水力压裂中的近井筒效应

第23卷 第14期

岩石力学与工程学报 23(14)：2476～2479

2004年7月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July ，2004

2003年6月20日收到初稿，2003年8月18日收到修改稿。

作者 张保平 简介：男，39岁，1986年毕业于大庆石油学院矿场机械专业，现为博士研究生、高级工程师，主要从事石油工程中的岩石力学方面的研究工作。E-mail ：bpzhang@ 。

水力压裂中的近井筒效应

张保平1，

2 方 竞1 田国荣2 申卫兵2

(1北京大学力学与工程科学系 北京 100871) (2中国石油勘探开发研究院廊坊分院 廊坊 065007)

摘要 针对目前水力压裂过程中遇到的有些井施工压力高、脱砂等一系列问题，在对近几年国外有关文献研究分析的基础上，给出了地应力和射孔对近井筒区域裂缝延伸影响的物理模拟和数值模拟研究成果。通过研究发现，水力裂缝方位不但与井筒在现场地应力场中的方位有关，而且主应力的大小也会影响到裂缝的延伸情况。研究中还给出了实际生产中如何诊断近井筒效应潜在的可能性以及应采取的措施。 关键词 石油工程，水力压裂，近井筒效应，裂缝，地应力，射孔

分类号 TE 357.1+1 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)14-2476-04

NEAR-WELLBORE EFFECTS IN HYDRAULIC FRACTURING

Zhang Baoping 1，

2，Fang Jing 1，Tian Guorong 2，Shen Weibing 2

(1Deptarment of Mechanics and Engineering Sciences ，Peking University ， Beijing 100871 China )

(2Langfang Branch of Research Institute of Petroleum Exploration and Development ，PetroChina ， Langfang 065007 China )

Abstract In hydraulic fracturing ，there are always some puzzling phenomenon such as premature sand-out and abnormally high treatment pressure. In recent research of hydraulic fracturing ，experimental and numerical simulations are performed on the effect of stress and perforation on fracture propagation at near-wellbore region. The results show that hydraulic fracture propagation is not only related to the orientation of borehole in the stress field ，but the magnitude of principal stresses. In addition ，these research results provide some suggestions on diagnosing potential fracture reorientation and eliminating the effect during hydraulic fracturing treatment. Key words petroleum engineering ，hydraulic fracturing ，near-wellbore effect ，fracture ，stress ，perforation 1 引 言

近年来，由于开发难度的不断加大，石油生产的成本在逐年攀升。为了降低成本，在世界范围内斜井与水平井越来越多，而在对这些复杂地层井进行水力压裂施工时，常会遇到异常高压及脱砂现 象[1]

，另外，在对某些井的施工压力用传统模型按单缝进行拟合计算时，得到的裂缝长度几乎大得不可思议。国外用不同的方法，包括垂向地震剖面、井筒电视、大地倾角测量和套取岩芯等方法对油气

井和煤层气井进行了研究，结果表明，压裂施工后

近井筒存在复杂的裂缝情况[2]。这些发现对传统的理论和认识提出了挑战，需要我们深入地研究与探索。在对影响近井筒裂缝发育、延伸等诸因素，如现场地应力、射孔、完井和施工排量等方面的国外最新研究成果综合研究分析的基础上，主要讨论了现场地应力和射孔对压裂的影响。

2 现场地应力场

现场地应力场是控制水力裂缝几何形状的最重

第23卷第14期张保平等. 水力压裂中的近井筒效应 • 2477 •

要的参数之一，一直受到人们的关注。近年来采用了各种技术，包括室内和现场的方法来测量现场地应力，取得了一些新的认识。关于现场地应力对裂缝几何形状的影响的研究大多集中于斜井和水平井，因为这些井井筒方向一般不与主应力方向一致，使得井筒附近的应力场更加复杂。国内外近几年实验技术的发展，为这方面的研究提供了可能。

2.1现场地应力测量

地应力测试技术可以分为4类：(1) 基于岩芯分析的技术，包括差声速、滞弹性应变恢复(ASR)、差应变分析(DSA)、套取芯、钻井诱导裂缝、轴向点加载和直接观察套取的裸眼应力测试后的岩芯等；(2) 基于井筒的技术，包括井壁崩落、井筒变形、井筒钻井诱导裂缝成像和定向伽玛射线测井；

