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

定向射孔广泛应用于油、气井完井措施，其对水力裂人工水力裂缝的形态有很大影响。人工水力裂缝未受扰动的原始地应力场中沿垂直于最小主地应力向扩展，但是由于井眼和炮眼的存在会导致双重应集中而干扰近井区的应力场分布，使得人工水力裂在近井区形态复杂。

定向射孔方向与最大水平地应力方向的夹角、远水平地应力的差值都会影响到裂缝的起裂部位和整形态^[1-3]。应用定向射孔技术有利于减少复杂裂缝产生而生成较宽的单一裂缝^[4]，且0°相位射孔是缓多裂缝的最有效方法^[5]。经定向射孔后再进行水力裂的井具有较低的近井压力损耗和较高的支撑剂铺浓度，平均产能也更高^[6]。

然而由于种种因素的影响，定向射孔不可能准确沿着最大地应力方向，这就造成在了在近井地带可会产生复杂的人工水力裂缝形态(弯曲缝、多裂缝)，从而可能会导致缝宽变窄、压裂液效率降低、脱砂压裂施工净压力过高等问题^[6-12]。

以上情况与定向射孔参数和目标地层性质(地应状态、地层非均匀性等)密切相关。然而目前对此问研究甚少。笔者采用大型真三轴水力压裂物理模拟验系统^[13]进行了室内物模实验，研究了定向射孔水压裂人工水力裂缝的形态和影响因素，并对完井和裂施工提出了一些工程建议。

1　实验模型

大型真三轴水力压裂物理模拟实验所用的人造试三维结构及具体尺寸如图l、2所示，具体试件制备程详见本文参考文献[2]，笔者不再详述。结合实际况及相似准则^[14]，设定实验参数：sv＝15MPa，水平应力差(sH-sh)分别为3MPa、6MPa、9MPa，180°相位角平面简单布3排孔共6个。定义定向射孔方位角(q)为定向射孔方向与最大水平主应力方向之间的夹角，根据实验要求，q分别取值0°、30°、45°和60°。

2　实验结果及分析

2．1　实验结果

大型真三轴水力压裂物模实验按水平应力差(sH-sh)为3MPa、6MPa、9MPa共分为3组，具体实验参数及实验结果如表1所示。

试件l、试件5和试件9的定向射孔方位角为0°，人工水力裂缝沿0°和l80°相位射孔起裂后并不改变方向，产生一条规则的双翼裂缝，人工水力裂缝形态与裸眼井压裂类似。

试件2、试件3、和试件6中的人工水力裂缝沿0°和180°相位射孔起裂后逐渐转到最优裂缝面方向，形成了一条基本对称的双翼弯曲裂缝。且在加载三向应力条件不变的情况下，由于射孔方位角的增大，试件3的破裂压力和水力裂缝转向半径较试件2均有所增加。

试件4、试件7和试件10的人工水力裂缝形态极为特殊。不仅在井眼两侧沿定向射孔尖端起裂形成一条双翼弯曲裂缝，同时，水力裂缝还在井眼的一侧自射孔孔眼根部与井壁的交汇处起裂、穿透水泥环一段距离后沿sH方向与井壁的交汇处起裂、延伸、产生了一条单翼裂缝，裂缝形态不对称。笔者将此裂缝形态定义为非对称多裂缝系统。这是在定向射孔水力压裂大型物模实验中首次观察到的特殊现象。且在加载三向应力条件不变的情况下，破裂压力和水力裂缝的转向半径均达到该组实验的极大值。同时，由于水平应力差的增加，多裂缝系统的缝宽受到的限制加剧，试件4、试件7和试件10的破裂压力呈递增趋势而水力裂缝的转向半径呈递减趋势。

试件8和试件11，人工水力裂缝从微环面起裂，形成一个穿过微环面后沿盯H方向扩展的双翼裂缝。较同组的前次实验，其破裂压力减小。

2．2　影晌因素分析

2．2．1定向射孔方位角的影响

由表l可见：当定向射孔沿着最大水平地应力方向或与最大水平地应力方向有一较小夹角时，人工水力裂缝一般沿着定向射孔方向起裂，产生一条规则的双翼平直裂缝或双翼弯曲裂缝；当定向射孔方位角很大时，由于井壁上应力集中的最大值出现在最大水平地应力方向^[1，3]，此时人工水力裂缝并不沿定向射孔起裂，而是沿最大水平地应力方向起裂，产生一条穿过微环面的双翼平直裂缝(此时孔眼进液，但没有水力裂缝起裂)。

