致密砂岩储层水力喷射割缝射孔诱导裂缝起裂机理与几何-空间优化：实验与有限元模拟协同研究

《Petroleum Science》：Experiments and numerical simulation of hydraulic fracture initiation induced by hydra-jet slotted perforation in tight sandstone reservoirs

　　

水力喷射割缝射孔（Hydra-jet Slotted Perforation）在致密砂岩储层水平井中展现出降低裂缝起裂压力（Fracture Initiation Pressure）和控制裂缝扩展方向的巨大潜力，但其内在机理与优化设计参数仍不明确。本研究将室内实验与有限元模拟（Finite Element Simulation）相结合，系统研究了割缝射孔诱导的裂缝起裂行为。研究人员建立了单槽模型（Single-slot Model）以分析应力分布并优化割缝几何参数，同时开发了井筒尺度模型（Wellbore-scale Model）以评估应力干扰（Stress Interference）并确定最优割缝空间配置。结果表明，与传统射孔相比，割缝射孔能够显著降低裂缝起裂压力并有效控制起裂方向，其根本原因在于割缝端部产生了远强于常规射孔的应力集中（Stress Concentration）效应。增加割缝深度和长度均有利于裂缝起裂，其中割缝长度的影响更为显著，而增加割缝厚度则会抑制裂缝起裂。在恒定深度条件下，较高的长厚比（Length-to-Thickness Ratio）可改善压裂效果，最优长厚比约为3。针对水平井典型单簇六喷嘴水力喷射压裂，最优配置方案为两排割缝、每排三条，排内割缝间隔120°排列，排间相位角为0°。总体而言，与传统定向射孔（Oriented Perforation）相比，割缝射孔可将裂缝起裂压力降低至少14%。上述发现为水平井割缝射孔压裂的设计与现场应用提供了实用指导。

**致密砂岩储层水力喷射割缝射孔诱导裂缝起裂机理与几何-空间优化：实验与有限元模拟协同研究**

**——论文解读**

**一、研究背景与问题提出**

水平井与体积压裂技术的融合已显著提升了深层致密砂岩储层（Tight Sandstone Reservoirs）的能源开采效率。然而，此类储层普遍面临裂缝起裂压力高、裂缝扩展方向难以控制等挑战，严重制约了开发效果。水力压裂（Hydraulic Fracturing）中，射孔作为初始且关键的步骤，直接影响裂缝起裂行为。传统射孔多采用爆炸射孔或磨料水射流（Abrasive Water Jet, AWJ）射孔，形成以圆柱形或圆锥形为主的孔眼，学界对不规则射孔几何形状影响压裂效果的研究尚不充分，限制了压裂效果的进一步提升。基于磨料水射流的持续冲击与灵活运动特性，研究人员近年来提出了一种利用往复扭转喷射枪沿井筒法向平面生成割缝的新型水力喷射割缝方法——AWJ割缝辅助水力压裂（AWJ Slotting-assisted Hydraulic Fracturing）。该方法在射孔阶段引入扭转装置以形成割缝，从而诱导裂缝起裂并控制其方向。前期研究已证实该方法优于传统AWJ射孔，并可产生独特的剑形割缝（Sword-shaped Slot），但此类割缝影响裂缝起裂的内在机理仍不明确，其几何参数与空间配置的优化亟待开展系统研究。

**二、研究内容与重要意义**

为填补上述知识空白，研究人员将室内压裂实验与有限元数值模拟相结合，从单槽尺度和井筒尺度两个层次开展了系统研究。首先，通过拟三轴压裂实验（Pseudo-triaxial Fracturing Experiment）表征了割缝射孔的压裂行为特征；其次，首次建立了单槽应力重构有限元模型（Stress Reconstruction Model），揭示了割缝诱导裂缝起裂的力学机理并优化了割缝几何参数；最后，开发了井筒尺度多割缝应力重构模型，评估了多割缝间的应力干扰效应，确定了水平井压裂的最优割缝空间配置方案。该研究成果为水平井割缝射孔压裂的设计与现场应用提供了理论基础和工程指导，对降低致密砂岩储层压裂施工难度、提高裂缝控制精度具有重要的学术价值和实践意义。

**三、关键技术方法概述**

研究采用实验与数值模拟并行推进的技术路线。实验方面，选用中国四川红砂岩露头（致密砂岩的合适类比材料），加工为直径100 mm、高200 mm的圆柱试样，在拟三轴压裂系统中开展压裂实验；利用后混合式磨料水射流在试样中生成剑形割缝，射流喷嘴出口直径1 mm，喷射距离20 mm，喷嘴横移速度100 mm/min，射流速度250 m/s，磨料为石榴石，体积浓度9%；压裂液黏度960 mPa·s，注入速率20 mL/min。数值模拟方面，基于有限元法（FEM），分别建立了单槽应力重构模型（采用八节点六面体C3D8P单元，网格尺寸1.2 mm，约10万单元，岩石视为均质各向同性线弹性材料，弹性模量15.6 GPa，泊松比0.29）和井筒尺度多割缝模型（包含套管、水泥环和地层，地层域采用非结构化四节点线性四面体C3D4单元，中心网格尺寸40 mm，外围网格尺寸300 mm），以最大拉应力准则（Maximum Tensile Stress Criterion）作为裂缝起裂判据。

