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射孔水平井爆燃气体压裂裂缝起裂研究

文档作者：孙志宇，刘长印苏建政，李宗田文档来源：中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院		点击数：	更新时间： 2025年09月04日
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石油天然气学报(江汉石油学院学报) 2010年8月第32卷第4期
Journal of Oil and Gas Technology(J．JPI) Aug．2010 Vo1．32 No．4
射孑L水平井爆燃气体压裂裂缝起裂研究
孙志宇，刘长印
苏建政，李宗田 (中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京’。。。。。)
[摘要]爆燃气体压裂技术可实现水平井的经济高效开采，压裂过程中水平井方位、射孔相位与裂缝起裂
密切相关，影响施工成败和压裂效果。应用叠加原理将作用于油水井壁裂缝的复杂载荷分解为单个简单
载荷，根据弹性力学、线弹性断裂力学理论，基于两孔相交应力集中的力学模型推导了射孔完井方式水
平井井壁处的应力场， 得到了爆燃气体压裂井壁岩层动态起裂条件， 通过设定与时间相关的井筒推进剂
燃烧气体压力脉冲函数，可以实现水平井方位角与射孔相位角及裂缝起裂压力、起裂角及起裂时间关系
的迭代求解。算例分析表明， 与裸眼井相比， 射孔完井裂缝的起裂压力和起裂角受水平井方位角和射孔
相位角双重制约， 射孔可有效降低爆燃气体压裂水平井起裂压力，不同的水平井方位角对应于不同的最
优射孔相位角使起裂压力最低。
[关键词]射孔；水平井；爆燃气体；压裂；裂缝
[中图分类号]TE357．28 [文献标识码]A [文章编号]1000—9752(2010)04—0124一O6
水平井技术已成为低渗油田增加产量、提高采收率的一项重要手段，在提高油层内的泄油面积方
面，水平井具有直井无可比拟的优点。在水平井上产生人工裂缝主要采用的方法是水力压裂法，相关的
理论研究也逐渐完善_1~7]，但随着高难度油气藏的勘探开发，对一系列复杂的油气层，常规油层改造方
法如水力压裂等已难以取得效果，尤其对高温高压地层，水力压裂面临难以压开地层的难题，且作业成
本较高，往往形成投资很大，产出很少的局面。针对此类问题研究开发新的油层改造技术已非常迫切，
而且意义重大。
爆燃气体压裂技术是储层改造的新方法，它可以克服水力压裂的上述弊端，达到提高单井产能的目
的。目前，爆燃气体压裂技术主要应用于直井，相关的理论及工艺研究也趋于成熟。在水平井上进行爆
燃气体压裂，在国内却并不多见， 目前仅仅停留在试验阶段 ，水平井井身结构复杂性的特点决定
了其不同于直井的压裂特征。水平井压裂过程中，裂缝的起裂位置、裂缝初始方位和起裂压力取决于井
筒周围岩石力学性质和应力状态。尽管针对水力压裂射孔水平井的裂缝起裂研究，相关学者也作了大量
工作 ]，但对于爆燃气体压裂，这些方法却不尽适用。
笔者根据爆燃气体压裂作用机理，利用广义平面应变理论和多孔弹性理论研究射孔完井方式水平井
井壁处的应力场，并分析了水平井爆燃气体压裂各因素对裂缝起裂的影响，对水平井爆燃气体压裂现场
施工和优化设计具有重要的理论指导作用。
井壁应力分布模型
关于射孔水平井井壁处的应力，可利用裸眼井的分析方法将岩石看作是无限小变形的多孔弹性介
质，采用叠加原理将井筒周围的岩石受力分为井筒内爆燃气体压力、原地应力、射孔造成的应力叠加的
联合作用。下面分析在以上综合力作用下的水平井井筒周围的应力场分布(压应力取负，拉应力取正)，
分析过程中采用水平井柱坐标形式，其所受分力如图1所示。
[收稿日期]2009—12～20
[基金项目]国家油气重大专项(2008ZX05005—006～05)。
[作者简介]孙志宇(1976一)，男，2002年大学毕业，博士，工程师，现主要从事储层压裂改造方面的研究工作。
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第32卷第4期 孙志宇等：射孔水平井爆燃气体压裂裂缝起裂研究
f 一一Pb
= Pb (1)