在定向射孔方位角由小变大的过程中，发现存在一个临界角度，此时，定向射孔处和最大水平地应力方向处的第一主应力的大小相等，裂缝可能会同时在这两个位置起裂^[1，3]。实验表明：在试件4、试件7和试件10中产生了非对称多裂缝系统，井眼一侧是一条沿定向射孑乙起裂的转向裂缝和一条白射孔孔眼根部与井壁的交汇处起裂、穿透水泥环一段距离后沿sH方向与井壁的交汇处起裂、延伸的单翼平直裂缝，井眼的另一侧是沿定向射孔起裂的转向裂缝(图3)。而且在地应力状态一定的情况下，随着定向射孔方位角的增大，由于水力裂缝的起裂困难和弯曲，产生人工水力裂缝所需的破裂压力逐渐变大、水力裂缝的转向半径也越来越大；在产生非对称多裂缝时，破裂压力和裂缝转向半径均达到实验的最大值(表1)。

整体上形状复杂的多裂缝系统会增加人工水力裂缝在扩展过程中所需的净压力，并且使得每个裂缝的宽度减小，导致过高的压裂施工净压力，可能会造成支撑剂桥堵而过早脱砂，非常不利于水力压裂施工的顺利进行。本实验所用的人造试件可视为均匀介质，但产生的人工水力裂缝在整体上并不对称，而对于进行增产作业的实际地层，其非均匀性会影响近井地带的应力场分布，且由于同井水泥环胶结质量的影响，因此，在多个起裂点同时起裂形成人工水力裂缝具有较大的不确定性和随机性，这使得现场压裂施工中实际形成的人工水力裂缝形态会更加复杂和难以预测，对压裂设计、施工和压后裂缝拟合都会造成严重影响。

2．2．2水平应力差的影响

在不同的水平应力差状态下，即使定向射孔方位角相同，人工水力裂缝的形态也不尽相同；而且随着水平应力差的增加，产生非对称多裂缝系统的临界射孔角度呈减小趋势(表1)。可见水平应力差对人工水力裂缝形态和临界射孔角度都有很大影响。

利用本压裂模拟实验结果，可回归出产生非对称多裂缝系统的临界射孔角度和水平应力差的相互关系曲线(图4)。当水平应力差和定向射孔方位角的坐标落在蓝色临界线的左下侧时，人工水力裂缝会沿定向射孔方向起裂，形成一条基本对称的双翼平直裂缝或双翼弯曲裂缝；当水平应力差和定向射孔方位角的坐标落在蓝色临界线的右上侧时，人工水力裂缝会沿着最大水平地应力方向起裂，产生一条穿过微环面的双翼平直裂缝；当水平应力差和定向射孔方位角的坐标正好落在蓝色临界线上时，人工水力裂缝可能沿着定向射孔方向和最大水平地应力方向多点同时起裂，形成非对称多裂缝系统。该预测结果与本文参考文献[3]的有限元模拟计算结果比较一致。运用该图可以用来预测定向射孔水力压裂裂缝形态，为现场压裂施工提供参考。但鉴于实际地层因素和完井因素的影响，实际的临界射孔角度可能会有所变化。

3　结论和建议

1)定向射孔方位角和水平应力差对人工水力裂缝的起裂和形态有重大影响，定向射孔水力压裂所形成的人工水力裂缝不会完全是一条规则的裂缝，而是整体上形状复杂的非对称多裂缝系统。且由于实际地层的非均匀性和固井、完井因素的影响，人工水力裂缝的形态将会更加复杂。

2)对于水平应力差较小的地层，人工水力裂缝一般沿着定向射孔方向起裂；但对于水平应力差较大的地层，则将会出现非对称多裂缝系统或穿过微环面的双翼平直裂缝。

3)在进行定向射孔时，通过提高原场地应力测量的精度和定向射孔的定向精度。将定向射孔方位角控制在较小角度，优化固井、完井质量，将有利于避免产生形态复杂的人工水力裂缝，达到降低压裂施工难度和压裂增产效果的最优化。

参考文献

[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]姜浒，陈勉，张广清，等．定向射孔对水力裂缝起裂与延伸的影响[J]．岩石力学与工程学报，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]张广清，陈勉，赵艳波．新井定向射孔转向压裂裂缝起裂与延伸机理研究[J]．石油学报，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]张保平，方竞，田国荣，等．水力压裂中的近井筒效应[J]．岩石力学与工程学报，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]张广清，陈勉．水平井水力裂缝非平面扩展研究[J]．石油学报，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：姜浒  刘书杰  何保生  陈勉  张广清

作者单位：中海油研究总院

  “油气资源与探测”国家重点实验室·中国石油大学