王輝鋒

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

纖維在壓裂管柱中的減阻機(jī)理探討

王輝鋒

（中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)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(jìn)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(jìn)入新世紀(jì)以來，油氣勘探技術(shù)發(fā)展迅猛，大量深儲層油田被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，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(jìn)行剖析，重點(diǎn)探討纖維在深層油氣開發(fā)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(fā)生摩擦，液體會殘留在管壁上，甚至是厚達(dá)一層的液體，產(chǎn)生的摩擦力可大可小，如果產(chǎn)生的摩擦阻力較強(qiáng)，液體在管道內(nèi)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(qiáng)的粘性，對管道有很強(qiáng)的附著力，而液體在管道內(nèi)流動存在著速度梯度差。液體的流速與管壁距離存在著負(fù)相關(guān)的關(guān)系，也就是說，液體流的越遠(yuǎn)，流速越慢，速度梯度越大，如果在施工過程中想使管內(nèi)液體沿管道有一個較快的流速，就必須加大液體在管道內(nèi)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(xì)，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(dá)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(wěn)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(chǎn)生流動摩擦力。

一般情況下，兩部分組成軸向切內(nèi)力，依據(jù)牛頓內(nèi)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(xiàn)軸對稱形狀，大約是一種旋轉(zhuǎn)型的拋物面。再從流動形態(tài)上來看，脈動和漩渦式不存在的，要實(shí)現(xiàn)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(rèn)為，可以增加包括重力在內(nèi)的各類外界壓力來增強(qiáng)速度差，改變速度梯度，用這種方法，可以極大地增強(qiáng)加砂后管道壓裂后的排量，但是這種方法對施工的環(huán)境﹑施工設(shè)備和工人的素質(zhì)有一定要求，用這種方法來達(dá)到正常施工的要求，會極大地增加成本，尤其是現(xiàn)在施工環(huán)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(zhì)，這個物質(zhì)比較理想的就是纖維。在壓裂液中適當(dāng)加入纖維，理論上我們認(rèn)為如果加入纖維，壓裂液處于一種層流狀態(tài)，纖維不起任何作用。我們在施工中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)，壓裂液往往是一種急速流動的狀態(tài)，這種情況就可以實(shí)現(xiàn)增加速度梯度﹑增大排量的目的。

注入纖維的壓裂液，當(dāng)液體微團(tuán)以徑向脈動的形式在圓柱面內(nèi)由外側(cè)向內(nèi)側(cè)流動時，流體的流動形式和其它作業(yè)流體的流動性是完全一樣，都是從流速較低的流層進(jìn)入流速較高的流層，產(chǎn)生的一個重要結(jié)果就是，低速流體的大量摻入和動的量互相傳導(dǎo)，可以使圓柱內(nèi)側(cè)的液體的流速較大幅度的下降。根據(jù)流體連續(xù)性原理我們得知，同時存在相同量的液體從圓柱內(nèi)側(cè)滲出，流向外側(cè)，較高速液體的滲入可以導(dǎo)致圓柱面外側(cè)液體的速度加快。也就是說，由于徑向脈動速度的存在，導(dǎo)致兩側(cè)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(dāng)于流動阻力得到了增加。

當(dāng)壓裂液在湍流狀態(tài)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(cè)隨液體流動比另一側(cè)要快得快，速度差會使長鏈產(chǎn)生大約180°左右的轉(zhuǎn)動，這個轉(zhuǎn)動是可以接受的，兩端的速度差為零這個轉(zhuǎn)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(tài)。我們可以假定一個流體微團(tuán)在A點(diǎn)具有足夠大的徑向脈動速度時。在液體微團(tuán)沿徑向流動的過程中，一方面使大量液體旋轉(zhuǎn)形成許多不規(guī)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(dāng)流體微團(tuán)移動到另一端，我們假設(shè)為B點(diǎn)時，如果存在著與管徑垂直的纖維長鏈，而且纖維鏈長度遠(yuǎn)大于液體微團(tuán)的上限時，那么在A和B兩點(diǎn)之間的纖維鏈在液體微團(tuán)的外力作用下，只能發(fā)生部分彎曲而不會大范圍擺動，這樣可以產(chǎn)生阻礙液體微團(tuán)脈動的形變彈性力，使流體微團(tuán)在B點(diǎn)的徑向脈動速度進(jìn)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(xiàn)出的彎曲的變形狀態(tài)，同時各點(diǎn)時均速度有所不同，迫使纖維鏈重新恢復(fù)原來的面目，這樣可以抑制了流體微團(tuán)的縱向流動，從而實(shí)現(xiàn)了減阻增排的目的。另外，我們必須認(rèn)識到，在射孔孔眼和地層裂縫中，纖維不會對減阻增排發(fā)生任何影響。

3 現(xiàn)場實(shí)例

到目前為止，對管道進(jìn)行化解摩擦阻力，來增加排量的技術(shù)還沒有達(dá)到一種先進(jìn)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(wǎng)絡(luò)加砂工藝，能夠極大地改變了增強(qiáng)外力后管道工作液在返排過程中支撐劑的倒流，實(shí)驗(yàn)和施工過程，在運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)后，在壓裂管柱中加入纖維，使纖維隨壓裂液運(yùn)行時，減少摩擦阻力的效果還是很明顯的，我們有這樣的實(shí)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(gòu)造結(jié)構(gòu)的一口正在勘探中的井，2008年初，對該井T3x4（ 3502～3546m） 進(jìn)行了50立方米的陶粒加砂壓裂作業(yè)。這口井是直井，在加砂壓裂改造作業(yè)中采用了89mmP110油管注入，壓裂液排量達(dá)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(shí)現(xiàn)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(tài)，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(jié)語

纖維在管柱的減阻增排過程中所發(fā)揮的作用，是將壓裂液的流動狀態(tài)進(jìn)行改變，這樣可以有效抑制壓裂管柱中因?yàn)閴毫岩旱耐牧饕鸬膲毫岩毫鲃幼枇Α?/p>

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