水力喷射压裂射流密封压力场研究.pdf

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2012年第40卷第11期流体机械21文章编号：1005—0329(2012)11—0021—04水力喷射压裂射流密封压力场研究曲海，李根生，刘营，盛茂，吴春方(1．中国石化石油工程技术研究院，北京10010l；2．中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京102249)摘要：水力喷射压裂工艺是集水力射孔和压裂一体的新型油田增产技术。本文在室内试验基础上，运用计算流体力学方法，对水力喷射压裂过程中射流密封压力场开展研究。得到了井下水力射流在套管环空和孔道内部的压力及速度分布。揭示了喷嘴空间位置、喷嘴数量、射流压力和喷嘴直径对射流密封压力场影响规律。结果表明：高速射流之间具有很强的独立性，喷嘴空间位置和喷嘴数量不会影响射流密封压力；孔道压力随射流压力和喷嘴直径的增大而增加。研究结果对水力喷射压裂工艺现场施工提供科学依据。关键词：水力喷射压裂；室内试验；射流参数；密封压力；流场模拟中图分类号：TK037文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1005—0329．2012．11．005SimulationResearchofJetSealingPressureFieldduringHydrajetFracturingQuHai一，LIGen．sheng，LIUYing，SHENGMao，WUChun．fang'(1．SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering，Beijing100101，China；2．StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)Abstract：Hydrajet-fractruingisanewstimulationtechniqueinoilfield．Itisverynecessarytoresearchjetparametersforthetechnique．Basedontheexperimentsandcomputationalfluiddynamics，thejetsealingpressurefieldincasingannularhadbeenperformed．Thevelocityandpressuredistributionisobtainedbyfluidsimulation．Thefollowingparameterswereanalyzed：nozzlespacelocation，thenumberofjet，differentialpressureandnozzlediameter．Theresultshowsthatthesealingpressurewillbein—creasedwiththejettingpressureandnozzlediameterincreasing．Thesealingpressurefieldcreatedbyjettinghasgoodindepend—ence．Thespacelocationandthenumberofnozzlehavenoinfluencetothesealingpressure．Theconclusionscanprovidescien—tificbasisfortheoilfieldperformanceofhydrajet—fracturing．Keywords：hydrajet—fracturing；experiment；jetparameters；sealingpressure；fluidsimulation1前言年，该技术被引入中国，经过国内学者的研究与创新，实现了一趟管柱可进行10层段压裂，单水力喷射压裂工艺利用水动力学原理实现个喷射工具加砂能力达到50m。国内大庆、长高速射流自动密封压裂层段，实现水力射孑L和庆、胜利、中原、塔里木等各大油田相继开始应压裂联作，无需机械封隔，一趟管柱实施多层位用，取得了显著的效果。压裂改造，是目前国际上低渗透油气储层改造的研究热点之一_1J。1998年水力喷射压裂工艺2水力喷射压裂技术由哈里伯顿Surjaatmadja工程师提出并成功应用于水平井分段压裂中，相继在双分支井、裸眼在射流增压和套管环空压力共同作用下，裂井、套管井、筛管井中获得广泛应用，并成功与缝将在水力射孑L孔道处起裂并延伸，如图1所酸化技术及连续油管技术相结合-5／。2007示。收稿日期：2012—02—27修稿日期：2012一o4—25基金项目：国家自然科学基金项目(50774089)；国家科技重大专项项目(2009ZX05009—005—04A) 2012年第4O卷第11期流体机械23流轴线上压力和速度数据，如图4所示。流体经16．8MPa，△P值为3．2MPa。