喷射压裂的多裂缝增产机理和自主隔离机理

牛永博 (中国石油川庆钻探工程有限公司，陕西 西安 710018)

0 引言

水力喷射压裂具有增产效果显著，作业管柱简单可靠，施工高效快捷等特点，因此在国内外各大油田取得了迅猛发展。尤其是对水平井分段压裂，水力喷射压裂的优势更是发挥得淋漓尽致。但是，对于水力喷射压裂的增产机理不曾有人给出明晰的理论支持。文章通过对水力喷射压裂的射流增压、多裂缝成因和自主隔离等理论的深入研究，阐明了水力喷射压裂的增产机理，同时对喷射压裂的自主隔离理论提出了不同见解。

1 技术分析

水力喷射压裂是集射孔、压裂、隔离于一体的新型压裂改造技术。射孔、压裂的基本原理都是遵从伯努利的能量守恒方程：射孔时压能转化为高速射流的动能；压裂时射流动能又转化为孔眼内的压能增加。所以，喷射压裂是动力学压裂。

尽管现场应用表明，水力喷射压裂具有明显的增产效果，但是，对于水力喷射压裂的增产机理和对于喷射压裂可实现自主隔离的机理却是众说纷纭。笔者认为，喷射压裂之所以增产效果显著，主要原因是形成了多裂缝。

2 射流负压与射流增压

因为摩擦作用、粘滞力作用和分子力作用，喷嘴出口射流附近的物质被高速射流带走，在喷嘴出口射流周围局部区域形成负压，这就是射流负压。射流负压很有限，试验和数值模拟表明，水力喷射压裂的射流负压一般在2～5 MPa。

实验数据表明，射流增压与喷嘴压降基本成线性关系，喷嘴压降越大，射流增压越大。射流增压实质上是喷嘴出口处高速流体的动能转换为射孔孔道内流体的压能，喷嘴压降越大，射流的动能越大，转化为孔道内的增压就越大。

射流增压用P增表示，喷嘴压降用ΔP表示，射流增压与喷嘴压降的比值称为增压系数，用μ表示，即：

喷嘴直径与射孔孔眼入口直径的比值称为入口比率λ。实验表明，增压系数和入口比率基本成线性关系，入口比率越大，射流增压系数越大。

根据目前常用喷枪和套管的结构参数，入口比率取一般为0.3～0.5，则增压系数为0.2～0.6。

喷嘴前后的压降为[5]：

式中：Q为排量(m3/s)；ρ为流体密度(kg/m3)；A为喷嘴总面积(m2)；C为喷嘴流量系数，一般取0.9～0.93。

显然，排量越大喷嘴压降越大。所以，只要达到一定的排量，就产生相当的喷嘴压降，就能达到足够的射流增压。比如，喷嘴压降取30 MPa，增压系数取0.4，射流增压可达12 MPa。

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3 自主隔离机理

能否实现不同层段间的井筒隔离，关键是看井下环空压力，即喷砂射孔和喷射压裂过程中井下环空压力小于已压开层段的闭合压力。环空压力用Po表示，则：

要想压开地层，射孔完毕必须提高套管节流压力甚至关闭套管闸门，迫使井下环空压力升高，使环空压力加上射流增压大于破裂压力。如果射流增压很小，环空压力与射流增压之和尚未达到破裂压力时环空压力就已经超过了已压层段的闭合压力，射流负压不能保证环空压力小于已压开层段的闭合压力。

射流增压是如何实现自主隔离呢？分析如下。

对于喷砂射孔过程，射孔液回流至环空再返出地面，环空压力取决于液柱压力和套管节流，控制较低的节流压力很容易实现井下环空压力低于已压层段的闭合压力。

裂缝开启之前的瞬间，除了控制环空压力小于闭合压力外，还要保证裂缝开启。这就得靠射流增压来实现，即环空压力加上射流增压大于破裂压力：

综合破裂压力和闭合压力限制条件，井下环空压力的控制范围为：

P破一般大于P闭，显然，为了满足上述条件，实现自主隔离，射流增压是必需的，而且增压幅值还要大于一个最小值，即：

射流增压的计算前文已作介绍，破裂压力与闭合压力差值不大(一般低于5 MPa)，只要油管排量足够，射流增压完全可以满足自主隔离的条件。

比如，假定破压为39 MPa，闭合压力35 MPa，射流增压为7 MPa，则当环空压力达到32 MPa时环空压力与射流增压之和就达到破裂压力。32 MPa的环空压力远小于35 MPa的闭合压力，达到了自主隔离。

