Abstract：Oriented perforating has been widely applied in oil and gas well completion measures,which greatlu influences the artificial hydraulic fracture pattern of hydraulic fracturing treatment.The initial fracture location and overall pattern are affected by the angle between the oriented perforating direction and the direction of the biggest horizontal crustal stress as well as the difference value of the far field horizontal crustal stresses.Therefore,the influencing factors on the initial fracture position and pattern of artificial hydraulic fracturing with oriented perforating were studied with the large-scale real triaxial hydraulic fracturing physicas simulation experiment system(the test piece is of 300mm×300mm×300mm).The research results indicated that the oriented perforating azimuth angle and the horizontal crustal stress difference generate greater influences；the artificial hydraulic fracture formed by the hydraulic fracturing with oriented perforating may be an unsatisfactory straight dual-wing fracture,instead,it may be a bent dualwing crack；when the horizontal stress difference and the oriented perforating azimuth angle are comparatively large,it is easy to generate asymmetric multiple fractures at multiple points in the direction of oriented perforating and the biggest horizontal crustal stress or result in dual-wing fractures that pass through mini-circle surface.For improving the precision of the crustal stress measurement on the original site and the oriented precision of the oriented perforating,the azimuth angle of the oriented perforating is controled to be small,which avoids the generation of artificial hydraulic fractures in complicated patterns and decreases sand-plugging risk and the difficulties in fracturing operation,thus realizes the improvement of fracturing stimulation.Finally,positive propsals on well completion and fracturing were also pressented in this paper.

Keywords：hydraulic fracturing,oriented perforating,fracture(rock),pattern,asymmetry,poor horizontal stress,perforating azimuth angle

定向射孔廣泛應用于油、氣井完井措施，其對水力裂人工水力裂縫的形態(tài)有很大影響。人工水力裂縫未受擾動的原始地應力場中沿垂直于最小主地應力向擴展，但是由于井眼和炮眼的存在會導致雙重應集中而干擾近井區(qū)的應力場分布，使得人工水力裂在近井區(qū)形態(tài)復雜。

定向射孔方向與最大水平地應力方向的夾角、遠水平地應力的差值都會影響到裂縫的起裂部位和整形態(tài)^[1-3]。應用定向射孔技術有利于減少復雜裂縫產(chǎn)生而生成較寬的單一裂縫^[4]，且0°相位射孔是緩多裂縫的最有效方法^[5]。經(jīng)定向射孔后再進行水力裂的井具有較低的近井壓力損耗和較高的支撐劑鋪濃度，平均產(chǎn)能也更高^[6]。

然而由于種種因素的影響，定向射孔不可能準確沿著最大地應力方向，這就造成在了在近井地帶可會產(chǎn)生復雜的人工水力裂縫形態(tài)(彎曲縫、多裂縫)，從而可能會導致縫寬變窄、壓裂液效率降低、脫砂壓裂施工凈壓力過高等問題^[6-12]。

以上情況與定向射孔參數(shù)和目標地層性質(zhì)(地應狀態(tài)、地層非均勻性等)密切相關。然而目前對此問研究甚少。筆者采用大型真三軸水力壓裂物理模擬驗系統(tǒng)^[13]進行了室內(nèi)物模實驗，研究了定向射孔水壓裂人工水力裂縫的形態(tài)和影響因素，并對完井和裂施工提出了一些工程建議。

1　實驗模型

大型真三軸水力壓裂物理模擬實驗所用的人造試三維結構及具體尺寸如圖l、2所示，具體試件制備程詳見本文參考文獻[2]，筆者不再詳述。結合實際況及相似準則^[14]，設定實驗參數(shù)：sv＝15MPa，水平應力差(sH-sh)分別為3MPa、6MPa、9MPa，180°相位角平面簡單布3排孔共6個。定義定向射孔方位角(q)為定向射孔方向與最大水平主應力方向之間的夾角，根據(jù)實驗要求，q分別取值0°、30°、45°和60°。

