纖維在壓裂管柱中的減阻機理探討

王輝鋒

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司，陜西 西安 710000）

纖維在壓裂管柱中的減阻機理探討

王輝鋒

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司，陜西 西安 710000）

本文對液體在管柱中的減阻增排的原理進行了分析, 從而論證了在深儲層油田開采的管道壓裂施工過程中, 纖維在壓裂管柱中與壓裂液的相互作用, 闡述了纖維的減阻增排量的工作原理。

纖維；壓裂液；壓裂管

進入新世紀以來，油氣勘探技術發展迅猛，大量深儲層油田被陸續發現，油層越深，對壓裂液提出了更高的要求。本文將對壓裂液在管道流動中的工作原理進行剖析，重點探討纖維在深層油氣開發中的作用。

1 減小摩擦力，增加排放的原理

緩緩的向管柱中注入工作液體后，液體順著管壁向下流動時，會與管壁發生摩擦，液體會殘留在管壁上，甚至是厚達一層的液體，產生的摩擦力可大可小，如果產生的摩擦阻力較強，液體在管道內的流速就會極大的下降，給施工帶來麻煩。這種液體具有很強的粘性，對管道有很強的附著力，而液體在管道內流動存在著速度梯度差。液體的流速與管壁距離存在著負相關的關系，也就是說，液體流的越遠，流速越慢，速度梯度越大，如果在施工過程中想使管內液體沿管道有一個較快的流速，就必須加大液體在管道內的速度梯度差。

此外，還有一個重要因素，那就是管道半徑，管道半徑的粗細，對液體在管道流動的平均速度或排量有著重要影響，液體流動速度在接近壁管的地方影響大。因此，使流體的速度梯度變大，著重加大壁面周圍的速度梯度，可以收到在不增加外界壓力的前提下，達到減阻增排的目的。

但是，受力情況在定向管柱中的相互作用是很難把握的，在本文中，我們拿垂直圓管舉例，在垂直圓管中注入穩定流動的液體，取一個圓柱，要求這個圓柱要與管柱同軸。給圓柱同時施加兩個外力，在兩個外力的作用下，此時，圓柱四周的液體在壓力差的作用下產生流動摩擦力。

一般情況下，兩部分組成軸向切內力，依據牛頓內摩擦定律，對于層流來說，層流速度分布是拋物線型，而且呈現軸對稱形狀，大約是一種旋轉型的拋物面。再從流動形態上來看，脈動和漩渦式不存在的，要實現減阻增排的目的，就必須改變壓裂液的屬性。

2 纖維的減阻增排作用

通常我們認為，可以增加包括重力在內的各類外界壓力來增強速度差，改變速度梯度，用這種方法，可以極大地增強加砂后管道壓裂后的排量，但是這種方法對施工的環境﹑施工設備和工人的素質有一定要求，用這種方法來達到正常施工的要求，會極大地增加成本，尤其是現在施工環境越來越來惡劣，為了解決這個問題，我們需要在壓裂液中加入能起減阻降壓作用的物質，這個物質比較理想的就是纖維。在壓裂液中適當加入纖維，理論上我們認為如果加入纖維，壓裂液處于一種層流狀態，纖維不起任何作用。我們在施工中經常會發現，壓裂液往往是一種急速流動的狀態，這種情況就可以實現增加速度梯度﹑增大排量的目的。

注入纖維的壓裂液，當液體微團以徑向脈動的形式在圓柱面內由外側向內側流動時，流體的流動形式和其它作業流體的流動性是完全一樣，都是從流速較低的流層進入流速較高的流層，產生的一個重要結果就是，低速流體的大量摻入和動的量互相傳導，可以使圓柱內側的液體的流速較大幅度的下降。根據流體連續性原理我們得知，同時存在相同量的液體從圓柱內側滲出，流向外側，較高速液體的滲入可以導致圓柱面外側液體的速度加快。也就是說，由于徑向脈動速度的存在，導致兩側流體的速度差即時均速度梯度減小，阻礙流體的剪切流動，這就相當于流動阻力得到了增加。

當壓裂液在湍流狀態中流動時，加入壓裂液，纖維長鏈兩端流體的時均速度會有較大的改變，此時，纖維長鏈的一側隨液體流動比另一側要快得快，速度差會使長鏈產生大約180°左右的轉動，這個轉動是可以接受的，兩端的速度差為零這個轉動的角度會重新擺到正常的位置。高分子長鏈會與液流方向保持平行狀態。我們可以假定一個流體微團在A點具有足夠大的徑向脈動速度時。在液體微團沿徑向流動的過程中，一方面使大量液體旋轉形成許多不規則的旋渦，另一方面這些液體會受到粘滯力的阻礙作用，所以液體徑向脈動速度會逐漸變小，當流體微團移動到另一端，我們假設為B點時，如果存在著與管徑垂直的纖維長鏈，而且纖維鏈長度遠大于液體微團的上限時，那么在A和B兩點之間的纖維鏈在液體微團的外力作用下，只能發生部分彎曲而不會大范圍擺動，這樣可以產生阻礙液體微團脈動的形變彈性力，使流體微團在B點的徑向脈動速度進一步減小。

從這些論證我們可以看出，在管道徑向纖維長鏈呈現出的彎曲的變形狀態，同時各點時均速度有所不同，迫使纖維鏈重新恢復原來的面目，這樣可以抑制了流體微團的縱向流動，從而實現了減阻增排的目的。另外，我們必須認識到，在射孔孔眼和地層裂縫中，纖維不會對減阻增排發生任何影響。

3 現場實例

到目前為止，對管道進行化解摩擦阻力，來增加排量的技術還沒有達到一種先進的程度，在管道中加入纖維的方法，仍然處在探索階段，不過到目前為止，纖維網絡加砂工藝，能夠極大地改變了增強外力后管道工作液在返排過程中支撐劑的倒流，實驗和施工過程，在運用該項技術后，在壓裂管柱中加入纖維，使纖維隨壓裂液運行時，減少摩擦阻力的效果還是很明顯的，我們有這樣的實例，例如cx560井在施工中就是采用了這種工藝，這口井是位于四川西部拗陷中段新場構造結構的一口正在勘探中的井，2008年初，對該井T3x4（ 3502～3546m） 進行了50立方米的陶粒加砂壓裂作業。這口井是直井，在加砂壓裂改造作業中采用了89mmP110油管注入，壓裂液排量達到了每分鐘6立方米，針對施工泵注采用線性加砂的工藝，按照步驟，在施工后期用尾追加砂的方式，希望實現防止支撐劑回流，在施工的尾追階段，加入纖維，此時，壓力在壓裂管柱中是迅速地下降狀態，從75百帕降到70百帕，這證明了，纖維在管柱中起到了降低摩擦增排的作用。

結語

纖維在管柱的減阻增排過程中所發揮的作用，是將壓裂液的流動狀態進行改變，這樣可以有效抑制壓裂管柱中因為壓裂液的湍流引起的壓裂液流動阻力。

[1]袁恩熙．工程流體學[M]．北京：石油工業出版社，1986．

[2]黃永念，顏大椿（譯）湍流[M]．北京：科學出版社，1987．

[3]趙榮．一趟管柱分壓兩層管柱力學分析［J］．長江大學碩士論文．

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