【文章內(nèi)容簡介】 ，在這一尺度范圍，理想的裂縫應(yīng)為平直，端部極其尖銳及厚度為零的裂縫，其端部位移有三種形式：拉伸型（Ⅰ型），面內(nèi)剪切型（Ⅱ型）和反平面剪切型（Ⅲ型），如圖22所示。要研究微裂縫的起裂，就必須對裂紋端部進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度分析。建立如圖23所示的坐標(biāo)系，對于線線彈性各向同性巖石中的Ⅰ型微裂紋，其端部附近的應(yīng)力可表示為： （21）在均質(zhì)線彈性介質(zhì)中，裂紋端部的各應(yīng)力分量均正比于r1/2，r是距裂紋端部的距離，其系數(shù)定義為應(yīng)力強(qiáng)度因子，它決定于外載荷、裂紋長度和形狀。由公式21可以看出，I型裂紋端部的應(yīng)力和應(yīng)力強(qiáng)度因子具有直接的關(guān)系，因此，求應(yīng)力分布的問題就轉(zhuǎn)化為了計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子的問題。為簡化分析水力射孔條件下的裂縫起裂問題，橫切井眼，僅研究二維坐標(biāo)系下射孔孔眼端部的應(yīng)力，并作如圖24的假設(shè)：無限大平板問題；水力射孔孔眼軸線和最大水平主應(yīng)力方向一致。壓裂時，壓裂液既作用于井眼和射孔孔眼，也可滲入到裂紋中。此時的應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)為各種簡單載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子的疊加，即： (22)式中：p為孔眼內(nèi)壓裂液的壓力，Pa為孔眼端部裂紋內(nèi)壓裂液的壓力沿X方向的分布，該壓力分布可由公式（23)求得：圖24孔眼中裂縫起裂模型 （23）其中： 式中：h(X)——X處的縫高，m。Wo (X)——X處的最大縫寬，m。K——壓裂液的稠度系數(shù)，kPaSn。q(x) ——裂縫中X處的壓裂液流量，m3/min。qo——裂縫入口處的壓裂液流量，m3/min。L——裂縫一翼縫長，m。無限大平板中具有長度為2a的裂紋，其應(yīng)力強(qiáng)度因子的普遍公式為： （24）下面對公式（22)中各個獨(dú)立的因子進(jìn)行推導(dǎo)： KⅠ(σH)的推導(dǎo)如果不考慮裂紋的存在，帶圓孔無限大板受遠(yuǎn)場地應(yīng)力σH和σh作用時，圓孔周圍的環(huán)向應(yīng)力可表不為： （25）單獨(dú)考慮K1時，σh=0，則沿X方向的環(huán)向應(yīng)力為 （26）把公式（26）代入（24）可得： ( 27)積分可得： （28）式中：b=1+a/R，將壓應(yīng)力取正值，式（28）應(yīng)變?yōu)檎枴? K1（σh）的推導(dǎo)令公式(25)中的σH=0，同理可得到沿y方向的環(huán)向應(yīng)力為： （29） 把式（29）代入（24）并在（（R+a），R）及（R，（R+a））區(qū)間內(nèi)積分可得：（210） Ki (p)和 Ki (Pa)的推導(dǎo)K1 (p)是指由壓裂液壓力引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子，此時，公式（24)中的σy=p，即等于壓裂液壓力，積分后可得： (211)在微裂紋開始擴(kuò)展之前，射孔孔眼和微裂紋內(nèi)的壓裂液處于平衡狀態(tài)，此時微裂紋中的液體壓力即等于孔眼內(nèi)的壓裂液壓力，因此： (212)得出四個應(yīng)力強(qiáng)度因子后，由公式（22)及（28)、（210)、（211)和（212)即可求得綜合應(yīng)力強(qiáng)度因子K1?？