曲 海，李根生，黃中偉，田守嶒

（中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

水力噴射壓裂孔道內(nèi)部增壓機(jī)制

曲 海，李根生，黃中偉，田守嶒

（中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

在室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)方法，得到水力噴射壓裂孔道內(nèi)的壓力分布，并對噴嘴壓降、噴嘴直徑、套管孔眼直徑對孔道增壓的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明:在水力射流和套管孔眼密封的共同作用下，水力噴射產(chǎn)生的孔道內(nèi)部存在增壓現(xiàn)象，從而在套管壓力低于地層起裂壓力下壓開地層;孔道壓力隨噴嘴壓降和噴嘴直徑的增大而增加;套管孔眼起到的密封作用能夠大幅提高孔道壓力，對孔道的增壓影響很大;水力噴射壓裂技術(shù)應(yīng)用于裸眼井時(shí)，孔道增壓有限，需要提高套管壓力才能壓裂地層。

水力壓裂;增壓機(jī)制;孔道;室內(nèi)試驗(yàn);數(shù)值模擬

水力噴射壓裂是集水力射孔和壓裂于一體的新型油田增產(chǎn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)水力射孔和壓裂聯(lián)作，無須機(jī)械封隔，一趟管柱可實(shí)現(xiàn)多層位壓裂，具有作業(yè)周期短、適應(yīng)不同完井方式等特點(diǎn)［1-2］。該技術(shù)突出特點(diǎn)是能夠在井筒壓力低于地層破裂壓力的情況下，利用水力噴射增壓機(jī)制通過水力射孔的孔道在地層中產(chǎn)生裂縫。目前許多文獻(xiàn)中主要介紹該技術(shù)的施工應(yīng)用［2-6］，而對增壓機(jī)制研究很少。筆者在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)方法，針對孔道增壓機(jī)制開展研究，從而掌握水力噴射壓裂過程孔道增壓規(guī)律，為該項(xiàng)新增產(chǎn)技術(shù)的良好應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)。

1 孔道內(nèi)部增壓機(jī)制

如圖1所示，油管下入帶有多個(gè)噴嘴的噴砂射孔工具到預(yù)定層位，高壓磨料漿體通過噴嘴高速射出，射穿套管，然后作用于地層。經(jīng)過一段時(shí)間，地層孔道的長度達(dá)到最大值［7］。如果地層未壓裂，高速流體沖擊孔道內(nèi)部流體，受到其阻礙作用，致使一部分射流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為射流靜壓能，提高了孔道壓力。連續(xù)射流沖擊到孔道前端，產(chǎn)生穩(wěn)定的滯止壓力，增加了孔道前端區(qū)域的壓力，使得裂縫易于在孔道末端產(chǎn)生。返回流體必須通過套管孔眼進(jìn)入井筒，同時(shí)高速射流從同一孔眼進(jìn)入地層，只不過射流處于孔眼中心，返回流體處于外圍。由于套管孔眼很小，返回流體與射流之間存在強(qiáng)烈對流作用，使得返回流體產(chǎn)生回流壓力，進(jìn)一步提高了孔道壓力。

在射流沖擊作用和套管孔眼的密封作用下，孔道壓力得到提高。當(dāng)孔道增壓值與井筒壓力的疊加超過地層破裂壓力瞬間，裂縫將在孔道頂端產(chǎn)生并向前延伸。產(chǎn)生裂縫的條件為

式中，pz，pw，pf分別為增壓、井筒壓力和地層破裂壓力，MPa。

圖1 水力噴射壓裂機(jī)制示意圖Fig.1 Sketch map of hydrajet-fracturing principle

通過計(jì)算流體軟件模擬，能夠清楚地展示孔道增壓現(xiàn)象，如圖2所示。油管壓力和井筒壓力分別設(shè)為40和15 MPa?？椎缐毫梢赃_(dá)到23.2 MPa，增壓值為8.2 MPa。

圖2 三維流場壓力分布Fig.2 Pressure distribution in 3D flow field

2 室內(nèi)試驗(yàn)

