水力喷射压裂关键机理探讨∗

马 飞 杨 逸 宋燕高 付育武

（中国石化西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳618000）

水力喷射压裂关键机理探讨∗

马 飞 杨 逸 宋燕高 付育武

（中国石化西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳618000）

为了更深入地了解水力喷射压裂技术的部分机理，通过模拟水力喷射射孔孔内的压力分布并分析其规律，进行了现场工况条件下喷嘴压降对孔内压力的定量分析和不同喷嘴直径条件下喷嘴压降与排量关系的计算，结论为：射流速度的衰减将动能转化为静压能，致使孔内压力升高；增加射流喷射压力有助于获得较大的孔内增压；喷嘴要产生较大的压降，需要较大的作业排量。

水力喷射孔内压力喷嘴压降静压动压

0 引言

水力喷射压裂技术是近年来发展起来的一项新型压裂技术，其借助于一种特殊的喷射压裂工具，可以达到对地层任意位置进行定点压裂改造的目的[1]。但该技术目前尚处于起步阶段，在机理研究方面还有很多未解决的难题[2]。笔者通过室内实验和数值模拟方法，对孔眼内部压力的分布规律、喷嘴压降对孔内压力的定量分析和喷嘴压降与排量的计算方法作一探讨。

1 孔内压力分布

数值模拟计算中有3种压力形式，具体为某一点处的静压、动压和总压。由于分子不规则运动撞击于管壁所产生的压力称为静压[3]；流体流动时产生的压力为动压；两者之和为总压。分析孔内压力可以得出孔眼内部的压力分布规律情况。

根据网格划分策略及所确定的计算参数进行数值模拟计算。条件为：套管壁面孔径为10 mm，喷嘴直径为4 mm，喷射压力为20 MPa，围压为5 MPa，地层最大孔眼直径为50 mm，孔眼深度为500 mm。

通过对水力喷射压裂孔眼起始段速度矢量分析得出，由于进口射流在喷嘴附近存在很强的剪切、对流作用，再加上较小的空间尺寸限制，导致射流离开喷嘴后的速度衰减较快，从198 m／s迅速降低到179 m／s。这和普通的射流衰减规律有较大的不同。普通射流都有一个较长的匀速区域，在该区域内射流速度基本等同于喷嘴出口速度，一般该区域距离介于5～50倍喷嘴直径。该现象从表面上看对射流在井下射孔作业不利，但另一方面由于射流速度的衰减，从而把动能转化为射流的静压能，会提高整体孔道内的静压幅度，从而辅助压裂作业。

喷射过程中，在射流滞止处射流动能转化为静压能，从而使滞止点处压力较高。在孔眼入口段较小范围内，动压值较高，而在孔道顶处，射流静压达到最大值。孔内的静压值除了在射孔孔眼进口端的部分区域略低外，其他部分的压力值基本相同。这就类似于“活塞效应”，即压裂液在狭长的射孔通道内推进时，近似圆形的孔道内的流体就像活塞一样，压迫射孔通道的端部，从而使裂缝在端部首先出现并随之扩展。

2 喷嘴压降对孔内压力的影响

为了定量分析孔内压力的变化情况，参考经典的射流分析方法，选择在射流轴线上的射流压力分布进行说明[4]。分别计算了喷嘴直径为4 mm，围压为5 MPa，射流喷射压力为30 MPa、35、40、45、50 MPa这5种压力下的压力分布值。可以得出，尽管射流的入口压力相差较大，但随着喷射距离的增加，轴线射流压力差异大幅降低。在相同的围压下，射流喷射压力越高，在射孔孔眼内的压力越高，5种压力所对应的孔内压力分别为8.7 MPa、9.4、10.2、11.1 MPa和11.8 MPa。显然，不论是在水力射孔阶段还是在水力喷射压裂阶段，增加射流喷射压力有助于获得较大的孔内压力。这说明只要射流喷射压力足够大，就可以有效地射穿地层并在地层压开裂缝。然而在实际情况中，流体喷射入射孔孔眼内，射流与环空流体及孔内流体间的边界摩擦会造成部分的动能转化为热能而损耗掉。当射流压力过高时，射流动压转化为孔内压力的效率会大大降低，并且过高的射流压力需要较大功率的泵注设备，这使得通过提高射流喷射压力来获得较高的孔内压力在技术和经济上变得不切实际。在水力喷射压裂现场施工时，一般喷嘴压降为20～35 MPa比较合理。