紤]一種特殊情形，即θ= 0，由公式（21)可知： (213)由實(shí)驗(yàn)可以知道巖石的抗拉強(qiáng)度σc，當(dāng)σy σc時，巖石中的微裂紋即達(dá)到臨界擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。要維持微裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，就必須對微裂紋端部繼續(xù)增加外部能量。由綜合應(yīng)力強(qiáng)度因子的表達(dá)式（22)可以看出，前兩項(xiàng)由原始地應(yīng)力引起的因子是一個定值，只有提高壓裂液的壓力（排量）才可實(shí)現(xiàn)。下面將從這一角度分析維持裂紋擴(kuò)展的條件。如圖24，假設(shè)裂縫已經(jīng)擴(kuò)展一定距離X，由裂縫寬度表達(dá)式： (214)式中：η——X處的無因次高度，η=y/l(x)l(x)——縫內(nèi)X處的半縫高， 1(x)=h(x)/2G——巖石的剪切彈性模量V——巖石的泊松比ΔS——生產(chǎn)層與遮擋層的地應(yīng)力差P(x)——縫中X處的凈壓力F1——縫中X處的無因次有效厚度，f1=H/h(x)為簡單起見，設(shè)微裂紋為理想狀態(tài)的圓形，則（214)式y(tǒng) = （2Rxx2）1/2此時，平衡狀態(tài)下裂縫內(nèi)流體總質(zhì)量M為： (215) 只有當(dāng)進(jìn)入縫內(nèi)的流體總質(zhì)量大于式（215)積分后的M值時，裂縫才能繼續(xù)擴(kuò)展。 水力噴射分段壓裂技術(shù)機(jī)理及密封機(jī)理 水力噴射分段壓裂技術(shù)機(jī)理水力噴射壓裂技術(shù)是集射孔、壓裂、隔離一體化的增產(chǎn)措施。施工時，在基液中加入常規(guī)壓裂作業(yè)中使用的磨料（石英砂）和支撐劑即可實(shí)現(xiàn)射流成孔和后續(xù)的分段壓裂作業(yè)。根據(jù)伯努利原理，噴射進(jìn)入地層孔眼的流體由于速度衰減、動能轉(zhuǎn)化為勢能，致使地層孔眼中壓力升高；在壓裂開地層前孔眼中的流體要高速返回井筒，返回的流體在套管壁面孔眼處起到了 “水力密封環(huán)”的作用，致使圖25水力噴射壓裂原理示意圖孔眼內(nèi)壓力進(jìn)一步高于環(huán)空壓力，因此，只有在噴射位置的孔眼內(nèi)裂縫才可能最先起裂、擴(kuò)展，支撐劑此時將沿著起裂的裂縫進(jìn)入地層，即實(shí)現(xiàn)地層中的裂縫僅在水力噴射形成的孔眼位置破裂、擴(kuò)展，但在其它層位控制環(huán)空壓力低于地層起裂壓力，裂縫將不再開裂、擴(kuò)展。重復(fù)上述步驟即可進(jìn)行多層壓裂。 水力噴射分段壓裂密封機(jī)理伯努利能量守恒方程為[31]: (216)式中：V為射流速度，m/S。 P為射流壓力，Pa。ρ為流體密度，kg/m3 ； C為常數(shù)。根據(jù)伯努利原理，射流能量保持恒定時，射流速度越高，其射流壓力相應(yīng)越低。流體經(jīng)噴嘴射出，噴嘴出口處射流速度最高，壓力最低；隨射流向前發(fā)展，受周圍介質(zhì)影響，其速度逐漸減少，壓力增加。因此高速射流能夠在噴嘴出口處產(chǎn)生一個低壓區(qū)域，其壓力為井下流場中的最低值。受壓力控制，環(huán)空中注入的高壓液體勢必流向該低壓區(qū)域，而不會進(jìn)入已壓裂層段的裂縫中。環(huán)空流體進(jìn)入該區(qū)域后，在射流液體黏滯作用下被帶入地層，維持裂縫擴(kuò)展。水力噴射壓裂工藝依靠高速射流，能夠在井下產(chǎn)生一個低壓區(qū)域，促使環(huán)空流體進(jìn)入施工目的層段，實(shí)現(xiàn)壓裂過程的密封，無需機(jī)械密封裝置。