噴射壓裂的多裂縫增產(chǎn)機(jī)理和自主隔離機(jī)理

牛永博 (中國石油川慶鉆探工程有限公司，陜西 西安 710018)

0 引言

水力噴射壓裂具有增產(chǎn)效果顯著，作業(yè)管柱簡單可靠，施工高效快捷等特點(diǎn)，因此在國內(nèi)外各大油田取得了迅猛發(fā)展。尤其是對水平井分段壓裂，水力噴射壓裂的優(yōu)勢更是發(fā)揮得淋漓盡致。但是，對于水力噴射壓裂的增產(chǎn)機(jī)理不曾有人給出明晰的理論支持。文章通過對水力噴射壓裂的射流增壓、多裂縫成因和自主隔離等理論的深入研究，闡明了水力噴射壓裂的增產(chǎn)機(jī)理，同時對噴射壓裂的自主隔離理論提出了不同見解。

1 技術(shù)分析

水力噴射壓裂是集射孔、壓裂、隔離于一體的新型壓裂改造技術(shù)。射孔、壓裂的基本原理都是遵從伯努利的能量守恒方程：射孔時壓能轉(zhuǎn)化為高速射流的動能；壓裂時射流動能又轉(zhuǎn)化為孔眼內(nèi)的壓能增加。所以，噴射壓裂是動力學(xué)壓裂。

盡管現(xiàn)場應(yīng)用表明，水力噴射壓裂具有明顯的增產(chǎn)效果，但是，對于水力噴射壓裂的增產(chǎn)機(jī)理和對于噴射壓裂可實現(xiàn)自主隔離的機(jī)理卻是眾說紛紜。筆者認(rèn)為，噴射壓裂之所以增產(chǎn)效果顯著，主要原因是形成了多裂縫。

2 射流負(fù)壓與射流增壓

因為摩擦作用、粘滯力作用和分子力作用，噴嘴出口射流附近的物質(zhì)被高速射流帶走，在噴嘴出口射流周圍局部區(qū)域形成負(fù)壓，這就是射流負(fù)壓。射流負(fù)壓很有限，試驗和數(shù)值模擬表明，水力噴射壓裂的射流負(fù)壓一般在2～5 MPa。

實驗數(shù)據(jù)表明，射流增壓與噴嘴壓降基本成線性關(guān)系，噴嘴壓降越大，射流增壓越大。射流增壓實質(zhì)上是噴嘴出口處高速流體的動能轉(zhuǎn)換為射孔孔道內(nèi)流體的壓能，噴嘴壓降越大，射流的動能越大，轉(zhuǎn)化為孔道內(nèi)的增壓就越大。

射流增壓用P增表示，噴嘴壓降用ΔP表示，射流增壓與噴嘴壓降的比值稱為增壓系數(shù)，用μ表示，即：

噴嘴直徑與射孔孔眼入口直徑的比值稱為入口比率λ。實驗表明，增壓系數(shù)和入口比率基本成線性關(guān)系，入口比率越大，射流增壓系數(shù)越大。

根據(jù)目前常用噴槍和套管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，入口比率取一般為0.3～0.5，則增壓系數(shù)為0.2～0.6。

噴嘴前后的壓降為[5]：

式中：Q為排量(m3/s)；ρ為流體密度(kg/m3)；A為噴嘴總面積(m2)；C為噴嘴流量系數(shù)，一般取0.9～0.93。

顯然，排量越大噴嘴壓降越大。所以，只要達(dá)到一定的排量，就產(chǎn)生相當(dāng)?shù)膰娮靿航?，就能達(dá)到足夠的射流增壓。比如，噴嘴壓降取30 MPa，增壓系數(shù)取0.4，射流增壓可達(dá)12 MPa。

企業(yè)為了能在激烈殘酷的市場競爭下求生存始終以最新的科技成果作為支撐，而企業(yè)想要保持長久的競爭優(yōu)勢必須保證其創(chuàng)造力，而創(chuàng)造力的來源就是高素質(zhì)的技術(shù)人才，各大高等院校是各類人才培養(yǎng)的基地。因此，高校與企業(yè)合作共建實驗室無疑是實現(xiàn) “優(yōu)勢互補(bǔ)、合作雙贏、共同發(fā)展”目標(biāo)的有效途徑[3]。