表1 不同喷嘴直径、数量和压降条件下排量计算结果表

3 喷嘴压降与排量关系计算

水力喷射压裂工具的喷嘴压降和排量参数是水力喷射压裂工艺参数的重要部分。只有确定了喷嘴的直径、排量、压降等参数，才能够进行施工排量、施工压力等其他参数的计算和确定。通过实验和理论研究，喷嘴压降与排量的关系可表示为[5]：

式中pb为喷嘴压降，MPa；Q为排量，L／s；ρ为流体密度，g／cm3；A为喷嘴总面积，mm2；C为喷嘴流量系数，一般取0.9。

根据上述理论基础和实际工况，选择喷嘴直径分别为5 mm、6 mm、8 mm，喷嘴数量分别为4、6、8个，喷嘴压降分别为30 MPa、35 MPa、40 MPa，对射流排量进行计算，计算结果见表1。

可以看出，在同一喷嘴直径下，喷嘴压降与喷嘴排量成正比，也就是说，同一直径的喷嘴要产生较大的喷嘴压降，则需要较大的作业排量，相同作业排量下，选择喷嘴的数量越多，则产生的喷嘴压降越小；喷嘴直径越大，产生同样喷嘴压降所需要的工作排量也越大。

4 现场应用

CX1井是中国石化西南油气分公司在新场构造南翼部署的1口开发评价井。改造层位为2 412.3～2 426.7 m、2 577.2～2 585.9 m、2 650.9～2 673.5 m。结合储层厚度、裂缝发育状况、井筒工程条件、地面设备能力等情况，优化设计参数见表2。

表2 CX1井加砂压裂工艺设计参数表

CX1井进行了分三层压裂改造，施工采用的6× Ø6.0 mm、60°相位角组合的喷枪预计产生的喷嘴压降为20 MPa，通过现场施工验证，实际产生的喷嘴压降约为18 MPa；3组喷嘴在加砂过程中保持完好。

本井喷砂射孔后无产能，通过水力喷射分段压裂改造后，在稳定油压6.5 MPa、套压8.5 MPa的条件下，三层一起测试共获得天然气日产量为1.23× 104m3，水产量为6.1 m3。

5 结论

1）水力喷射压裂工艺中，射流离开喷嘴后速度衰减较快。射流速度的衰减，将动能转化为射流的静压能，外围流体起到了“密封环”的作用，致使孔内压力升高，提高整体孔道内的静压大小以辅助压裂作业。

2）不论是在水力射孔阶段还是在水力喷射压裂阶段，增加射流喷射压力有助于获得较大的孔内压力。考虑喷射射流的转换效率，在水力喷射压裂现场施工时，一般使用喷嘴的压降为20～35 MPa较为合理。

3）喷嘴要产生较大的喷嘴压降，则需要较大的作业排量；在相同作业排量下，选择喷嘴的数量越多，则产生的喷嘴压降越小；喷嘴直径越大，产生同样喷嘴压降所需要的工作排量也越大。

［1］李根生，沈忠厚.高压水射流理论及其在石油工程中应用研究进展［J］.石油勘探与开发，2005（2）：3-5.

［2］牛继磊，李根生.水力喷砂射孔参数实验研究［J］.石油钻探技术，2003，31（2）：14-16.

［3］田守嶒，李根生，黄中伟，等.水力喷射压裂机理与技术研究进展［J］.石油钻采工艺，2008，30（1）：58-62.

［4］牛继磊，李根生.水力喷砂射孔参数实验研究［J］.石油钻探技术，2003，31（2）：14-16.

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

（编辑：蒋龙）

TE357.1

B

2095-1132（2011）02-0036-02

10.3969／j.issn.2095－1132.2011.02.010

2010－08－24

2011－03－20

∗本文系国家重大专项“大型油气田及煤层气开发”（编号：2008ZX05002）基金项目的部分研究内容。

马飞（1981-），女，硕士，从事油气田增产技术研究工作。E-mail：gcsjyjmf@tom.com