由于水力噴射壓裂的密封作用，可以實(shí)現(xiàn)一趟管柱多段壓裂。 水力噴射分段壓裂射孔參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)水力噴射射孔效果的主要影響因素有流體參數(shù)，磨料參數(shù)，工況參數(shù)和靶件參數(shù)，如表21所示。在實(shí)驗(yàn)室條件下，分別研究射流壓力、排量、磨料、巖性及射孔時間對射孔深度的影響。表21 水力噴射射孔效果的影響因素影響因素流體參數(shù)工況參數(shù)射流壓力進(jìn)給速度噴嘴直徑靶距（噴距）噴嘴型式流道數(shù)射流功率入噴射角流速 流量切割體積流體性質(zhì)切深或切寬射流反沖力比能磨料參數(shù)靶件參數(shù)磨料類型靶件強(qiáng)度磨料流量靶件硬度磨料粒度靶件孔隙度混合管直徑靶件滲透率 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的主要裝置有磨料加砂系統(tǒng)，高壓泵組和磨料射流實(shí)驗(yàn)裝置，如圖26，28。 實(shí)驗(yàn)時開動高壓泵，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使管路中高壓水的壓力符合實(shí)驗(yàn)要求，這時打開高壓砂閥開關(guān)并計(jì)時，磨料砂混入高壓水流，形成固定濃度的磨料砂漿，由連接到射孔箱的管線經(jīng)噴嘴噴出，打擊箱內(nèi)試件，產(chǎn)生磨蝕作用，進(jìn)行射孔作業(yè)。在實(shí)驗(yàn)停止時先關(guān)閉磨料罐高壓閥門，然后打開節(jié)流閥，卸下壓力，最后停止高壓泵組，最后從射孔箱內(nèi)將試件卸下，進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)的測量，完成后繼續(xù)開始下一組實(shí)驗(yàn)。圖26磨料加砂系統(tǒng) 圖27高壓泵組 圖28磨料射流實(shí)驗(yàn)3 水力噴射分段壓裂工具 水力噴射壓裂系統(tǒng)的構(gòu)成及特性 水力噴射壓裂系統(tǒng)的構(gòu)成水力噴射壓裂系統(tǒng)主要是由噴射工具、油管、配套施工車、油管提升裝置和井口裝置等組成，如圖31所示。水力噴射壓裂隔離方法的發(fā)展經(jīng)歷了動態(tài)分流、機(jī)械分隔和砂堵法隔離3 個主要階段。目前，國外普遍采用砂堵隔離法。 水力噴射壓裂操作步驟1) 在需要壓裂的地方放置含有多個噴嘴的噴射工具，并使噴射工具定位。2) 泵入攜帶石英砂的高壓流體，經(jīng)噴射工具噴嘴噴出，刺穿套管穿透巖石形成孔道。在油管內(nèi)，高壓流體的壓能通過噴嘴轉(zhuǎn)換成水射流的動能，高速水射流很快在套管上射開一個孔道，一般情況，射穿套管只需20～30 s。圖31 　水力噴射壓裂系統(tǒng)示意3) 在套管被刺穿之后，含砂水射流沖擊破碎巖層，形成一定深度的孔道?；诓匠蹋瑖娮斐隹谒俣茸罡邏毫妥畹?，隨著流體不斷深入，孔道壓力不斷升高，孔道端處壓力最高，如圖2 所示。4) 為使環(huán)空壓力接近壓裂開始時所需的壓力，經(jīng)環(huán)空泵入流體。5) 在壓裂開始之前，經(jīng)油管泵入的壓裂液經(jīng)過噴嘴進(jìn)行常規(guī)壓裂，裂縫開始擴(kuò)展。6) 在壓裂完成之后，停止泵入液體，工具提到下一個壓裂位置，重復(fù)上述過程，直至所有的壓裂位置都完成壓裂為止。圖32 　水力噴射壓裂原理 國外水力噴射壓裂工具的典型結(jié)構(gòu) 噴射器結(jié)構(gòu)自1998 年Surjaatmadia 等人提出了泵入含有石英砂的高壓水射流流過噴嘴的概念，噴嘴和噴射器的設(shè)計(jì)就面臨很大的挑戰(zhàn)。