(3) 近井筒技术，包括地震测井和大地倾角测量；

(4) 地质标志技术，包括地震聚集机理、断层滑移和火山喷发定位等。

上述这些技术已被广泛采用，除各种技术应用的条件有所不同外，没有一种技术表明更准确、可靠。为获得较准确的地应力方位，最好在同一口井或同一个油田同时采用几种方法，通过数据统计分析，得到较可靠的地应力方位。

2.2现场地应力与裂缝形状

实验室中用水泥、砂岩露头、石膏和煤块等作为实验样品，其上钻有小直径孔，通过改变钻孔方向可以模拟不同斜度井。真三轴实验机可以在计算机控制下，在不同方向施加不同的应力。实验中可以测量井筒中的压力、缝宽以及样品的外部变形。由数十个传感器组成的声监测系统可以实时监测缝端延伸情况[3]。实验结果表明：最初在井筒产生多条裂缝，这些裂缝在距井筒一定范围内发生转向或相互扭曲，随着裂缝的延伸，最终在垂直与最小水平主应力方向形成一条裂缝[4]；对于大斜度井，初始的多条裂缝并不连通而是形成一组稍有重叠的非连通裂缝群组成的非平面裂缝。哈里伯顿能源服务公司通过对水平井大量的实验研究得出的结论是：非平面裂缝几何形状诸如多条缝、T型缝和转向缝取决于井筒在地应力场中的方向。当井筒方向与最大水平应力方向的夹角为0°～50°时，将在井筒产生多条裂缝；当夹角为50°～70°时，在井筒产生单条缝，然后由于转向产生相互靠近的多条缝；当夹角为70°～90°时，产生T型缝[5]。

文[6]研究了水平最大和最小主应力大小对裂缝的影响，发现当两者比值大于1.5时，在中间应力方向产生1条平面裂缝；而当比值由1.5降至1.0时，随着比值的降低产生逐渐增多的裂缝分支和多条裂缝。

文[7]在距今60 a前压裂过的一口井30.5 m的一口斜井与该井相交段取芯时，发现存在多条裂缝，另外，他还在南内华达对压裂后的井进行开挖时，发现从井筒套管开始的放射状的多条裂缝。文[8]对压后微地震成像进行了研究，都发现微地震源显示出延伸的、非平面三维裂缝群，缝群宽度大约是其长度的5%。其他研究人员用井筒电视等方法也都发现了压裂后井筒周围多条裂缝的存在。

文[9]从理论上对斜井起裂进行了研究，得出的结论是裂缝的转向仅存在于近井筒区域。井筒对应力分布的影响随到井筒距离的增加而迅速减小[9]。Mobil勘探与生产中心的Jon. E. Dison用二维模型分析了不同边界条件和压裂参数情况下，非平面裂缝延伸的影响，结果发现，弯曲裂缝的几何形状同平面裂缝相比长度减小，而且在井筒的缝宽变窄。

文[10]通过实验研究了水平井井筒与最大主应力方向成不同角度情况下裂缝的延伸情况，发现水平井井筒方位决定裂缝的起裂方位，裂缝延伸过程中存在转向问题。另外文[10]还对层间应力差、分层介质和排量等对裂缝延伸的影响进行了研究。

3 射孔对井筒附近裂缝形状的影响

国外一些实验室采用大尺寸的真三轴实验设备，模拟现场地应力条件下射孔对压裂的影响。通过实验发现，裂缝从射孔孔眼或是从与最小水平主应力垂直的方向起裂，裂缝起裂取决于射孔方向与最大水平主应力面的夹角。另外，所有裂缝开始转向最大水平主应力方向的位置在距井相当于井筒直径的范围内，而且，尽管裂缝延伸的初始阶段有多条裂缝，却只有一级单缝延伸超过井筒直径的范围[11]。文[12]研究了射孔方向与最大水平主应力方向成不同角度对缝宽的影响。当射孔方向大于45°时缝宽急剧减小，裂缝弯曲现象明显，而角度在0°～30°时裂缝与孔眼连通良好。所以，射孔方向应在最大水平应力方向或与其夹角小于30°。

由于射孔对水力裂缝有影响，定向射孔技术已成功应用于实际生产。在美国阿拉斯加的Kuparuk