水力噴射壓裂關鍵機理探討?

馬 飛 楊 逸 宋燕高 付育武

（中國石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川德陽618000）

水力噴射壓裂關鍵機理探討?

馬 飛 楊 逸 宋燕高 付育武

（中國石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川德陽618000）

為了更深入地了解水力噴射壓裂技術的部分機理，通過模擬水力噴射射孔孔內的壓力分布并分析其規律，進行了現場工況條件下噴嘴壓降對孔內壓力的定量分析和不同噴嘴直徑條件下噴嘴壓降與排量關系的計算，結論為：射流速度的衰減將動能轉化為靜壓能，致使孔內壓力升高；增加射流噴射壓力有助于獲得較大的孔內增壓；噴嘴要產生較大的壓降，需要較大的作業排量。

水力噴射孔內壓力噴嘴壓降靜壓動壓

0 引言

水力噴射壓裂技術是近年來發展起來的一項新型壓裂技術，其借助于一種特殊的噴射壓裂工具，可以達到對地層任意位置進行定點壓裂改造的目的[1]。但該技術目前尚處于起步階段，在機理研究方面還有很多未解決的難題[2]。筆者通過室內實驗和數值模擬方法，對孔眼內部壓力的分布規律、噴嘴壓降對孔內壓力的定量分析和噴嘴壓降與排量的計算方法作一探討。

1 孔內壓力分布

數值模擬計算中有3種壓力形式，具體為某一點處的靜壓、動壓和總壓。由于分子不規則運動撞擊于管壁所產生的壓力稱為靜壓[3]；流體流動時產生的壓力為動壓；兩者之和為總壓。分析孔內壓力可以得出孔眼內部的壓力分布規律情況。

根據網格劃分策略及所確定的計算參數進行數值模擬計算。條件為：套管壁面孔徑為10 mm，噴嘴直徑為4 mm，噴射壓力為20 MPa，圍壓為5 MPa，地層最大孔眼直徑為50 mm，孔眼深度為500 mm。

通過對水力噴射壓裂孔眼起始段速度矢量分析得出，由于進口射流在噴嘴附近存在很強的剪切、對流作用，再加上較小的空間尺寸限制，導致射流離開噴嘴后的速度衰減較快，從198 m／s迅速降低到179 m／s。這和普通的射流衰減規律有較大的不同。普通射流都有一個較長的勻速區域，在該區域內射流速度基本等同于噴嘴出口速度，一般該區域距離介于5～50倍噴嘴直徑。該現象從表面上看對射流在井下射孔作業不利，但另一方面由于射流速度的衰減，從而把動能轉化為射流的靜壓能，會提高整體孔道內的靜壓幅度，從而輔助壓裂作業。

噴射過程中，在射流滯止處射流動能轉化為靜壓能，從而使滯止點處壓力較高。在孔眼入口段較小范圍內，動壓值較高，而在孔道頂處，射流靜壓達到最大值。孔內的靜壓值除了在射孔孔眼進口端的部分區域略低外，其他部分的壓力值基本相同。這就類似于“活塞效應”，即壓裂液在狹長的射孔通道內推進時，近似圓形的孔道內的流體就像活塞一樣，壓迫射孔通道的端部，從而使裂縫在端部首先出現并隨之擴展。

2 噴嘴壓降對孔內壓力的影響

為了定量分析孔內壓力的變化情況，參考經典的射流分析方法，選擇在射流軸線上的射流壓力分布進行說明[4]。分別計算了噴嘴直徑為4 mm，圍壓為5 MPa，射流噴射壓力為30 MPa、35、40、45、50 MPa這5種壓力下的壓力分布值。可以得出，盡管射流的入口壓力相差較大，但隨著噴射距離的增加，軸線射流壓力差異大幅降低。在相同的圍壓下，射流噴射壓力越高，在射孔孔眼內的壓力越高，5種壓力所對應的孔內壓力分別為8.7 MPa、9.4、10.2、11.1 MPa和11.8 MPa。顯然，不論是在水力射孔階段還是在水力噴射壓裂階段，增加射流噴射壓力有助于獲得較大的孔內壓力。這說明只要射流噴射壓力足夠大，就可以有效地射穿地層并在地層壓開裂縫。然而在實際情況中，流體噴射入射孔孔眼內，射流與環空流體及孔內流體間的邊界摩擦會造成部分的動能轉化為熱能而損耗掉。當射流壓力過高時，射流動壓轉化為孔內壓力的效率會大大降低，并且過高的射流壓力需要較大功率的泵注設備，這使得通過提高射流噴射壓力來獲得較高的孔內壓力在技術和經濟上變得不切實際。在水力噴射壓裂現場施工時，一般噴嘴壓降為20～35 MPa比較合理。