**四、主要研究结果**

**（1）割缝射孔与传统射孔压裂的对比**

室内实验表明，割缝射孔显著降低了裂缝起裂难度，并能更有效地控制起裂方向。在相同实验条件下，割缝射孔的裂缝起裂压力仅为传统射孔的60%。传统射孔压裂产生的裂缝形态复杂，除两条主裂缝外还观测到多条潜在次生裂缝，三组裂缝沿不同方向起裂；而割缝射孔压裂仅产生两条对称分布、沿割缝方向起裂的裂缝，表明割缝射孔可有效引导压裂方向。

**（2）外部载荷与割缝几何对起裂难度的影响**

轴向压力对割缝诱导裂缝起裂难度的影响极小，而围压影响显著——围压从1 MPa增至13 MPa时，起裂压力增加约120%。这是因为裂缝始终优先沿割缝方向开启，围压直接阻碍裂缝张开。割缝深度和长度的增加均与起裂难度降低呈正相关：割缝深度加倍使起裂压力降低19%，割缝长度增至1.5倍使起裂压力降低34%，表明割缝长度对起裂难度的影响比深度更为显著。

**（3）割缝周围应力分布特征**

数值模拟揭示，割缝射孔压裂在割缝两端产生强烈的应力集中，形成局部拉伸区，而传统射孔压裂在相同载荷条件下仍维持压缩应力状态。沿割缝长度方向，最大主应力（σ₁）从割缝端部向中心逐渐降低，应力状态从拉伸过渡为压缩，表明割缝端部沿长度方向易发生拉伸破坏，而厚度方向以受压为主。σ₁最大值（σ₁^max）出现在割缝长度端部沿深度方向的路径上，为该处最可能的初始起裂位置。割缝压裂对外部应力变化的敏感性高于射孔压裂，表明其具有更显著的应力集中效应。

**（4）割缝几何参数对应力分布的影响**

增加割缝深度和长度可降低起裂压力，而增加割缝厚度反而使起裂压力升高，表明更扁平的割缝（即更高长厚比）更有利于应力集中。传统射孔可视为长厚比等于1的割缝特例。当长厚比从1增至3时，起裂压力降低约50%；当长厚比超过3后，降幅趋于平缓。因此，对单槽设计而言，长厚比3为推荐最优值。

**（5）多割缝应力干扰与井筒尺度优化**

基于单簇六喷嘴标准配置，研究人员设计了多种割缝组合方案。在无水平应力差条件下，相邻排割缝之间存在应力叠加效应：排间无角度偏转时，应力场相互抑制，起裂点分散；排间存在角度偏转时，应力场互补，叠加拉伸应力促进起裂。在水平应力差条件下，起裂点向最大水平主应力方向偏移，削弱了排间促进作用。综合考虑实际应用中水平应力差的普遍性，以最小化起裂压力为原则，确定最优方案为两排割缝、每排三条，排内割缝间隔120°，排间相位角0°。在该配置下，割缝射孔较定向射孔起裂压力降低至少14%。

**五、讨论总结与研究结论**

讨论部分从机理层面阐明：割缝射孔的键槽形截面（Keyway-shaped Cross-section）产生的应力集中效应显著强于传统射孔的圆形截面，使起裂压力降低且起裂方向可控。即使割缝方向偏离最大水平主应力方向，裂缝仍沿割缝起裂而非从井壁起裂，定向压裂效果优于传统定向射孔。在优化设计方面，长厚比3已可满足单槽设计要求，进一步增大长厚比受限于套管完整性和喷嘴直径等工程约束。

**研究结论翻译如下：**

（1）裂缝引导机理：割缝射孔的键槽形截面比传统射孔的圆形截面产生更强的应力集中效应，从而降低了裂缝起裂压力。应力集中主要集中于割缝两端，促使裂缝沿割缝方向起裂。

（2）割缝几何参数的影响：增加割缝深度和长度有利于压裂，其中割缝长度的影响比深度更为显著。反之，增加割缝厚度会抑制裂缝起裂。在恒定割缝深度下，较高的长厚比可改善压裂效果，长厚比3被推荐为确保作业效率与井筒完整性的最优值。

（3）性能表现与配置建议：与传统定向射孔相比，割缝射孔至少降低14%的裂缝起裂压力，并提供更优的起裂方向控制能力。针对水平井典型单簇六喷嘴水力喷射压裂，最优割缝配置为两排，每排三条割缝，排内割缝间距120°，排间相位角0°。