馬 飛 楊 逸 宋燕高 付育武

（中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川德陽(yáng)618000）

水力噴射壓裂關(guān)鍵機(jī)理探討?

馬 飛 楊 逸 宋燕高 付育武

（中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川德陽(yáng)618000）

為了更深入地了解水力噴射壓裂技術(shù)的部分機(jī)理，通過(guò)模擬水力噴射射孔孔內(nèi)的壓力分布并分析其規(guī)律，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工況條件下噴嘴壓降對(duì)孔內(nèi)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(guān)系的計(jì)算，結(jié)論為：射流速度的衰減將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，致使孔內(nèi)壓力升高；增加射流噴射壓力有助于獲得較大的孔內(nèi)增壓；噴嘴要產(chǎn)生較大的壓降，需要較大的作業(yè)排量。

水力噴射孔內(nèi)壓力噴嘴壓降靜壓動(dòng)壓

0 引言

水力噴射壓裂技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型壓裂技術(shù)，其借助于一種特殊的噴射壓裂工具，可以達(dá)到對(duì)地層任意位置進(jìn)行定點(diǎn)壓裂改造的目的[1]。但該技術(shù)目前尚處于起步階段，在機(jī)理研究方面還有很多未解決的難題[2]。筆者通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，對(duì)孔眼內(nèi)部壓力的分布規(guī)律、噴嘴壓降對(duì)孔內(nèi)壓力的定量分析和噴嘴壓降與排量的計(jì)算方法作一探討。

1 孔內(nèi)壓力分布

數(shù)值模擬計(jì)算中有3種壓力形式，具體為某一點(diǎn)處的靜壓、動(dòng)壓和總壓。由于分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)撞擊于管壁所產(chǎn)生的壓力稱為靜壓[3]；流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力為動(dòng)壓；兩者之和為總壓。分析孔內(nèi)壓力可以得出孔眼內(nèi)部的壓力分布規(guī)律情況。

根據(jù)網(wǎng)格劃分策略及所確定的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)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(guò)對(duì)水力噴射壓裂孔眼起始段速度矢量分析得出，由于進(jìn)口射流在噴嘴附近存在很強(qiáng)的剪切、對(duì)流作用，再加上較小的空間尺寸限制，導(dǎo)致射流離開(kāi)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(guī)律有較大的不同。普通射流都有一個(gè)較長(zhǎng)的勻速區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)射流速度基本等同于噴嘴出口速度，一般該區(qū)域距離介于5～50倍噴嘴直徑。該現(xiàn)象從表面上看對(duì)射流在井下射孔作業(yè)不利，但另一方面由于射流速度的衰減，從而把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為射流的靜壓能，會(huì)提高整體孔道內(nèi)的靜壓幅度，從而輔助壓裂作業(yè)。

噴射過(guò)程中，在射流滯止處射流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，從而使滯止點(diǎn)處壓力較高。在孔眼入口段較小范圍內(nèi)，動(dòng)壓值較高，而在孔道頂處，射流靜壓達(dá)到最大值?？變?nèi)的靜壓值除了在射孔孔眼進(jìn)口端的部分區(qū)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(yīng)”，即壓裂液在狹長(zhǎng)的射孔通道內(nèi)推進(jìn)時(shí)，近似圓形的孔道內(nèi)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(xiàn)并隨之?dāng)U展。

2 噴嘴壓降對(duì)孔內(nèi)壓力的影響

為了定量分析孔內(nèi)壓力的變化情況，參考經(jīng)典的射流分析方法，選擇在射流軸線上的射流壓力分布進(jìn)行說(shuō)明[4]。分別計(jì)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?？梢缘贸?，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(nèi)的壓力越高，5種壓力所對(duì)應(yīng)的孔內(nèi)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(nèi)壓力。這說(shuō)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(kāi)裂縫。然而在實(shí)際情況中，流體噴射入射孔孔眼內(nèi)，射流與環(huán)空流體及孔內(nèi)流體間的邊界摩擦?xí)斐刹糠值膭?dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而損耗掉。當(dāng)射流壓力過(guò)高時(shí)，射流動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為孔內(nèi)壓力的效率會(huì)大大降低，并且過(guò)高的射流壓力需要較大功率的泵注設(shè)備，這使得通過(guò)提高射流噴射壓力來(lái)獲得較高的孔內(nèi)壓力在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上變得不切實(shí)際。在水力噴射壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，一般噴嘴壓降為20～35 MPa比較合理。

表1 不同噴嘴直徑、數(shù)量和壓降條件下排量計(jì)算結(jié)果表

3 噴嘴壓降與排量關(guān)系計(jì)算

水力噴射壓裂工具的噴嘴壓降和排量參數(shù)是水力噴射壓裂工藝參數(shù)的重要部分。只有確定了噴嘴的直徑、排量、壓降等參數(shù)，才能夠進(jìn)行施工排量、施工壓力等其他參數(shù)的計(jì)算和確定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究，噴嘴壓降與排量的關(guān)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(shù)，一般取0.9。

根據(jù)上述理論基礎(chǔ)和實(shí)際工況，選擇噴嘴直徑分別為5 mm、6 mm、8 mm，噴嘴數(shù)量分別為4、6、8個(gè)，噴嘴壓降分別為30 MPa、35 MPa、40 MPa，對(duì)射流排量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(shuō)，同一直徑的噴嘴要產(chǎn)生較大的噴嘴壓降，則需要較大的作業(yè)排量，相同作業(yè)排量下，選擇噴嘴的數(shù)量越多，則產(chǎn)生的噴嘴壓降越??；噴嘴直徑越大，產(chǎn)生同樣噴嘴壓降所需要的工作排量也越大。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

CX1井是中國(guó)石化西南油氣分公司在新場(chǎng)構(gòu)造南翼部署的1口開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)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(jié)合儲(chǔ)層厚度、裂縫發(fā)育狀況、井筒工程條件、地面設(shè)備能力等情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 CX1井加砂壓裂工藝設(shè)計(jì)參數(shù)表

CX1井進(jìn)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(yù)計(jì)產(chǎn)生的噴嘴壓降為20 MPa，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工驗(yàn)證，實(shí)際產(chǎn)生的噴嘴壓降約為18 MPa；3組噴嘴在加砂過(guò)程中保持完好。

本井噴砂射孔后無(wú)產(chǎn)能，通過(guò)水力噴射分段壓裂改造后，在穩(wěn)定油壓6.5 MPa、套壓8.5 MPa的條件下，三層一起測(cè)試共獲得天然氣日產(chǎn)量為1.23× 104m3，水產(chǎn)量為6.1 m3。

5 結(jié)論

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

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(nèi)壓力。考慮噴射射流的轉(zhuǎn)換效率，在水力噴射壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，一般使用噴嘴的壓降為20～35 MPa較為合理。

3）噴嘴要產(chǎn)生較大的噴嘴壓降，則需要較大的作業(yè)排量；在相同作業(yè)排量下，選擇噴嘴的數(shù)量越多，則產(chǎn)生的噴嘴壓降越?。粐娮熘睆皆酱?，產(chǎn)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(yīng)用研究進(jìn)展［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2005（2）：3-5.

［2］牛繼磊，李根生.水力噴砂射孔參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2003，31（2）：14-16.

［3］田守嶒，李根生，黃中偉，等.水力噴射壓裂機(jī)理與技術(shù)研究進(jìn)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(shù)實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油鉆探技術(shù)，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(guó)家重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”（編號(hào)：2008ZX05002）基金項(xiàng)目的部分研究?jī)?nèi)容。

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