2　實驗結果及分析

2．1　實驗結果

大型真三軸水力壓裂物模實驗按水平應力差(sH-sh)為3MPa、6MPa、9MPa共分為3組，具體實驗參數(shù)及實驗結果如表1所示。

試件l、試件5和試件9的定向射孔方位角為0°，人工水力裂縫沿0°和l80°相位射孔起裂后并不改變方向，產(chǎn)生一條規(guī)則的雙翼裂縫，人工水力裂縫形態(tài)與裸眼井壓裂類似。

試件2、試件3、和試件6中的人工水力裂縫沿0°和180°相位射孔起裂后逐漸轉(zhuǎn)到最優(yōu)裂縫面方向，形成了一條基本對稱的雙翼彎曲裂縫。且在加載三向應力條件不變的情況下，由于射孔方位角的增大，試件3的破裂壓力和水力裂縫轉(zhuǎn)向半徑較試件2均有所增加。

試件4、試件7和試件10的人工水力裂縫形態(tài)極為特殊。不僅在井眼兩側沿定向射孔尖端起裂形成一條雙翼彎曲裂縫，同時，水力裂縫還在井眼的一側自射孔孔眼根部與井壁的交匯處起裂、穿透水泥環(huán)一段距離后沿sH方向與井壁的交匯處起裂、延伸、產(chǎn)生了一條單翼裂縫，裂縫形態(tài)不對稱。筆者將此裂縫形態(tài)定義為非對稱多裂縫系統(tǒng)。這是在定向射孔水力壓裂大型物模實驗中首次觀察到的特殊現(xiàn)象。且在加載三向應力條件不變的情況下，破裂壓力和水力裂縫的轉(zhuǎn)向半徑均達到該組實驗的極大值。同時，由于水平應力差的增加，多裂縫系統(tǒng)的縫寬受到的限制加劇，試件4、試件7和試件10的破裂壓力呈遞增趨勢而水力裂縫的轉(zhuǎn)向半徑呈遞減趨勢。

試件8和試件11，人工水力裂縫從微環(huán)面起裂，形成一個穿過微環(huán)面后沿盯H方向擴展的雙翼裂縫。較同組的前次實驗，其破裂壓力減小。

2．2　影晌因素分析

2．2．1定向射孔方位角的影響

由表l可見：當定向射孔沿著最大水平地應力方向或與最大水平地應力方向有一較小夾角時，人工水力裂縫一般沿著定向射孔方向起裂，產(chǎn)生一條規(guī)則的雙翼平直裂縫或雙翼彎曲裂縫；當定向射孔方位角很大時，由于井壁上應力集中的最大值出現(xiàn)在最大水平地應力方向^[1，3]，此時人工水力裂縫并不沿定向射孔起裂，而是沿最大水平地應力方向起裂，產(chǎn)生一條穿過微環(huán)面的雙翼平直裂縫(此時孔眼進液，但沒有水力裂縫起裂)。

在定向射孔方位角由小變大的過程中，發(fā)現(xiàn)存在一個臨界角度，此時，定向射孔處和最大水平地應力方向處的第一主應力的大小相等，裂縫可能會同時在這兩個位置起裂^[1，3]。實驗表明：在試件4、試件7和試件10中產(chǎn)生了非對稱多裂縫系統(tǒng)，井眼一側是一條沿定向射孑乙起裂的轉(zhuǎn)向裂縫和一條白射孔孔眼根部與井壁的交匯處起裂、穿透水泥環(huán)一段距離后沿sH方向與井壁的交匯處起裂、延伸的單翼平直裂縫，井眼的另一側是沿定向射孔起裂的轉(zhuǎn)向裂縫(圖3)。而且在地應力狀態(tài)一定的情況下，隨著定向射孔方位角的增大，由于水力裂縫的起裂困難和彎曲，產(chǎn)生人工水力裂縫所需的破裂壓力逐漸變大、水力裂縫的轉(zhuǎn)向半徑也越來越大；在產(chǎn)生非對稱多裂縫時，破裂壓力和裂縫轉(zhuǎn)向半徑均達到實驗的最大值(表1)。

