水力喷射压裂关键机理探讨

水 力 喷 射 压 裂 关 键 机 理 探 讨
马 飞 杨 逸 宋燕高 付育武
德阳 ６ ８０ ） １００ （ 中国石化西南油气分公 司工程技术研究院 ， 四川 摘
要 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、
ＭＰ ，地 层最 大 孔 眼直 径 为 ５ ｍｍ，孔 眼深 度 为 ５０ ａ ０一 ０
ｍ ｍ ｏ
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 。分 别计 算 了喷 嘴 直径 为 ４ｍｍ 围压 为 ５ＭＰ ，射 流 喷 射 压 力 为 ３ ａ ５ ０ ５ ａ ０ＭＰ 、３ 、４ 、４ 、
ｌ 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 翻 ；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
高 ，５种 压 力 所 对 应 的 孔 内压 力 分 别 为 ８ ａ ． ＭＰ 、 ７ ９ 、 １ ．、 １ ． ＭＰ 和 １ ． ＭＰ 。显 然 ，不 论 是 在 ． ０２ １１ ａ ４ １ ａ ８
离开喷嘴后 的速度衰减较快 ，从 １８ ９ ｍ／ｓ 迅速降低 到 １９ｍ／Ｓ ７ 。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 ５～５ 倍 喷 嘴直径 。该 现象从 表面上 看对射 ０ 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
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 、
收 稿 日期 ：２ １ ０ ０—０ —２ ８ ４ 修 订 日期 ：２ １ — ３ ０ ０ １ ０ —２
本文系国家重大专项 “ 大型油气 田及煤层气开发”编号 ：２ ０ ｚ ０ ｏ２ 基金项 目的部分研究内容。 （ ０ ８ｘ ５０ ）
总第 ２ 期 ６
天然气技术与经济 ・ 勘探与开发
２ １ 年 ０１
５ ａ ５ ０ＭＰ 这 种压 力 下 的压 力 分 布值 。 可 以得 出 ，尽 管 射 流 的人 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 ： ： 眼 内 的 压 力 越 ＹＹ ＬＬ
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 。 一
值模拟计算 。条件 为：套管壁面孔径 为 １ ｍ，喷 ０ｍ 嘴 直 径 为 ４一ｍ，喷 射 压 力 为 ２ ａ 围 压 为 ５ ｍ ０ＭＰ ，
作 者 简 介 ：马 飞 （９ １ ） １ ８一 ，女 ，硕 士 ，从 事 油 气 田增产 技 术 研 究 Ｔ 作 。 Ｅ ｍ ｉ ｃｊ ｍｆ ｔｍｃｒ － ａｌ ｓ ｊ ＠ ｏ ． ｎ ：ｇ ｙ ｏ ３ ／ ａ ｒｌ ａ Ｔ ｃｎ ｌ ｙ ｎ ｃｎｍ ６ Ｎ ｔ ａＧ ｓ ｅｈ ｏ ｇ ｄＥ ｏｏ ｙ ｕ ｏ ａ
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 １端 ２ １
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
中图分类 号：Ｔ ３７１ Ｅ ５．
文献标识码 ：Ｂ
Ｏ 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 ｎ １ 。
对 流 作 用 ，再 加 上 较小 的空 间 尺 寸 限制 ，导 致 射流
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 。

关键词 水力喷射
孔 内压力
喷囊压■
静压
动压 文章编号 ：２９ — １２ ２ １ ）２ ０ ３ — ２ ０ ５ １３ （０ １０ — ０ ６ ０
整体 孔 道 内的静压 幅度 ，从而辅 助压 裂作业 。 、
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 嘲 。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—探讨 。
２ １ 年 １１ ） 第５ ・ ２ 卷 第 期
天 然 气 技 术 与 经 济
Ｎａ ｕ ａ ｓＴｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｄ Ｅｃ ｎ ｍｙ ｔｒｌ Ｇａ ｃ ｎ ｌ ｇ ｎ ｏ ｏ
Ｖｏ ． Ｎ ｏ． １５． ２
Ａ ｒ ０ ｐ． １ ２ １
ｄｉ ０ ３ ６ ／ｊｉ ｎ ２ ９ —１ ３ ． ０ １０ ． １ ｏ：１． ９ ９ ． ｓ． ０ ５ １ ２ ２ １． ２ ０ ０ ｓ