1、测 井 技 术WELL LOGGING TECHNOLOGYVol.47 No.2 Apr 2023第47卷 第2期 2023年4月文章编号：1004-1338（2023）02-0236-05射孔参数对硬质岩石起裂压力的影响规律研究石耀1，盛廷强1，李必红2，朱秀星3，李超1，揭志军1（1.中海油田服务股份有限公司油田技术事业部，河北 廊坊 065201；2.物华能源科技有限公司，陕西 西安 710061；3.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580）摘要：BZ气田中深部地层以硬质岩石为主，储层起裂压力大，压裂作业的难度与危险性大。射孔孔道是传递压裂动力的通道，合理的射
2、孔参数设计能够降低储层的起裂压力。基于断裂相场理论，结合压裂液流动-岩石应力损伤耦合方程，建立基于相场法的裂缝扩展模型，并通过现场数据验证模型的可靠性。结合BZ气田岩石力学数据及射孔弹打靶试验，采用压裂数模软件模拟不同射孔方案下硬质岩石的起裂压力变化规律。研究结果表明：定向射孔时，沿水平最大主应力方向射孔岩石的起裂压力最小；螺旋射孔时，相位越大，孔密越小，起裂压力越大；不考虑孔道摩阻的影响，孔径对起裂压力影响较小；起裂压力随着穿深的增加而降低，且穿深小于100 mm时起裂压力的降低幅度最大。建议BZ气田采用定向射孔，射孔方向沿水平最大主应力方向，射孔孔密大于每米16孔，射孔弹穿深大于100 m
3、m，孔径尽量大；如果采用螺旋射孔，则射孔相位要小于60。该研究成果为BZ等硬质岩石油气田储层压裂改造射孔参数优选提供参考，可提升储层压裂效果。关键词：射孔参数；起裂压力；硬质岩；断裂相场理论中图分类号：P631.84 文献标识码：ADoi：10.16489/j.issn.1004-1338.2023.02.017Study on the Influence of Perforation Parameters on the Initiation Pressure of Hard Rock SHI Yao1,SHENG Tingqiang1,LI Bihong2,ZHU Xiuxing3,LI C
4、hao1,JIE Zhijun1(1.Oilfield Technology Branch,China Oilfield Services Limited,Langfang,Hebei 065201,China;2.Wuhua Energy Technology CO.LTD.,Xian,Shaanxi 710061,China;3.College of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao,Shandong 266580,China)Abstract:The middl
5、e and deep layer of BZ gas field are mainly hard rocks,and the reservoir fracturing pressure is high,which increases the difficulty and risk of fracturing operation.Perforating channel is the passageway to transmit fracturing power,thus optimizing perforating parameters is an important measure to re
6、duce rock fracture pressure.Based on the theory of fracture phase field and the coupling equation of fracturing fluid flow and rock stress damage,fracture extending model based on phase field method is established,and the reliability of the model is verified by field data.Combined with the rock mech
7、anics interpretation data of BZ gas field and the shooting test of perforating charge,fracturing software is used to simulate the variation law of hard rock fracturing pressure under different perforation schemes.When the perforation is in the direction of the maximum horizontal principal stress,the
8、 rock initiation pressure is the smallest.In spiral perforation,when the phase gets larger,the hole density and the maximum fracturing pressure are getting smaller.The influence of pore diameter on the initiation pressure is small without considering the influence of pore friction.With the increase
9、of penetration depth,the crack initiation pressure decreases,and when the penetration depth is less than 100 mm,the decrease is large.It is recommended to adopt directional perforation in BZ gas field.The perforation direction is along the direction of maximum principal stress,the perforation densit
10、y is greater than 16 holes/m,the perforation depth is greater than 100 mm,and the aperture is as large as possible.If spiral perforation is used,the perforation phase is less than 60.The research results provide a reference for the optimization of perforation parameters of hard rock in BZ gas field.