整體上形狀復雜的多裂縫系統(tǒng)會增加人工水力裂縫在擴展過程中所需的凈壓力，并且使得每個裂縫的寬度減小，導致過高的壓裂施工凈壓力，可能會造成支撐劑橋堵而過早脫砂，非常不利于水力壓裂施工的順利進行。本實驗所用的人造試件可視為均勻介質(zhì)，但產(chǎn)生的人工水力裂縫在整體上并不對稱，而對于進行增產(chǎn)作業(yè)的實際地層，其非均勻性會影響近井地帶的應力場分布，且由于同井水泥環(huán)膠結質(zhì)量的影響，因此，在多個起裂點同時起裂形成人工水力裂縫具有較大的不確定性和隨機性，這使得現(xiàn)場壓裂施工中實際形成的人工水力裂縫形態(tài)會更加復雜和難以預測，對壓裂設計、施工和壓后裂縫擬合都會造成嚴重影響。

2．2．2水平應力差的影響

在不同的水平應力差狀態(tài)下，即使定向射孔方位角相同，人工水力裂縫的形態(tài)也不盡相同；而且隨著水平應力差的增加，產(chǎn)生非對稱多裂縫系統(tǒng)的臨界射孔角度呈減小趨勢(表1)?？梢娝綉Σ顚θ斯にα芽p形態(tài)和臨界射孔角度都有很大影響。

利用本壓裂模擬實驗結果，可回歸出產(chǎn)生非對稱多裂縫系統(tǒng)的臨界射孔角度和水平應力差的相互關系曲線(圖4)。當水平應力差和定向射孔方位角的坐標落在藍色臨界線的左下側時，人工水力裂縫會沿定向射孔方向起裂，形成一條基本對稱的雙翼平直裂縫或雙翼彎曲裂縫；當水平應力差和定向射孔方位角的坐標落在藍色臨界線的右上側時，人工水力裂縫會沿著最大水平地應力方向起裂，產(chǎn)生一條穿過微環(huán)面的雙翼平直裂縫；當水平應力差和定向射孔方位角的坐標正好落在藍色臨界線上時，人工水力裂縫可能沿著定向射孔方向和最大水平地應力方向多點同時起裂，形成非對稱多裂縫系統(tǒng)。該預測結果與本文參考文獻[3]的有限元模擬計算結果比較一致。運用該圖可以用來預測定向射孔水力壓裂裂縫形態(tài)，為現(xiàn)場壓裂施工提供參考。但鑒于實際地層因素和完井因素的影響，實際的臨界射孔角度可能會有所變化。

3　結論和建議

1)定向射孔方位角和水平應力差對人工水力裂縫的起裂和形態(tài)有重大影響，定向射孔水力壓裂所形成的人工水力裂縫不會完全是一條規(guī)則的裂縫，而是整體上形狀復雜的非對稱多裂縫系統(tǒng)。且由于實際地層的非均勻性和固井、完井因素的影響，人工水力裂縫的形態(tài)將會更加復雜。

2)對于水平應力差較小的地層，人工水力裂縫一般沿著定向射孔方向起裂；但對于水平應力差較大的地層，則將會出現(xiàn)非對稱多裂縫系統(tǒng)或穿過微環(huán)面的雙翼平直裂縫。

3)在進行定向射孔時，通過提高原場地應力測量的精度和定向射孔的定向精度。將定向射孔方位角控制在較小角度，優(yōu)化固井、完井質(zhì)量，將有利于避免產(chǎn)生形態(tài)復雜的人工水力裂縫，達到降低壓裂施工難度和壓裂增產(chǎn)效果的最優(yōu)化。