ld 一0 图1 水平井柱坐标系统受力示意图
式中， 为井筒径向应力，MPa； 为井
筒切向应力，MPa； 为井筒轴向应力，
MPa；P 为井筒内爆燃气体压力，MPa。
1．2 原地应力分量引起的井简周围应力
当地层被钻开以后，井壁周围岩石由于受地应力的作用而形成应力集中带，为了便于研究，取水平井
井筒的一段，将其看成是带孑L眼的无限大的一块平板。
由弹性力学理论，可以得到在原地应力作用下井筒周围的应力分布为 “ 引：
一
l (tYxa-+ ( 一 )+丢c 一 ( + 一等)COS2 ( +等一 )sin20
一
l (O'J-z+ )(1+ )+ 1( 一 )(1+等)cos20一 (1+等)sin20
d 一 一 [2( 一 )cos20+4"Cxy sin20]
r 一专 一 ( 一 + )sin2 +Z'xy 1一等+等)
r＆一(一k sinO+r cosO)(1+ )
r 一(kcosO+r sinO)f 1一 ) (2)
式中，R为井筒半径，m；r为离开井轴中心的距离，rll；r 、r＆、r 分别为柱坐标系中的剪应力分量，MPa；
％ 、 、 、r 、r 、r 分别为井筒直角坐标系中正应力分量和剪应力分量，MPa，可以根据当地主应力
( 、 、 )及水平井方位角(Tk平井筒与最大水平主应力的夹角)进行计算； 为岩石泊松比； 为极坐
标，(。)。 、
1．3 射孔水平井井壁附近应力场分布
由于射孔孔眼基部与井筒相交引起了应力集中，使得射孔孔眼切向应力发生了变化。射孔井筒几何
模型及其应力重新分布如图2、图3所示。假设井筒和射孔孔眼之间有良好连通，井筒和孔眼通道有相
同的爆燃气体压力，并将射孔孑L眼与井筒看成是是两个不同尺寸的孔眼垂直相交。
由图2、图3射孑L井简几何与应力分布图可知，根据射孔孔眼基部(井筒与孔跟相交)的应力集中
及叠加原理，可以导出射孔孑L眼切向应力 表达式：
一2等P (1+c。s2 )+ 1( + + )(1+R 2)+丢( + 一 )×(1+ )c。s2 一
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石油天然气学报(江汉石油学院学报) 2010年8月
＼
＼盯x
图2 射孔水平井井筒几何模型 图3 射孔水平井井筒应力重新分布图
l (
~zx 一 (1+等)COS20(1+cos20 )-axy(1+等)sin20(1+2cos2 一4 n20' (3)
式中， 为射孔孔眼切向应力，MPa；0 为射孔孔眼局部极坐标，(。)。
所以，由式(1)～ (3)，射孔完井水平井井壁处(r— R)应力场分布为：
= == 一Pb
一2Pb(1+ cos20 )+ ( + + )+ 2( + 一以)cos20 一2(a 一d )cos20(1+ 2cos20 )
一4r sin20(1+ 2cos20)一4r sin20
一d 一v[2( 一口 )cos20+4Z'~y sin20] (4)
r 一0
r＆ 一2(一r sin0+ r cos0)
r 一0
式(4)即为射孔完井方式下水平井井壁处应力分布的数学模型，它是爆燃气体压裂水平井裂缝起裂
压力和裂缝角计算的理论和数学基础。
2 裂缝起裂的控制方程及其求解
裂缝起裂压力是指井壁发生破裂时井筒内爆燃气体压力的大小，裂缝起裂角是指裂缝面与井眼轴线
之间的夹角的大小(规定从裂缝面沿顺时针方向转向井轴时为正)。关于岩石断裂的判据很多，笔者假设岩
石是线弹性体，所以使用岩石的张性破裂准则来预测裂缝起裂压力。与水力压裂的地层静态破裂相比，爆
燃气体作用时间更为短暂，一般在几十毫秒内对地层进行加载，所以应考虑其动态性。当岩石材料产生初
始断裂形成初始裂缝时，井筒壁处岩石的拉伸应力应达到并大于其动态抗张强度，即：
⋯ ( )≥ dd (5)
初始断裂发生在z-0平面内，由弹性力学理论，其最大拉伸应力的表达式为_】引：
s一口 ( )一专[( + )+~／ 二 ] (6)
对于某一射孔相位角 ，对式(6)求导，确定出裂缝的起裂方位(注释：此处 与 代表不同极坐标系)：
一0
满足式(7)的 ，就是在射孔相位角为0时，射孔井壁发生爆燃破裂时的裂缝起裂方位角。
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第32卷第4期 孙志宇等：射孔水平井爆燃气体压裂裂缝起裂研究