11、Keywords:perforation parameter;initiation pressure;hard rock;fracture phase field theory基金项目：中国海洋石油集团有限公司“十四五”重大项目“测录试关键技术与装备基于油藏地质的一体化射孔技术装备研制与工程化”（KJGG-2022-1401）第一作者：石耀，男，1988 年生，硕士，工程师，从事生产测井仪器、采集系统的研发及相关数据处理方法和射孔技术研究。E-mail：石耀，等：射孔参数对硬质岩石起裂压力的影响规律研究第47卷 第2期237 0 引 言BZ气田中深部储层以硬质岩石（花岗岩与砂砾岩）为主，地应力
12、及岩体强度高，存在起裂压力高、裂缝扩展难以控制的问题。射孔孔道是压裂液泵入地层的通道，合理的射孔参数设计可以减小“撕开”地层所需动力，降低起裂压力。因此，研究射孔参数对硬质岩石起裂压力的影响规律，对于提高BZ气田等硬质岩石储层压裂效果有重要意义。目前，学者针对射孔方案对岩石起裂压力的影响开展大量的研究。胡永全等1、李根生等2、Alekseenko等3采用有限元方法或边界元方法研究射孔参数对地层破裂压力的影响规律，并取得部分成果，但这两种方法都将裂缝作为突变型界面处理，存在裂缝尖端模拟困难、计算量大、计算不容易收敛等问题。相场法通过使用扩散性裂缝拓扑结构来求解断裂问题，较好地解决了以上问题。Bo
13、urdin等4基于相场理论，模拟了没有考虑滤失和基质渗流的简单水力裂缝的起裂与扩展过程。Hunsweck等5模拟非渗透介质中裂缝尖端的应力场与单缝扩展过程，分析流体尖端与裂缝开度和扩展过程的关系。Markert等 6和Heider等7建立了考虑基质渗流的相场法压裂模型，并模拟简单的裂缝相交。Mauthe等8建立一种新的求解弹性变形准静态问题的极小值模型，研究了考虑渗流作用的直井圆形井筒多射孔孔眼的起裂问题。以上研究主要针对岩石裂缝起裂与扩展机理，而对射孔参数如何影响岩石起裂压力的研究较少。鉴于相场法在模拟岩石起裂与扩展方面的优势，本文采用断裂相场理论，应用压裂数模软件，模拟不同射孔参数条件下硬
14、质岩石水力裂缝的起裂与扩展过程，研究射孔参数对硬质岩石起裂压力的影响规律，并根据分析结果研制硬质岩射孔弹，为BZ气田等深部硬质储层压裂方案优化提供参考。1 基于相场法的裂缝扩展模型在水力压裂产生裂缝的过程中，相场是描述岩石从无损伤状态到完全断裂平滑过渡的一个标量场，相场的扩展过程代表了在压裂液的作用下岩石从完整到逐渐损伤，最终断裂的过程。相场法是用连续变化的序参量或相场来模拟裂缝尖端的突变界面。基于连续介质力学、断裂力学、损伤力学的相关理论，结合压裂液流动-岩石应力损伤耦合方程，建立基于相场法的裂缝扩展模型，见式（1）式（3）9-10。Glclcc Htc00222 1()()(,)-=-（1
15、）Htt(,)max(,)=+eff（2）c=01,固体无损伤固体撕裂（3）式中，Gc为裂缝临界能量释放率，Pam；l0为裂缝区长度，mm；c为固体状态辅助值；+eff(,)t 为拉伸弹性应变能，Pa；为应变张量；t为时间，s；H(,t)为应变阶跃函数。将饱和流体的多孔介质视为线弹性材料，得到如式（4）的多孔弹性岩石的应力平衡方程。-=()effpI0（4）式中，为散度算子；eff为有效应力张量，Pa；Ip为单位张量；为Biot系数。假设流体在基质和裂缝中的流动均满足达西流动定律，则压裂过程中多孔介质的流体流动连续性方程见式（5）。10MpttKp+-|=ii（5）式中，M为Biot模量，Pa
16、；p为流体压力，Pa；ii为体积应变；为流体黏度，Pas；K为渗透率张量，m2，由于裂缝的影响，岩石的渗透率是各向异性的。2 相场法裂缝扩展模型的验证以研究区的BZ-X1井为例，采用基于相场法的裂缝扩展模型分析孔店组3 7403 748 m井段的岩石起裂压力，将该模型的数据与现场施工数据进行对比，验证模型的可靠性。BZ-X1井的弹性模量为6.63 GPa，泊松比为0.25，水平最小主应力为57.09 MPa，渗透率为0.12 mD*，孔隙度为8.28%，脆性指数为63.1%。该井的套管尺寸为7 in*，对该井进行螺旋射孔，射孔枪尺寸为4 in，相位为60，孔密为每米16孔，穿深为215 mm，孔径为12 mm。建立60螺旋射孔相场法裂缝扩展模型（1个周期），采用压裂数模软件，模拟裂缝起裂及延展过程（见图1）。地层模型的尺寸为600 mm600 mm 600 mm，地层垂向应力v为91.42 MPa，水平最大主应力H为84.90 MPa，水平最小主应力h为57.09 MPa。*非法定计量单位，1 mD=9.87104 m2；1 in=25.4 mm，下同2023年测 井 技 术238 假