3 自主隔離機(jī)理

能否實現(xiàn)不同層段間的井筒隔離，關(guān)鍵是看井下環(huán)空壓力，即噴砂射孔和噴射壓裂過程中井下環(huán)空壓力小于已壓開層段的閉合壓力。環(huán)空壓力用Po表示，則：

要想壓開地層，射孔完畢必須提高套管節(jié)流壓力甚至關(guān)閉套管閘門，迫使井下環(huán)空壓力升高，使環(huán)空壓力加上射流增壓大于破裂壓力。如果射流增壓很小，環(huán)空壓力與射流增壓之和尚未達(dá)到破裂壓力時環(huán)空壓力就已經(jīng)超過了已壓層段的閉合壓力，射流負(fù)壓不能保證環(huán)空壓力小于已壓開層段的閉合壓力。

射流增壓是如何實現(xiàn)自主隔離呢？分析如下。

對于噴砂射孔過程，射孔液回流至環(huán)空再返出地面，環(huán)空壓力取決于液柱壓力和套管節(jié)流，控制較低的節(jié)流壓力很容易實現(xiàn)井下環(huán)空壓力低于已壓層段的閉合壓力。

裂縫開啟之前的瞬間，除了控制環(huán)空壓力小于閉合壓力外，還要保證裂縫開啟。這就得靠射流增壓來實現(xiàn)，即環(huán)空壓力加上射流增壓大于破裂壓力：

綜合破裂壓力和閉合壓力限制條件，井下環(huán)空壓力的控制范圍為：

P破一般大于P閉，顯然，為了滿足上述條件，實現(xiàn)自主隔離，射流增壓是必需的，而且增壓幅值還要大于一個最小值，即：

射流增壓的計算前文已作介紹，破裂壓力與閉合壓力差值不大(一般低于5 MPa)，只要油管排量足夠，射流增壓完全可以滿足自主隔離的條件。

比如，假定破壓為39 MPa，閉合壓力35 MPa，射流增壓為7 MPa，則當(dāng)環(huán)空壓力達(dá)到32 MPa時環(huán)空壓力與射流增壓之和就達(dá)到破裂壓力。32 MPa的環(huán)空壓力遠(yuǎn)小于35 MPa的閉合壓力，達(dá)到了自主隔離。

所以，實現(xiàn)噴射壓裂自主隔離的關(guān)鍵因素不是射流負(fù)壓，而是射流增壓。射流負(fù)壓對隔離只起輔助作用。

4 多裂縫形成機(jī)理

噴射器周身一般分布有多個噴嘴(常見的有6個、8個)，前面說過，噴射壓裂是動力學(xué)壓裂，是靠射流增壓壓開地層的，每個孔眼的射流都是一個增壓系統(tǒng)，不會因為某個孔眼開啟了裂縫而影響其他孔眼的射流增壓。對于任一噴嘴射流，只要滿足環(huán)空壓力加上射流增壓大于破裂壓力，就能開啟新的裂縫。因此筆者認(rèn)為噴射壓裂是多裂縫壓裂。

為了便于分析多裂縫形成機(jī)理，也建立相應(yīng)的有限元模型：設(shè)計2個噴嘴射流(上下分布是為了視圖方便)，上方的射流模擬破裂壓力較低的孔眼，下方的孔眼模擬破裂壓力較高的孔眼。為了保證真實模擬同一噴槍的2個噴嘴射流，模型必須包含2個噴嘴前的流場(即噴槍內(nèi)的流體模型)，噴嘴直徑仍取6 mm，環(huán)空流體取1/4圓環(huán)(因為實際噴槍一般有8個噴嘴，這里只有2個噴嘴)。假定上方孔眼破裂壓力較低，為38 MPa，裂縫延伸壓力為36 MPa，下方孔眼破裂壓力較高，為40 MPa。