參考文獻

[1]YANG Z，CROSBY D G，AKGUN F，et al．Investigation of the factors influencing hydraulic fracture initiation in highly stressed formations[C]//paper 38043-MS presented at the SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition．14-16 April l997，Kuala Lumpur，Malaysia．New York：SPE，1997．

[2]姜滸，陳勉，張廣清，等．定向射孔對水力裂縫起裂與延伸的影響[J]．巖石力學與工程學報，2009，28(7)：1321-1326．

JIANG Hu，CHEN Mian，ZHANG Guangqing，et al．Impact of oriented perforation on hydraulic fracture initiation and propagation[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(7)：l321-1326．

[3]ZHANG Guangqing，CHEN Mian．Complex fracture shapes in hydraulic fracturing with orientated perforations[J]．Petroleum Exploration and Development，2009，36(1)：103-107．

[4]ABASS H H，MEADOWS D L，BRUMl．EY J L，et al．Oriented perforation-a rock mechanics view[C]//paper 28555-MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，25-28 September l994，New Orleans，Louisian a，USA．New York：SPE，1994．

[5]LEHMAN L V，BRUMLEY J L．Etiology of multiple fractures[C]//paper 37406-MS presented at the SPE Production Operations Symposium，9-11 March l997，Oklahoma City，Oklahoma，USA．New York：SPE，1997．

[6]POSPISIL G，CARPENTER C C，PEARSON C M．Impacts of oriented perforating on fracture stimulation treatments：Kuparuk River Field，Alaska[C]//paper 29645-MS presented at the SPE Western Regional Meeting，8-10 March l995，Bakersfield，California，USA．New York：SPE，1995．

[7]張廣清，陳勉，趙艷波．新井定向射孔轉(zhuǎn)向壓裂裂縫起裂與延伸機理研究[J]．石油學報，2008，29(1)：116-119．

ZHANG Guangqing，CHEN Mian，ZHAO Yanbo．Study on Initiation and propagation mechanism of fractures in orientated perforation of new wells[J]．Acta Petrolei Sinica，2008，29(1)：116-119．

[8]ABASS H H，HEDAYATI S，MEADOWS D L．Non planar fracture propagation from a horizontal wellbore：Experimental study[Jj．SPE Production and Facilities，1996，ll(3)：133-137．

[9]張保平，方競，田國榮，等．水力壓裂中的近井筒效應[J]．巖石力學與工程學報，2004，23(14)：2476-2479．

ZHANG Baoping，FANG Jing，TIAN Guorong，et al．Nearwellbore effects in hydraulic fracturing[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineerin9，2004，23(14)：2476-2479．

[10]HALLAM S D，I．AST N C．Geometry of hydraulic fractures from modestly deviated wellbores[J]．Journal of Petroleum Technology，1991，43(6)：742-748．

[11]張廣清，陳勉．水平井水力裂縫非平面擴展研究[J]．石油學報，2005，26(3)：95-97，101．

ZHANG Guangqing，CHEN Mian．Non planar propagation of hydraulic fracture near horizontal wellbore[J]．Acta Petrolei Sinica，2005，26(3)：95-97，101．

[12]KENNETH D MAHRER．A review and perspective on far-field hydraulic fracture geometry studies[J]．Journal of Petroleum Science and Engineering，l 999(4)：13-28．

[13]DE PATER C J，WEIJERS L，CLEARY M P，et al．Experimental verification of dimensional analysis for hydraulic fracturing[J]．SPE Production and Facilities，1992，9(4)：230-238．

[14]LHOMME T P，DE PATER C J，HELFFERICH P H．Experimental study of hydraulic fracture initiation in Colton sandstone[C]//paper 78187-MS presented at the SPE／ISRM Rock Mechanics Conference，20-23 October 2002，Irving，Texas，USA．New York：SPE，2002．

本文作者：姜滸  劉書杰  何保生  陳勉  張廣清

作者單位：中海油研究總院

  “油氣資源與探測”國家重點實驗室·中國石油大學