水力喷射压裂孔道内部增压机制

曲 海，李根生，黄中伟，田守嶒

（中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

水力喷射压裂孔道内部增压机制

曲 海，李根生，黄中伟，田守嶒

（中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

在室内试验基础上，结合计算流体力学方法，得到水力喷射压裂孔道内的压力分布，并对喷嘴压降、喷嘴直径、套管孔眼直径对孔道增压的影响进行分析。结果表明:在水力射流和套管孔眼密封的共同作用下，水力喷射产生的孔道内部存在增压现象，从而在套管压力低于地层起裂压力下压开地层;孔道压力随喷嘴压降和喷嘴直径的增大而增加;套管孔眼起到的密封作用能够大幅提高孔道压力，对孔道的增压影响很大;水力喷射压裂技术应用于裸眼井时，孔道增压有限，需要提高套管压力才能压裂地层。

水力压裂;增压机制;孔道;室内试验;数值模拟

水力喷射压裂是集水力射孔和压裂于一体的新型油田增产技术，可以实现水力射孔和压裂联作，无须机械封隔，一趟管柱可实现多层位压裂，具有作业周期短、适应不同完井方式等特点［1-2］。该技术突出特点是能够在井筒压力低于地层破裂压力的情况下，利用水力喷射增压机制通过水力射孔的孔道在地层中产生裂缝。目前许多文献中主要介绍该技术的施工应用［2-6］，而对增压机制研究很少。笔者在室内试验的基础上，结合计算流体力学方法，针对孔道增压机制开展研究，从而掌握水力喷射压裂过程孔道增压规律，为该项新增产技术的良好应用打下理论基础。

1 孔道内部增压机制

如图1所示，油管下入带有多个喷嘴的喷砂射孔工具到预定层位，高压磨料浆体通过喷嘴高速射出，射穿套管，然后作用于地层。经过一段时间，地层孔道的长度达到最大值［7］。如果地层未压裂，高速流体冲击孔道内部流体，受到其阻碍作用，致使一部分射流动能转化为射流静压能，提高了孔道压力。连续射流冲击到孔道前端，产生稳定的滞止压力，增加了孔道前端区域的压力，使得裂缝易于在孔道末端产生。返回流体必须通过套管孔眼进入井筒，同时高速射流从同一孔眼进入地层，只不过射流处于孔眼中心，返回流体处于外围。由于套管孔眼很小，返回流体与射流之间存在强烈对流作用，使得返回流体产生回流压力，进一步提高了孔道压力。

在射流冲击作用和套管孔眼的密封作用下，孔道压力得到提高。当孔道增压值与井筒压力的叠加超过地层破裂压力瞬间，裂缝将在孔道顶端产生并向前延伸。产生裂缝的条件为

式中，pz，pw，pf分别为增压、井筒压力和地层破裂压力，MPa。

图1 水力喷射压裂机制示意图Fig.1 Sketch map of hydrajet-fracturing principle

通过计算流体软件模拟，能够清楚地展示孔道增压现象，如图2所示。油管压力和井筒压力分别设为40和15 MPa。孔道压力可以达到23.2 MPa，增压值为8.2 MPa。

图2 三维流场压力分布Fig.2 Pressure distribution in 3D flow field

2 室内试验

为测试水力喷射过程中孔内压力，设计了相应的试验装置［8］。试验装置由支座、高压管汇、喷嘴、前后调压阀、模拟套管壁、模拟射孔孔眼、数据采集/处理系统以及压帽组成。模拟的地层孔道由一系列可调短节组合而成，其内表面便形成模拟孔道，每个短节上安装有压力传感器，压力数据将传输到数据采集/处理系统。利用此方法可以测试不同形状孔道的内部压力分布。

水力喷射产生的孔道形状为中间粗、两端细的纺锤形［9］，试验建立的孔道尺寸为:长度200 mm，入口直径20 mm，最大直径40 mm。套管孔眼直径Dh一般是喷嘴直径Dn的两倍［10］。入口压力（油管压力）pi和出口压力（井筒压力）po可以通过调压阀设定，二者之差便是喷嘴压降Δp。由此在确定孔道长度、喷嘴直径和套管孔眼直径后，通过设定试验装置入口和出口压力可以测得不同喷嘴压降下孔道内部压力。

