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(guó)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(jiǎn)單可靠，施工高效快捷等特點(diǎn)，因此在國(guó)內(nèi)外各大油田取得了迅猛發(fā)展。尤其是對(duì)水平井分段壓裂，水力噴射壓裂的優(yōu)勢(shì)更是發(fā)揮得淋漓盡致。但是，對(duì)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(guò)對(duì)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(shí)對(duì)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(shí)壓能轉(zhuǎn)化為高速射流的動(dòng)能；壓裂時(shí)射流動(dòng)能又轉(zhuǎn)化為孔眼內(nèi)的壓能增加。所以，噴射壓裂是動(dòng)力學(xué)壓裂。

盡管現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，水力噴射壓裂具有明顯的增產(chǎn)效果，但是，對(duì)于水力噴射壓裂的增產(chǎn)機(jī)理和對(duì)于噴射壓裂可實(shí)現(xiàn)自主隔離的機(jī)理卻是眾說(shuō)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?yàn)槟Σ磷饔谩⒄硿ψ饔煤头肿恿ψ饔茫瑖娮斐隹谏淞鞲浇奈镔|(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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)質(zhì)上是噴嘴出口處高速流體的動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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)膰娮靿航担湍苓_(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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)久的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)必須保證其創(chuàng)造力，而創(chuàng)造力的來(lái)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(shí)驗(yàn)室無(wú)疑是實(shí)現(xiàn) “優(yōu)勢(shì)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(shí)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(guò)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(shí)環(huán)空壓力就已經(jīng)超過(guò)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(shí)現(xiàn)自主隔離呢？分析如下。

對(duì)于噴砂射孔過(guò)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(shí)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(lái)實(shí)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(shí)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(gè)最小值，即：

射流增壓的計(jì)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(shí)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(shí)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(duì)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(gè)噴嘴(常見的有6個(gè)、8個(gè))，前面說(shuō)過(guò)，噴射壓裂是動(dòng)力學(xué)壓裂，是靠射流增壓壓開地層的，每個(gè)孔眼的射流都是一個(gè)增壓系統(tǒng)，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)孔眼開啟了裂縫而影響其他孔眼的射流增壓。對(duì)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(jì)2個(gè)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(shí)模擬同一噴槍的2個(gè)噴嘴射流，模型必須包含2個(gè)噴嘴前的流場(chǎng)(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?yàn)閷?shí)際噴槍一般有8個(gè)噴嘴，這里只有2個(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(gè)噴射孔眼是沒有問(wèn)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(chǎng)應(yīng)用

下面以某口含水油井重復(fù)壓裂為例，驗(yàn)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(yǔ)

通過(guò)前述的分析研究，在前人對(duì)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(shí)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(dòng)力學(xué)壓裂，是靠射流增壓來(lái)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(guò)每個(gè)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(gè)最小值，即P增＞(P破max-P延min)/(1-k)。