最初的水力噴射壓裂施工所圖33 　特定井用噴射器使用的噴射器，以單個噴嘴損壞或噴射器磨損之前可通過9 107 kg 多的壓裂支撐劑為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在水力噴射壓裂應(yīng)用的最初幾年里，噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直在圍繞這一要求在不斷地進(jìn)行改進(jìn)，并將制造的噴嘴組合起來裝到噴射器里，對于帶有多噴嘴噴射器的設(shè)計(jì)，還要考慮噴射器外徑和內(nèi)徑的限制。在2002 年以前，大多數(shù)噴射器都是提前按油氣井所需設(shè)計(jì)和制造，制造這種專用噴射器(見圖33) 的準(zhǔn)備時間較長，一般需要4～12 周時間。另外，對于噴射器的制造來說，除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還要充分考慮所使用材料的性能。后來，人們?yōu)榱丝s短工具配置的等待時間，修改了噴射器的設(shè)計(jì)，出現(xiàn)了帶有多個圓孔的噴射器(見圖34) ，在圓孔上安裝所需的噴嘴，并根據(jù)現(xiàn)場需要用塞子堵住不需要的圓孔，采用這種方式可以提前制造噴射器，根據(jù)具體情況確定噴嘴的數(shù)量、尺寸和在噴射器上的分布。圖34 　帶有塞子和噴嘴的噴射器 水力噴射壓裂管柱結(jié)構(gòu)為了更好地應(yīng)用于水平井，水力噴射壓裂的工藝過程在逐步改進(jìn)。在水力噴射壓裂初期，主要使用普通油管將噴射器送至壓裂位置進(jìn)行壓裂，但其作業(yè)時間長，勞動強(qiáng)度大，井口密封裝置要求高。后來，連續(xù)油管與水力噴射壓裂技術(shù)相結(jié)合 應(yīng)用于油田增產(chǎn)作業(yè)中，大大提高了操作的速度和效率，并且允許在施工過程中修改設(shè)計(jì)。盡管傳統(tǒng)連續(xù)油管有尺寸限制，但其持續(xù)反循環(huán)能力減小了對作業(yè)管柱環(huán)空內(nèi)砂堵的憂慮，并引起一場重大變革———環(huán)空壓裂。大力發(fā)展水平井水力噴射分段壓裂技術(shù)，特別是與大直徑連續(xù)油管(7310 mm) 聯(lián)作是一個發(fā)展趨勢。1)水力噴射壓裂井下工具研制是水力噴射壓裂工藝設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。由于井下工作環(huán)境復(fù)雜，工具內(nèi)部壓力高，高流速的流體通過噴嘴對噴嘴會造成強(qiáng)烈磨燭，噴射到套管和底層巖石的返流也會對水力噴射壓裂工具造成損傷，這給水力噴射壓裂工具材料的選擇造成很大困難。在根據(jù)該技術(shù)的施工特點(diǎn)，綜合考慮多方面的因素之后，在理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成了井下工具的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)、噴槍體強(qiáng)化材料選擇、噴嘴材料選擇及安裝方法、井下工具和油管的連接方式等工作，并對研制的水力噴射壓裂工具進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。水力噴射工具包括噴槍、噴嘴、單向閥、扶正器以及導(dǎo)向頭等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖35所示。圖35水力噴射壓裂管柱結(jié)構(gòu)圖噴槍：噴嘴的載體