為測試水力噴射過程中孔內(nèi)壓力，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)裝置［8］。試驗(yàn)裝置由支座、高壓管匯、噴嘴、前后調(diào)壓閥、模擬套管壁、模擬射孔孔眼、數(shù)據(jù)采集/處理系統(tǒng)以及壓帽組成。模擬的地層孔道由一系列可調(diào)短節(jié)組合而成，其內(nèi)表面便形成模擬孔道，每個(gè)短節(jié)上安裝有壓力傳感器，壓力數(shù)據(jù)將傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集/處理系統(tǒng)。利用此方法可以測試不同形狀孔道的內(nèi)部壓力分布。

水力噴射產(chǎn)生的孔道形狀為中間粗、兩端細(xì)的紡錘形［9］，試驗(yàn)建立的孔道尺寸為:長度200 mm，入口直徑20 mm，最大直徑40 mm。套管孔眼直徑Dh一般是噴嘴直徑Dn的兩倍［10］。入口壓力（油管壓力）pi和出口壓力（井筒壓力）po可以通過調(diào)壓閥設(shè)定，二者之差便是噴嘴壓降Δp。由此在確定孔道長度、噴嘴直徑和套管孔眼直徑后，通過設(shè)定試驗(yàn)裝置入口和出口壓力可以測得不同噴嘴壓降下孔道內(nèi)部壓力。

3 結(jié)果分析

3.1 噴嘴壓降對孔道增壓的影響

圖3是6 mm噴嘴在出口壓力15 MPa、不同噴嘴壓降下的模擬和試驗(yàn)結(jié)果。由圖3模擬結(jié)果可以看出，流體經(jīng)過噴嘴收縮段、直線段和井筒，其壓力急劇降低。當(dāng)進(jìn)入套管孔眼，射流壓力開始快速上升，在距離套管孔眼入口大約20 mm時(shí)壓力保持恒定。當(dāng)噴嘴壓降為5 MPa時(shí)孔道壓力恒定值為16.7 MPa，比出口壓力高1.7 MPa。圖3試驗(yàn)結(jié)果表明，噴嘴壓降為5和10 MPa，孔道壓力分別為17，18.7 MPa，增壓值分別為2，3.7 MPa。可以看出，孔道壓力的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合很好。由此可知，噴嘴直徑一定時(shí)，隨著噴嘴壓降的增大，孔道壓力增加，增壓效果明顯。因此，在現(xiàn)場施工條件允許的情況下，可以適當(dāng)增大噴嘴壓降。

圖3 噴嘴壓降對孔道壓力的影響Fig.3 Effect of nozzle pressure drops on pressure distribution within cavity

3.2 噴嘴直徑對孔道增壓的影響

圖4為不同噴嘴直徑下孔道增壓的試驗(yàn)結(jié)果。由圖4可知，增壓值與噴嘴壓降呈很好的線性關(guān)系。當(dāng)噴嘴壓降不變，隨著噴嘴直徑的增大，其射流增壓效果增強(qiáng)，這是因?yàn)楸３謬娮靿航挡蛔?，加大噴嘴直徑則增大了射流所攜帶的能量，更多的射流能量用于增加孔道壓力，導(dǎo)致孔道增壓值增大。同時(shí)，在大噴嘴壓降情況下噴嘴直徑對孔道增壓效果更加明顯。結(jié)合水力噴射壓裂施工現(xiàn)場地面泵注壓力高、排量大的特點(diǎn)，同時(shí)考慮噴嘴的磨損因素，推薦選用5和6 mm直徑噴嘴。

圖4 噴嘴直徑對孔道增壓的影響Fig.4 Effect of nozzle diameters on boosting within cavity

3.3 套管孔眼直徑對孔道增壓的影響

套管孔眼直徑一般是噴嘴直徑的兩倍。為證明孔眼對孔道增壓的影響，在入口壓力25 MPa、出口壓力15 MPa（噴嘴壓降10 MPa）情況下，模擬計(jì)算了不同套管孔眼直徑下的射流軸線上的壓力分布，結(jié)果如圖5所示。

圖5 套管孔眼直徑對孔道壓力的影響Fig.5 Effect of casing hole diameters on pressure distribution within cavity

當(dāng)套管孔眼直徑為20 mm，與地層孔道入口直徑相同，套管孔眼對孔道壓力不產(chǎn)生影響，猶如裸眼井。從其壓力曲線可以看出，射流進(jìn)入套管孔眼后，壓力開始逐漸上升，在距離套管孔眼入口大約80 mm時(shí)，壓力保持穩(wěn)定，其值為15.9 MPa，增壓值僅為0.9 MPa。