如果射孔排量較低(假定為0.6 m3/min)，射流增壓大致為5 MPa。射孔完畢，增大套管節(jié)流以提高井下環(huán)空壓力，當(dāng)環(huán)孔壓力升至33 MPa時，孔內(nèi)壓力達(dá)到38 MPa，上方孔眼開啟裂縫，孔內(nèi)壓力降低至裂縫延伸壓力36 MPa。開啟裂縫的孔眼射流增壓也相應(yīng)降低(約降低50%左右)，所以環(huán)空壓力變?yōu)?3.3 MPa，加上5 MPa的射流增壓，下方孔眼內(nèi)壓力為38.3 MPa，不能壓開裂縫。

如果采取高排量射孔(射孔排量取0.8 m3/min)，射流增壓大致為9 MPa。射孔完畢，增大套管節(jié)流以提高井下環(huán)空壓力，當(dāng)環(huán)孔壓力升至29 MPa時，孔內(nèi)壓力達(dá)到38 MPa，上方孔眼開啟裂縫，孔內(nèi)壓力降低至裂縫延伸壓力36 MPa，開啟裂縫的孔眼射流增壓降低至4.5 MPa左右，所以環(huán)空壓力變化至31.3 MPa，加上9 MPa的射流增壓，下方孔眼內(nèi)壓力為40.2 MPa，下方孔眼也開啟裂縫。從而證明，多噴嘴噴射壓裂形成了多條裂縫。

實際上，射流增壓的大小不是剛好夠壓開最低破裂壓力的孔眼，一般都比最小射流增壓要求的排量大很多，采用較大排量射孔即可獲得較高的射流增壓，所以，壓開多個噴射孔眼是沒有問題的。

稱P增′/P增為射流增壓衰減系數(shù)，即增壓衰減系數(shù)為：

根據(jù)上述分析，可以得出多裂縫的形成條件：

即多裂縫的形成條件為：射流增壓的(1-k)倍必須大于最大破裂壓力與最小延伸壓力之差。比如，取k=0.5，P破max=40 MPa，P延min=36 MPa，則射流增壓大于8 MPa就可以形成多裂縫。

綜上所述，噴射壓裂往往形成了多條裂縫，是多裂縫壓裂，極大的增大了泄流面積，必然有很好的增產(chǎn)效果。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

下面以某口含水油井重復(fù)壓裂為例，驗證噴射壓裂的多裂縫特征。該井為上下2段分層壓裂。選用20～40目石英砂進(jìn)行噴砂射孔，采取油管主壓裂環(huán)空補(bǔ)液的壓裂方式，噴槍噴嘴組合為8×6.3 mm。壓裂參數(shù)如表1所示。

表1 噴射壓裂施工參數(shù)表

根據(jù)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行裂縫壓力擬合，如表2所示，體積因子為2.5/3，表明形成了多條裂縫。

表2 裂縫壓力擬合參數(shù)表

改造效果：措施前日產(chǎn)液2.13 m3、日產(chǎn)油0.46 t、含水74.8%，措施后日產(chǎn)液7.04 m3、日產(chǎn)油2.39 t、含水55.5%；增液231%，增油520%，含水降低19.3%，取得了良好的増油、增液、降水效果。產(chǎn)液量大幅增高表明形成了多條裂縫，顯著提高了泄流面積。

6 結(jié)語

通過前述的分析研究，在前人對射流增壓和射流負(fù)壓研究的基礎(chǔ)上，形成了以下3點(diǎn)見解。

(1)實現(xiàn)噴射壓裂自主隔離的關(guān)鍵因素不是射流負(fù)壓，而是射流增壓。

(2)噴射壓裂是動力學(xué)壓裂，是靠射流增壓來壓開裂縫的。只要射流增壓足夠，環(huán)空壓力加上射流增壓均可超過每個孔眼的破裂壓力，所以噴射壓裂是多裂縫壓裂。

(3)形成的多裂縫極大的增加了泄油面積，是噴射壓裂增產(chǎn)的主要因素。形成多裂縫的條件是射流增壓必須滿足一個最小值，即P增＞(P破max-P延min)/(1-k)。