水力喷射压裂技术探析

水力喷射压裂包括水力深穿透射孔、孔内增压致裂及自动封隔，由于这三方面的作用共同存在、相互影响，所以其压裂机理相当复杂，须从三个方面阐述水力喷射压裂机理。

1.水力深穿透射孔机理

水力深穿透射孔是水力喷射压裂的第一个环节，由此建立起井筒与油层的渗流通道。它是通过磨料射流先切割套管，然后切割近井地层岩石，最终可形成直径30 mm，深达780 mm的纺锤形孔眼。

李根生等曾对水力深穿透射孔机理进行过实验研究。结果表明，射流切割套管是依靠磨料冲蚀套管表面，形成唇形压坑。在压坑附近的亚表层中会形成应变层，一部分材料被挤压到坑四周形成凸起唇缘。唇形压坑和凸起唇缘致使材料发生形变和机械疲劳。当材料达到屈服极限时，便会在其表面产生裂纹。裂纹延伸形成应力集中区，套管局部强度大幅度下降，在磨料射流的巨大冲击力下，套管局部破裂成孔。

射流穿透套管后将直接冲蚀水泥环和近井地层岩石。由于水泥环和岩石属于脆性材料，所以冲蚀过程不会像冲蚀延展性材料那样形成压坑，而是成块的剥蚀岩石形成破碎坑。射流冲击岩石表面形成漫流，射流轴心作用区的岩石受压，漫流区的岩石受拉。由于脆性材料的抗拉强度较低，所以岩石以拉伸破坏为主。此外，水流会在裂纹中形成水击压力，起到延伸和扩展裂纹的作用，从而增强破岩能力。

研究表明，优化选择射孔参数对后续的孔内增压致裂过程有着重要的意义。增加射孔直径和深度可以显著降低起裂压力，射孔方位应沿垂直于最小水平主应力的方向，处于该方向的起裂压力最低。

2.孔内增压致裂机理

在地面增压后的高压流体流经毫米级直径的喷嘴后转化为高速射流，并迅速进入孔眼。由于孔眼体积有限和水的不可压缩性，孔内流体会挤压射流，致使其轴心速度迅速衰减，从而将巨大动能又重新转化为压能，使得孔内滞止压力迅速升高，形成增压效应。与此同时，环空中同样注入流体，并将井底压力控制在裂缝延伸压力以下，当环空压力和孔内增压值之和超过地层起裂压力时，孔眼末端岩石就会立即起裂，如图6—2所示。由于喷嘴周围会形成低压区，所以环空流体会被卷吸进入裂缝，驱使裂缝向前延伸。裂缝起裂的条件如式（6—1）所示：

3.自动封隔机理

当新井段开始压裂时，由于环空压力保持在裂缝延伸压力以下，所以已压裂井段不会继续延伸，环空流体也不会再次进入裂缝。因此，不需要使用封隔工具来封隔已压裂井段便实现了自动封隔。(www.xing528.com)

图6—2　水力喷射压裂机理示意

4.配套工具及材料

连续油管水力喷射压裂需要用到的管柱和工具包括连续油管、连接装置和底部集成管柱。

连续油管是一种可移动、液压驱动设备，目前尺寸范围是连续油管设备常包括油管注入器总成、盘管总成、操作控制房、液压动力源、井口防喷器总成和工具总成。

底部集成管柱含有水力喷射压裂工具，水力喷射压裂工具是水力喷射压裂工艺中的关键部分，常见的结构如图6—3所示。喷射工具本体两侧按一定角度装有多个喷嘴，高压流体从喷嘴喷出转变为高速流体。回流装置是喷射工具主体的一部分，装有一圆球单向阀。水力喷射和压裂时，圆球停留在装置底部，流体不允许从底部向环空中流出。返洗时，流体可通过此装置从环空流进油管中，返回至地面。喷射工具工作时喷嘴磨损严重，喷射返流会对喷射工具表面造成损伤，故需要重新优化设计新型喷嘴，选择合适的喷嘴材料和耐返溅本体材料，延长喷射工具的使用寿命。

图6—3　水力喷射压裂工具

水力喷射压裂分为两种，一种是拖动的，另一种是不动管柱的。基本原理都是利用高压水射流，速度可高达130 m/s以上，可在套管壁上直接射开孔眼，用砂量1～2 m3，砂液比3%～5%。射孔后继续喷射高压水射流和后续的混砂液，并在环空补液，以满足设计的排量要求。其封隔效果主要取决于高压水射流产生的负压效应，关键是环空压力应不超过井底裂缝的延伸压力，否则环空补的液可能会穿过正压裂段而流向前一个已压裂段，造成分段效果的大幅降低。

水力喷射压裂的优点是井下工具较简单，不需要下封隔器等工具。其次，可定点压裂，且不容易出现多裂缝现象（常规簇射孔易出现簇内多缝）。缺点是砂液比不高，这是由于环空是不带砂的，补液后砂液比会大幅度降低，从而会影响压裂的效果。其次，不动管柱水力喷射压裂时还经常发生砂卡管柱现象，为此，压完一段后放喷时经常用小油嘴慢慢放，结果会显著延长施工时间，有时放喷还需等待一天后才能进行后续压裂施工。

另外，拖动水力喷射对喷嘴的过砂能力要求很高，目前国外每个喷嘴过砂量在20 m3以上，国内一般约为10 m3。