裂缝起裂后，剪应力分量使得初始裂纹面相对于z-0面倾斜y角，裂纹扩展后，裂纹面倾斜角y将随着
当地应力的变化而变化。对于射孔完井时裂缝起裂角y可用下式计算：
y一 十
1
arctg (8)
根据式(5)就可以确定裂缝起裂压力P 。由于口 ( )也是一个与起裂压力P 有关的量，因此可以采
用迭代法进行数值计算求解。
在确定了井筒内爆燃气
体压裂的起裂压力P 后，依
据特定的火药性质，用燃烧模
型并根据可供气体膨胀的容
积，在已知气体压力、质量和
能量密度的基础上计算出裂
缝起裂时火药的燃烧时间。而
且在火药燃烧生成气体并在
井筒内膨胀的过程中，还包含
气体从井筒中的漏失以及与
井筒壁的热交换等过程。可见
井筒内气体状态参数的模拟
是一个非常复杂的问题，而在
此研究重点放在裂缝的起裂，
因而将井筒中的气体压力简
化模拟，裂缝起裂时井筒气体
压力采用火药燃烧脉冲压力
函数L1 的修正形式：
Pb( )一P0+ P te (9)
式中，t为时间，ms；Pb( )为t
时刻井筒内爆燃气体压力，
MPa；P。为压档静液柱压力，
MPa；P，为压力比，是与火药
爆燃特性有关的一个常数，
MPa／ms；1／b为到达最大压
力脉冲的时间，ms。
结束
图4 爆燃气体压裂射孔水平井起裂计算框图
显然，由式(5)～ (9)可
知，对于任意一个给定的射孔相位角，总可以确定出在给定射孑L方位卞的井筒裂缝起裂压力、起裂时间和
起裂角。因此，给定某一射孑L区间，对所有射孔方位确定相对应的射孔井筒裂缝起裂压力和起裂角，优选出
爆燃气体压裂最优起裂压力和起裂角所对应的最优射孑L相位角。具体计算流程如图4所示。
3 算例分析
采用可视化集成开发工具Visual Basic6．0所提供的组件库，对建立的数学模型进行了编程计算。计
算过程中采用的参数如下： H一一30MPa， 一一25MPa，crh一一15MPa，crd 一6．8MPa，v一0．25，P。
一12MPa，P 一100MPa／ms，1／b一2．8ms。研究分析了不同水平井方位角、不同射孔相位角情况下射孔
水平井的起裂时间、起裂压力及起裂角的变化情况，如图5～ 8所示。
图5为水平井方位角为O。时，裂缝起裂压力、起裂时间、起裂角随不同射孔相位角韵变化情况。图
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石油天然气学报(江汉石油学院学报) 2O1O年8月
出
捌
45
40
舟
35
耋30
25
2O
15
10
0 2O 40 6O 80 l0O 12O 140 l6O 180
射孔相位角 )
图5 射孑L水平井爆燃气体压裂裂缝起裂计算界面 图6 射孔相位角与裂缝起裂压力的关系图
捌
图7 射孑L前后裂缝起裂压力的关系图 图8 射孔水平井方位角与起裂角关系图
6为不同的水平井方位角下爆燃压裂射孔相位角与裂缝起裂压力关系图。从图6中可以看出：水平井方
位角、射孔相位角都会对爆燃气体压裂裂缝起裂压力产生影响，不同的方位角与相位角对应于不同的起
裂压力，每一个水平井方位角都存在一个最优的射孔相位角；在水平井方位角为9o。的情况下，当射孔
相位角也为9O。时爆燃气体压裂射孔水平井的起裂压力最低，即90。为最优射孔相位角，这可为现场施
工提供参考。
根据射孑L完井井壁应力分布模型的思路可以分析裸眼完井爆燃压裂起裂情况，限于篇幅省略具体求
解过程。图7为射孔前后裂缝起裂压力的关系对比图。从图7可以看出，随着水平井方位角的增大，在
没有射孔情况下，裂缝的起裂压力变化不是很明显；对于射孔完井，裂缝的起裂压力普遍比裸眼完井时
的裂缝起裂压力小。当水平井方位角小于45。时，随着水平井方位角的增加，裂缝起裂压力减小，但当
水平井方位角大于45。时，裂缝的起裂压力趋于稳定。由此看来，射孔对减小裂缝的起裂压力是一个非
常有效的方法。
图8为射孔水平井方位角与起裂角关系图。从图8中可以得出如下结论，在射孑L完井爆燃压裂过程
中，以40。水平井方位角为界，小于这个值时裂缝的起裂角增加，而大于这个值时，裂缝的起裂角减
小，直至为0。，看来射孔完井裂缝的起裂压力和起裂角与裸眼完井是不同的，它应综合考虑水平井方
位角及射qCLqCL眼的影响。