3 结果分析

3.1 喷嘴压降对孔道增压的影响

图3是6 mm喷嘴在出口压力15 MPa、不同喷嘴压降下的模拟和试验结果。由图3模拟结果可以看出，流体经过喷嘴收缩段、直线段和井筒，其压力急剧降低。当进入套管孔眼，射流压力开始快速上升，在距离套管孔眼入口大约20 mm时压力保持恒定。当喷嘴压降为5 MPa时孔道压力恒定值为16.7 MPa，比出口压力高1.7 MPa。图3试验结果表明，喷嘴压降为5和10 MPa，孔道压力分别为17，18.7 MPa，增压值分别为2，3.7 MPa。可以看出，孔道压力的试验结果与模拟结果吻合很好。由此可知，喷嘴直径一定时，随着喷嘴压降的增大，孔道压力增加，增压效果明显。因此，在现场施工条件允许的情况下，可以适当增大喷嘴压降。

图3 喷嘴压降对孔道压力的影响Fig.3 Effect of nozzle pressure drops on pressure distribution within cavity

3.2 喷嘴直径对孔道增压的影响

图4为不同喷嘴直径下孔道增压的试验结果。由图4可知，增压值与喷嘴压降呈很好的线性关系。当喷嘴压降不变，随着喷嘴直径的增大，其射流增压效果增强，这是因为保持喷嘴压降不变，加大喷嘴直径则增大了射流所携带的能量，更多的射流能量用于增加孔道压力，导致孔道增压值增大。同时，在大喷嘴压降情况下喷嘴直径对孔道增压效果更加明显。结合水力喷射压裂施工现场地面泵注压力高、排量大的特点，同时考虑喷嘴的磨损因素，推荐选用5和6 mm直径喷嘴。

图4 喷嘴直径对孔道增压的影响Fig.4 Effect of nozzle diameters on boosting within cavity

3.3 套管孔眼直径对孔道增压的影响

套管孔眼直径一般是喷嘴直径的两倍。为证明孔眼对孔道增压的影响，在入口压力25 MPa、出口压力15 MPa（喷嘴压降10 MPa）情况下，模拟计算了不同套管孔眼直径下的射流轴线上的压力分布，结果如图5所示。

图5 套管孔眼直径对孔道压力的影响Fig.5 Effect of casing hole diameters on pressure distribution within cavity

当套管孔眼直径为20 mm，与地层孔道入口直径相同，套管孔眼对孔道压力不产生影响，犹如裸眼井。从其压力曲线可以看出，射流进入套管孔眼后，压力开始逐渐上升，在距离套管孔眼入口大约80 mm时，压力保持稳定，其值为15.9 MPa，增压值仅为0.9 MPa。

当孔眼直径为14，13，12 mm时，射流进入套管孔眼后，压力急剧上升，在距离套管孔眼入口大约20 mm时，压力保持恒定，增压值分别为2.3，2.8，3.3 MPa。由此可知，套管孔眼直径越小，孔道增压效果越明显。这是因为套管孔眼越小，密封作用越强，使得返回流体产生的回流压力越大，从而大幅提高孔道压力。

4 结论

（1）在水力射流和套管孔眼密封的共同作用下，水力喷射产生的孔道内部存在增压现象，从而在套管压力低于地层起裂压力下压开地层。

（2）喷嘴压降和喷嘴直径与孔道增压存在正比关系，推荐采用大喷嘴高喷嘴压降进行水力喷射压裂施工。

（3）套管孔眼能够大幅提高孔道压力，对孔道的增压影响很大。水力喷射压裂技术应用于裸眼井时，孔道增压值有限，需要提高套管压力压裂地层。

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Boosting mechanism in hydrajet-fracturing cavity

QU Hai，LI Gen-sheng，HUANG Zhong-wei，TIAN Shou-ceng

（State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting in China University of Petroleum，Beijing102249，China）

Based on the in-house laboratory investigation，the pressure distribution in hydrajet-fracturing cavity was obtained by computational hydromechanics method.The effects of nozzle pressure drop，nozzle diameter and casing hole diameter on cavity pressure were analyzed.The results show that there is a boosting phenomenon within the jetted cavity resulting from the jetting stream and sealing of casing hole.Therefore，a fracture can be created when the pressure in the casing is less than the formation breakdown pressure.The pressure in cavity increases with the nozzle pressure drop and nozzle diameter increasing.The small hole in casing，which is the primary factor，plays sealing role to enhance the cavity pressure greatly.In an open hole well，the casing pressure should be increased to fracture formation due to the limitation of boosting within cavity.

hydraulic fracturing;boosting mechanism;cavity;in-house laboratory;numerical simulation

TE 357.1

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.05.013

1673-5005（2010）05-0073-04

2009－12－17

国家自然科学基金项目（50774089）;国家“863”计划课题（2007AA09Z315）

曲海（1981－），男（汉族），山东潍坊人，博士研究生，从事水力喷射压裂技术研究。

（编辑 李志芬）