【文章內容簡介】 ，在這一尺度范圍，理想的裂縫應為平直，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行應力強度分析。建立如圖23所示的坐標系，對于線線彈性各向同性巖石中的Ⅰ型微裂紋，其端部附近的應力可表示為： （21）在均質線彈性介質中，裂紋端部的各應力分量均正比于r1/2，r是距裂紋端部的距離，其系數(shù)定義為應力強度因子，它決定于外載荷、裂紋長度和形狀。由公式21可以看出，I型裂紋端部的應力和應力強度因子具有直接的關系，因此，求應力分布的問題就轉化為了計算應力強度因子的問題。為簡化分析水力射孔條件下的裂縫起裂問題，橫切井眼，僅研究二維坐標系下射孔孔眼端部的應力，并作如圖24的假設：無限大平板問題；水力射孔孔眼軸線和最大水平主應力方向一致。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。此時的應力強度因子應為各種簡單載荷引起的應力強度因子的疊加，即： (22)式中：p為孔眼內壓裂液的壓力，Pa為孔眼端部裂紋內壓裂液的壓力沿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，其應力強度因子的普遍公式為： （24）下面對公式（22)中各個獨立的因子進行推導： KⅠ(σH)的推導如果不考慮裂紋的存在，帶圓孔無限大板受遠場地應力σH和σh作用時，圓孔周圍的環(huán)向應力可表不為： （25）單獨考慮K1時，σh=0，則沿X方向的環(huán)向應力為 （26）把公式（26）代入（24）可得： ( 27)積分可得： （28）式中：b=1+a/R，將壓應力取正值，式（28）應變?yōu)檎枴? K1（σh）的推導令公式(25)中的σH=0，同理可得到沿y方向的環(huán)向應力為： （29） 把式（29）代入（24）并在（（R+a），R）及（R，（R+a））區(qū)間內積分可得：（210） Ki (p)和 Ki (Pa)的推導K1 (p)是指由壓裂液壓力引起的應力強度因子，此時，公式（24)中的σy=p，即等于壓裂液壓力，積分后可得： (211)在微裂紋開始擴展之前，射孔孔眼和微裂紋內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的壓裂液壓力，因此： (212)得出四個應力強度因子后，由公式（22)及（28)、（210)、（211)和（212)即可求得綜合應力強度因子K1?？紤]一種特殊情形，即θ= 0，由公式（21)可知： (213)由實驗可以知道巖石的抗拉強度σc，當σy σc時，巖石中的微裂紋即達到臨界擴展狀態(tài)。要維持微裂紋繼續(xù)擴展，就必須對微裂紋端部繼續(xù)增加外部能量。由綜合應力強度因子的表達式（22)可以看出，前兩項由原始地應力引起的因子是一個定值，只有提高壓裂液的壓力（排量）才可實現(xiàn)。下面將從這一角度分析維持裂紋擴展的條件。如圖24，假設裂縫已經擴展一定距離X，由裂縫寬度表達式： (214)式中：η——X處的無因次高度，η=y/l(x)l(x)——縫內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——生產層與遮擋層的地應力差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)下裂縫內流體總質量M為： (215) 只有當進入縫內的流體總質量大于式（215)積分后的M值時，裂縫才能繼續(xù)擴展。 水力噴射分段壓裂技術機理及密封機理 水力噴射分段壓裂技術機理水力噴射壓裂技術是集射孔、壓裂、隔離一體化的增產措施。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）和支撐劑即可實現(xiàn)射流成孔和后續(xù)的分段壓裂作業(yè)。根據伯努利原理，噴射進入地層孔眼的流體由于速度衰減、動能轉化為勢能，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壓力進一步高于環(huán)空壓力，因此，只有在噴射位置的孔眼內裂縫才可能最先起裂、擴展，支撐劑此時將沿著起裂的裂縫進入地層，即實現(xiàn)地層中的裂縫僅在水力噴射形成的孔眼位置破裂、擴展，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、擴展。重復上述步驟即可進行多層壓裂。 水力噴射分段壓裂密封機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，其射流壓力相應越低。流體經噴嘴射出，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，而不會進入已壓裂層段的裂縫中。環(huán)空流體進入該區(qū)域后，在射流液體黏滯作用下被帶入地層，維持裂縫擴展。水力噴射壓裂工藝依靠高速射流，能夠在井下產生一個低壓區(qū)域，促使環(huán)空流體進入施工目的層段，實現(xiàn)壓裂過程的密封，無需機械密封裝置。由于水力噴射壓裂的密封作用，可以實現(xiàn)一趟管柱多段壓裂。 水力噴射分段壓裂射孔參數(shù)優(yōu)化實驗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。在實驗室條件下，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 室內實驗的主要裝置有磨料加砂系統(tǒng)，高壓泵組和磨料射流實驗裝置，如圖26，28。 實驗時開動高壓泵，調節(jié)節(jié)流閥，使管路中高壓水的壓力符合實驗要求，這時打開高壓砂閥開關并計時，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噴嘴噴出，打擊箱內試件，產生磨蝕作用，進行射孔作業(yè)。在實驗停止時先關閉磨料罐高壓閥門，然后打開節(jié)流閥，卸下壓力，最后停止高壓泵組，最后從射孔箱內將試件卸下，進行各項數(shù)據指標的測量，完成后繼續(xù)開始下一組實驗。圖26磨料加砂系統(tǒng) 圖27高壓泵組 圖28磨料射流實驗3 水力噴射分段壓裂工具 水力噴射壓裂系統(tǒng)的構成及特性 水力噴射壓裂系統(tǒng)的構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)展經歷了動態(tài)分流、機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，經噴射工具噴嘴噴出，刺穿套管穿透巖石形成孔道。在油管內，高壓流體的壓能通過噴嘴轉換成水射流的動能，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。基于伯努利方程，噴嘴出口速度最高壓力就最低，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，經環(huán)空泵入流體。5) 在壓裂開始之前，經油管泵入的壓裂液經過噴嘴進行常規(guī)壓裂，裂縫開始擴展。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構 噴射器結構自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，噴嘴和噴射器的設計就面臨很大的挑戰(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計標準。在水力噴射壓裂應用的最初幾年里，噴嘴的結構設計一直在圍繞這一要求在不斷地進行改進，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計，還要考慮噴射器外徑和內徑的限制。在2002 年以前，大多數(shù)噴射器都是提前按油氣井所需設計和制造，制造這種專用噴射器(見圖33) 的準備時間較長，一般需要4～12 周時間。另外，對于噴射器的制造來說，除了結構設計外，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，修改了噴射器的設計，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構為了更好地應用于水平井，水力噴射壓裂的工藝過程在逐步改進。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行壓裂，但其作業(yè)時間長，勞動強度大，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相結合 應用于油田增產作業(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計。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，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計的重要環(huán)節(jié)。由于井下工作環(huán)境復雜，工具內部壓力高，高流速的流體通過噴嘴對噴嘴會造成強烈磨燭，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。在根據該技術的施工特點，綜合考慮多方面的因素之后，在理論和實驗基礎上設計完成了井下工具的外形及內部結構、噴槍體強化材料選擇、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行了室內實驗。水力噴射工具包括噴槍、噴嘴、單向閥、扶正器以及導向頭等結構設計，如圖35所示。圖35水力噴射壓裂管柱結構圖噴槍：噴嘴的載體