所以，实现喷射压裂自主隔离的关键因素不是射流负压，而是射流增压。射流负压对隔离只起辅助作用。

4 多裂缝形成机理

喷射器周身一般分布有多个喷嘴(常见的有6个、8个)，前面说过，喷射压裂是动力学压裂，是靠射流增压压开地层的，每个孔眼的射流都是一个增压系统，不会因为某个孔眼开启了裂缝而影响其他孔眼的射流增压。对于任一喷嘴射流，只要满足环空压力加上射流增压大于破裂压力，就能开启新的裂缝。因此笔者认为喷射压裂是多裂缝压裂。

为了便于分析多裂缝形成机理，也建立相应的有限元模型：设计2个喷嘴射流(上下分布是为了视图方便)，上方的射流模拟破裂压力较低的孔眼，下方的孔眼模拟破裂压力较高的孔眼。为了保证真实模拟同一喷枪的2个喷嘴射流，模型必须包含2个喷嘴前的流场(即喷枪内的流体模型)，喷嘴直径仍取6 mm，环空流体取1/4圆环(因为实际喷枪一般有8个喷嘴，这里只有2个喷嘴)。假定上方孔眼破裂压力较低，为38 MPa，裂缝延伸压力为36 MPa，下方孔眼破裂压力较高，为40 MPa。

如果射孔排量较低(假定为0.6 m3/min)，射流增压大致为5 MPa。射孔完毕，增大套管节流以提高井下环空压力，当环孔压力升至33 MPa时，孔内压力达到38 MPa，上方孔眼开启裂缝，孔内压力降低至裂缝延伸压力36 MPa。开启裂缝的孔眼射流增压也相应降低(约降低50%左右)，所以环空压力变为33.3 MPa，加上5 MPa的射流增压，下方孔眼内压力为38.3 MPa，不能压开裂缝。

如果采取高排量射孔(射孔排量取0.8 m3/min)，射流增压大致为9 MPa。射孔完毕，增大套管节流以提高井下环空压力，当环孔压力升至29 MPa时，孔内压力达到38 MPa，上方孔眼开启裂缝，孔内压力降低至裂缝延伸压力36 MPa，开启裂缝的孔眼射流增压降低至4.5 MPa左右，所以环空压力变化至31.3 MPa，加上9 MPa的射流增压，下方孔眼内压力为40.2 MPa，下方孔眼也开启裂缝。从而证明，多喷嘴喷射压裂形成了多条裂缝。

实际上，射流增压的大小不是刚好够压开最低破裂压力的孔眼，一般都比最小射流增压要求的排量大很多，采用较大排量射孔即可获得较高的射流增压，所以，压开多个喷射孔眼是没有问题的。

称P增′/P增为射流增压衰减系数，即增压衰减系数为：

根据上述分析，可以得出多裂缝的形成条件：

即多裂缝的形成条件为：射流增压的(1-k)倍必须大于最大破裂压力与最小延伸压力之差。比如，取k=0.5，P破max=40 MPa，P延min=36 MPa，则射流增压大于8 MPa就可以形成多裂缝。

综上所述，喷射压裂往往形成了多条裂缝，是多裂缝压裂，极大的增大了泄流面积，必然有很好的增产效果。

5 现场应用

下面以某口含水油井重复压裂为例，验证喷射压裂的多裂缝特征。该井为上下2段分层压裂。选用20～40目石英砂进行喷砂射孔，采取油管主压裂环空补液的压裂方式，喷枪喷嘴组合为8×6.3 mm。压裂参数如表1所示。

表1 喷射压裂施工参数表

根据施工数据进行裂缝压力拟合，如表2所示，体积因子为2.5/3，表明形成了多条裂缝。

表2 裂缝压力拟合参数表

改造效果：措施前日产液2.13 m3、日产油0.46 t、含水74.8%，措施后日产液7.04 m3、日产油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。产液量大幅增高表明形成了多条裂缝，显著提高了泄流面积。

6 结语

通过前述的分析研究，在前人对射流增压和射流负压研究的基础上，形成了以下3点见解。

(1)实现喷射压裂自主隔离的关键因素不是射流负压，而是射流增压。

(2)喷射压裂是动力学压裂，是靠射流增压来压开裂缝的。只要射流增压足够，环空压力加上射流增压均可超过每个孔眼的破裂压力，所以喷射压裂是多裂缝压裂。

(3)形成的多裂缝极大的增加了泄油面积，是喷射压裂增产的主要因素。形成多裂缝的条件是射流增压必须满足一个最小值，即P增＞(P破max-P延min)/(1-k)。