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第32卷第4期 孙志宇等：射孔水平井爆燃气体压裂裂缝起裂研究 · 129·
4 结 语
根据爆燃气体压裂射孔水平井的作用特点，基于井筒和射孔孔眼相交应力集中的力学模型建立了水
平井井壁处的应力场及起裂判据，分别计算了水平井方位角与射孔相位角及裂缝起裂压力、起裂角及起
裂时间的关系，可为现场施工参数优化提供理论依据。实例分析表明，每一个水平井方位角都存在一个
最优的射孔相位角；对于爆燃气体压裂射孔水平井，无论水平井方位角为多大，裂缝的起裂压力都比没
有射孔时要小，而且射孔后爆燃压裂的裂缝起裂压力随着水平井方位角的增加而减小，而裸眼井起裂压
力则随着水平井方位角的增加而增大；射孔完井裂缝的起裂压力和起裂角不仅受水平井方位角的影响，
还要受射孔孔眼的制约。
[参考文献]
[1]曾凡辉，郭建春，徐严波，等．压裂水平井产能影响因素[J]．石油勘探与开发，2007，34 (4)：474~478．
[2]周代余，郭建春，赵金洲，等．裸眼完井下的大位移井裂缝起裂研究[刀．西南石油大学学报，2002，24(6)：32~35．
[3]刘建中，王秀娟，孙玉玲，等．人工压裂形成多裂缝的可能性研究[J]．石油勘探与开发，2002，29 (3)：lO3～106．
[4]郭建春，邓燕，赵金洲．射孔完井方式下大位移井压裂裂缝起裂压力研究EJ]．天然气工业，2006，26 (6)：105～107．
[5]Yew C H，Li Y．Fracturing of a deviated wells[J]．Sl~E 16930，1987．
[6]Hossain M M，Rahman M K，Rahman S S A comprehensive monograph for hydraulic fracture initiation from deviated wellbores under
arbitrary stress regimes EJ]．SPE 54360，1999．
[7]Hossain，Rahman M K．Hydraulic fracture initiation and propagation：roles of wellbore tr~ectory，perforation and stress regimes[J]．
J．Pet．Sci． &amp;amp; Eng．，2007，27 (4)： l29～ 149．
[8]Loman G，Phillips D T，Cicon H N．Stimulation of horizontal wells using the dynamic gas pulse loading technique[J]．SPE 37097，
1996．
[9]吴晋军，廖红伟，张杰．水平井液体药高能气体压裂技术试验应用研究EJ]．钻采工艺，2007，30(1)：5o～54．
[1O]蒲春生，孙志宇，王香增，等．多级脉冲气体加载压裂技术[J]．石油勘探与开发，2008，35(5)：636～639．
[11]Yew C H，Li Y．On fracturing design of a deviated wells[J]．SPE 19722，1989．
[12]Austin C E，Rogaland U．Stimutaneous multiple entry fracture gradient prediction for vertical and inclined boreholes[J]．SPE 18263，
1989．
[13]李传亮．油井压裂过程中岩石破裂压力计算公式的理论研究口]．石油钻采工艺，2000，22(2)：43～48．
[14]Nilson R H，Proffer W J，Duff R E．Modeling of gas-driven fractures induced by propellant combustion within a borehole[J]．
Int．J．Rock．Mech．Min．Sci．&amp;amp; Geomech．，1985，22 (I)：3～ 19．
[编辑] 萧雨

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