔孔眼的深度与喷射工具和地层条件有关，为了从理论上考虑射孔深度对起裂压力的影响，在建立模型时，不考虑孔眼直徑的变化，只改变射孔深度，分别取50m、60m、70m、80m、90m。

由调研的文献中，常规射孔深度对破裂压力的影响规律，随着射孔深度的增加起裂压力先减小后增加。这是因为当射孔深度较小时，由钻井引起的近井筒地带地应力的变化没有消除，对裂缝起裂起到限制作用，当射孔深度增大时，在射孔眼的尖端不受近井筒地带地应力的影响，且在孔压的作用下产生的应力集中对孔眼根部的应力起到叠加作用，使得孔眼根部的起裂压力降低。

而径向钻孔深度远大于了常规射孔的孔眼深度，随着径向钻孔深度增加，近井筒地带地应力对孔眼尖端的影响较小，破裂压力主要受到远场地应力的影响，由计算结果可以看出，钻孔深度在50m至100m范围内变化，对地层的破裂压力基本上没有影响。

2.2 水力径向钻孔方位角影响

射孔方位角为射孔轴线与最大水平地应力方向的夹角。钻孔方位角为变量，其值分别为：0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，钻孔长度和直径为定值，分别为50m，40mm，列举了0°、30°、60°、90°有限元计算网格。

同样采用试算法计算水力射孔井的地层破裂压力，保持钻孔参数和边界条件不变，在井壁和孔壁处施加压力，计算该压力下的井眼最大主应力，将最大主应力与井壁岩石的抗拉强度比较，若最大主应力恰好等于抗拉强度，则施加的压力就等于地层破裂压力;否则，改变压力值再计算井眼最大主应力，直到等于井壁岩石的抗拉强度。对每种工况进行计算，不同方位角径向钻孔井筒附近应力分布。

地层破裂压力随着射孔方位角的增加而增大。当射孔方向与最大水平地应力重合时，起裂压力最小，在0°～40°之间起裂压力变化不明显，在40°～70°之间，起裂压力迅速增加，在70°～90°之间起裂压力变化较小。根据最小能量原理，裂缝总是沿着阻力最小的平面破裂和传播。平行于最大水平地应力方向的孔眼壁面的破裂阻力最小，所需的破裂能量最低，因此破裂压力也最低，为最佳射孔方向，反之亦然。破裂压力是射孔方位角的函数，因此通过控制射孔方位，可降低地层破裂压力，射孔与最大水平地应力的夹角最好不超过40°，40°即为获得地层低破裂压力所允许的临界射孔方位角。

2.3 水力径向钻孔孔径影响

水力径向钻孔孔眼直径是钻孔设计的一个重要参数，它涉及喷头尺寸的选择。取钻孔孔眼直径为一均匀变化的参数，而不考虑水力喷射工具的实际型号。以现有的工艺技术水平为例进行计算，计算中选取射孔眼直径分别为30mm、35mm、40mm、45mm和50mm。

随着孔眼直径的增加，起裂压力成明显的线性降低趋势，孔眼直径在50mm大小时，起裂压力较30mm的降低接近17MPa。因此，从降低起裂压力的角度分析，选择大孔径的喷射工具较为合理。

3.结论

本章对水力径向钻孔的孔径、钻孔方位角及钻孔深度对地层破裂压力的影响进行了数值模拟计算分析：

随着孔眼直径的增加，起裂压力成明显的线性降低趋势，孔眼直径在50mm大小时，起裂压力较30mm的降低接近17MPa。因此，从降低起裂压力的角度分析，选择大孔径的喷射工具较为合理。

地层破裂压力随着射孔方位角的增加而增大。当射孔方向与最大水平地应力重合时，起裂压力最小，在0°～40°之间起裂压力变化不明显，在40°～70°之间，起裂压力迅速增加，在70°～90°之间起裂压力变化较小。优化钻孔与最大水平地应力的夹角最好不超过40°，40°即为获得地层低破裂压力所允许的临界射孔方位角。钻孔深度在50m至90m范围内变化，对地层的破裂压力基本上没有影响。、

参考文献

[1]苏建. 水力喷射定向深穿透压裂技术研究与应用[J].石油化工高等学校学报，2014，27（2）：55-58

[2]王鹏.径向水射流射孔辅助压裂技术分析[J].科技传播，2013，3：54-55.

[3]唐亮田，李晓军，薛巨丰. 低渗透砂砾岩油藏径向钻孔技术优化研究及应用[J].天然气地球科学，2014，25（1）：113-117

[4]刘银凤. 低渗透油藏径向钻孔技术增产机理研究：（硕士论文）[D].东北石油大学，2012

[5]胡胜勇. 水力喷射钻孔定向压裂技术试验研究[J].钻采工艺，2014，37（5）：59-62

（作者单位：1.中国石油大学（华东）;2.胜利油田石油工程技术研究院）