當(dāng)孔眼直徑為14，13，12 mm時(shí)，射流進(jìn)入套管孔眼后，壓力急劇上升，在距離套管孔眼入口大約20 mm時(shí)，壓力保持恒定，增壓值分別為2.3，2.8，3.3 MPa。由此可知，套管孔眼直徑越小，孔道增壓效果越明顯。這是因?yàn)樘坠芸籽墼叫?，密封作用越?qiáng)，使得返回流體產(chǎn)生的回流壓力越大，從而大幅提高孔道壓力。

4 結(jié)論

（1）在水力射流和套管孔眼密封的共同作用下，水力噴射產(chǎn)生的孔道內(nèi)部存在增壓現(xiàn)象，從而在套管壓力低于地層起裂壓力下壓開地層。

（2）噴嘴壓降和噴嘴直徑與孔道增壓存在正比關(guān)系，推薦采用大噴嘴高噴嘴壓降進(jìn)行水力噴射壓裂施工。

（3）套管孔眼能夠大幅提高孔道壓力，對孔道的增壓影響很大。水力噴射壓裂技術(shù)應(yīng)用于裸眼井時(shí)，孔道增壓值有限，需要提高套管壓力壓裂地層。

［1］ TIAN Shouceng，LI Gensheng，HUANG Zhongwei，et al.Investigation and application for multistage hydrajet-fracturing with coiled tubing［J］.Petroleum Science and Technology，2009，27（13）:1494-1502.

［2］ 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（2）:58-62.

TIAN Shou-ceng，LI Gen-sheng，HUANG Zhong-wei，et al.Research on hydrajet fracturing mechanisms and technologies［J］.Oil Drilling ＆ Production Technology，2008，30（2）:58-62.

［3］ SURJAATMADJA J B，WILLETT R，MCDANIEL B W，et al.Selective placement of fractures in horizontal wells in offshore Brazil demonstrates effectiveness of hydrajet stimulation process［J］.SPE Drilling ＆ Completion，2007，22（2）:137-147.

［4］ HUANG Z W，LI G S，NIU J L，et al.Application of abrasive water jet perforation assisting fracturing［J］.Petroleum Science and Technology，2008，26（6）:717-725.

［5］ JAKOBSEN E，DREISIG H，MCDANIEL B W，et al.Pinpoint hydrajet fracturing in multilayered sandstone formation completed with slotted liners［R］.SPE 119444，2009.

［6］ JESSICA Houser，RAFAEL Hernandez.Pinpoint fracture using a multiple-cutting process［R］.SPE 122949，2009.

［7］ LI G S，NIU J L，SONG J，et al.Abrasive water jet perforation:an alternative approach to enhance oil production［J］.Petroleum Science and Technology，2004，22（5/6）:491-504.

［8］ 夏強(qiáng)，黃中偉，李根生，等.水力噴射孔內(nèi)射流增壓規(guī)律試驗(yàn)研究［J］.流體機(jī)械，2009，37（2）:1-5.

XIA Qiang，HUANG Zhong-wei，LI Gen-sheng，et al.Experimental study on the law of jetting boost pressure in hydrajetting［J］.Fluid Machinery，2009，37（2）:1-5.

［9］ 李根生，牛繼磊，劉澤凱，等.水力噴砂射孔機(jī)理試驗(yàn)研究［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，26（2）:31-34.

LI Gen-sheng，NIU Ji-lei，LIU Ze-kai，et al.Experimental study on mechanisms of hydraulic sand blasting perforation fro improvement of oil production［J］.Journal of the University of Petroleum，China（Edition of Natural Science），2002，26（2）:31-34.

［10］ HUANG Zhongwei，NIU Jilei，LI Gensheng，et al.Surface experiment of abrasive water jet perforation［J］.Petroleum Science and Technology，2008，26（6）:726-733.

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

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50774089）;國家“863”計(jì)劃課題（2007AA09Z315）

曲海（1981－），男（漢族），山東濰坊人，博士研究生，從事水力噴射壓裂技術(shù)研究。

（編輯 李志芬）