表1 不同噴嘴直徑、數量和壓降條件下排量計算結果表

3 噴嘴壓降與排量關系計算

水力噴射壓裂工具的噴嘴壓降和排量參數是水力噴射壓裂工藝參數的重要部分。只有確定了噴嘴的直徑、排量、壓降等參數，才能夠進行施工排量、施工壓力等其他參數的計算和確定。通過實驗和理論研究，噴嘴壓降與排量的關系可表示為[5]：

式中pb為噴嘴壓降，MPa；Q為排量，L／s；ρ為流體密度，g／cm3；A為噴嘴總面積，mm2；C為噴嘴流量系數，一般取0.9。

根據上述理論基礎和實際工況，選擇噴嘴直徑分別為5 mm、6 mm、8 mm，噴嘴數量分別為4、6、8個，噴嘴壓降分別為30 MPa、35 MPa、40 MPa，對射流排量進行計算，計算結果見表1。

可以看出，在同一噴嘴直徑下，噴嘴壓降與噴嘴排量成正比，也就是說，同一直徑的噴嘴要產生較大的噴嘴壓降，則需要較大的作業排量，相同作業排量下，選擇噴嘴的數量越多，則產生的噴嘴壓降越小；噴嘴直徑越大，產生同樣噴嘴壓降所需要的工作排量也越大。

4 現場應用

CX1井是中國石化西南油氣分公司在新場構造南翼部署的1口開發評價井。改造層位為2 412.3～2 426.7 m、2 577.2～2 585.9 m、2 650.9～2 673.5 m。結合儲層厚度、裂縫發育狀況、井筒工程條件、地面設備能力等情況，優化設計參數見表2。

表2 CX1井加砂壓裂工藝設計參數表

CX1井進行了分三層壓裂改造，施工采用的6× ?6.0 mm、60°相位角組合的噴槍預計產生的噴嘴壓降為20 MPa，通過現場施工驗證，實際產生的噴嘴壓降約為18 MPa；3組噴嘴在加砂過程中保持完好。

本井噴砂射孔后無產能，通過水力噴射分段壓裂改造后，在穩定油壓6.5 MPa、套壓8.5 MPa的條件下，三層一起測試共獲得天然氣日產量為1.23× 104m3，水產量為6.1 m3。

5 結論

1）水力噴射壓裂工藝中，射流離開噴嘴后速度衰減較快。射流速度的衰減，將動能轉化為射流的靜壓能，外圍流體起到了“密封環”的作用，致使孔內壓力升高，提高整體孔道內的靜壓大小以輔助壓裂作業。

2）不論是在水力射孔階段還是在水力噴射壓裂階段，增加射流噴射壓力有助于獲得較大的孔內壓力。考慮噴射射流的轉換效率，在水力噴射壓裂現場施工時，一般使用噴嘴的壓降為20～35 MPa較為合理。

3）噴嘴要產生較大的噴嘴壓降，則需要較大的作業排量；在相同作業排量下，選擇噴嘴的數量越多，則產生的噴嘴壓降越小；噴嘴直徑越大，產生同樣噴嘴壓降所需要的工作排量也越大。

［1］李根生，沈忠厚.高壓水射流理論及其在石油工程中應用研究進展［J］.石油勘探與開發，2005（2）：3-5.

［2］牛繼磊，李根生.水力噴砂射孔參數實驗研究［J］.石油鉆探技術，2003，31（2）：14-16.

［3］田守嶒，李根生，黃中偉，等.水力噴射壓裂機理與技術研究進展［J］.石油鉆采工藝，2008，30（1）：58-62.

［4］牛繼磊，李根生.水力噴砂射孔參數實驗研究［J］.石油鉆探技術，2003，31（2）：14-16.

［5］Surjaatmandja J B.Subterranean formation fracturing methods：US，5765642［P］.1998.

（編輯：蔣龍）

TE357.1

B

2095-1132（2011）02-0036-02

10.3969／j.issn.2095－1132.2011.02.010

2010－08－24

2011－03－20

?本文系國家重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”（編號：2008ZX05002）基金項目的部分研究內容。

馬飛（1981-），女，碩士，從事油氣田增產技術研究工作。E-mail：gcsjyjmf@tom.com