将空间位置不同的3喷嘴高速射出，射流速度达到211m／s，且存在极个射流轴线上计算压力值提取出来并与单喷嘴工短的等速核，该区域内射流轴向流速及射流压力作时孔道压力试验结果进行比较，误差精度在保持不变，压力达到最小值，42．2MPa。高速射流5％以内。喷嘴工作数量的增加以及空间位置的将卷吸周围流体，并将动能传递给被吸人流体使变化对射流密封压力影响很小，说明高速射流之其速度和压力增加，一部分转化为自身压力能。问不会发生干扰，具有很强的独立性。因此可以两股流体之间发生剧烈能量和质量的交换。在轴灵活选择喷嘴组合及布孔方式，例如6个6mm喷线位置80mm处，套管环空被吸入液体速度上升嘴直径组合可以采用螺旋方式或两层方式安装于到最大值77m／s，射流速度下降至lOOrn／s，压力喷射工具上，如图6所示。同时针对井况、储层特快速上升至46．6MPa。两股流体向前发展，其速点、管串摩阻等条件限制，可以灵活选择喷嘴组合度逐渐减小，压力缓慢增加。在孔道出口处，射流方式：5mm×6个、6ramX4、6ramX8、动能转化为混合液体恒定的压力能，射流压力达7mmX6，满足施工要求。到47MPa，两股流体混合为一体，速度为22m／s。导向头F扶正器喷枪多孔管单向Ii埘扶正／／／，图6水力喷射压裂工具实物4．2射流压力对孔道压力影响规律图7示出西6ram喷嘴，地层延伸压力为20MPa，射流压力10～30MPa的5种不同射流压力情况下的射流轴线上的压力曲线，数值模拟计算得到的喷嘴周围压力为18．7、18．1、17．4、16．8轴线佗置fmm)和16．2MPa。那么孔道压力与环空压力差值即为图4射流-孑L道速度及压力曲线射流密封压力，分别为：1．3、1．9、2．6、3．2和3．8MPa。数值模拟得到的射流密封压力与射流压力4孔道压力影响规律研究呈现良好的正相关关系。4．1多喷嘴对射流密封压力影响20图5示出射流参数为6mm喷嘴，射流压力25MPa，地层延伸压力20MPa情况下，不同方位喷一嘴对射流密封压力的影响。1820160j【J【】2t儿)皇轴线位黄(ram)18图7射流压力对密封压力分布的影响由此可知，喷嘴直径不变，射流压力增大，射流密封压力随之增大，因此射流压力增加有利于16OlO0200提高孔内压力。现场施工中射流压力一般保持在轴线位置(mm)20～30MPa，此时射流密封压力可以达到2．6～图5不同方位喷嘴对射流密封压力影响3．8MPa，在施工条件允许的情况下应当尽量提高由图可知，喷嘴周围环空压力最低值达到射流压力。 24FLUIDMACHINERYVo1．40，No．11，20124．3喷嘴直径对孔道压力影响规律图8示出射流压力20MPa，地层延伸压力为5结论20MPa情况下，直径为6mm和5mm喷嘴对应射流轴线上的压力数据，并具有相同的入口与(1)高速射流在喷嘴周围能够产生低压区出口边界条件时实验与计算结果的比较。由图可域，促使套管环空注入的高压液体只流进该区域，知，5mm喷嘴射出的高速流体在喷嘴周围产生两股液体混合并进入水力喷射压裂位置，维持地的密封压力差值为1．1MPa，6mm喷嘴高速射层裂缝延伸；流产生密封压力为2．6MPa。(2)喷嘴数量和空间位置对射流密封压力影响很小，多股高速射流产生的密封压力区域不会相互干扰，射流具有很强的独立性，可以根22据压裂施工要求灵活选择喷嘴组合及布孑L方式；(3)射流压力和喷嘴直径对孔道压力及孔道增压影响很大，存在正比关系。其实质是射20流所携带能量的增加，转化为孔道压力能增多，缓施工中应尽量提高射流压力及选用较大尺寸喷嘴直径。参考文献OIO0200轴线位置(mn1)[1]QuHai，LiGenSheng，HuangZhongWei，eta1．Boos—tingmechanism[J]．PetroleumScienceandTechnolo—(a)喷嘴直径为5．0mm时gY，2010，28(13)：1345—1350．[2]SurjaatmadjaJB，GrundmannSR，McDanielBW，et21a1．Hydrajetfracturinganeffectivemethodforplacingmanyfracturesinopenholehorizontalwells[R]．SPE48856，1998．[3]McDanielBW，SurjaatmadjaJB，EastLE，eta1．詈UseofhydrajetperforatingtoimprovefracturingSUC—奠璺eessseesglobalexpansion[R]．SPE114695，2008．[4]JessicaHouser，OrchardPetroleum，Inc．，RafaelHernandez，eta1．PinpointFractureUsingaMuhiple—CuttingProcess[R]．SPE，122949，2009．[5]DiveshC，NuratasG，ColtA．Pinpoint—Fracturing01O0200轴线位置(rain)TechnologyImprovesEfficienciesWhileSolvingIssueswithConventionalHydraulic—FracturingProcesses．(b)喷嘴直径为6．0mm时SPE151559，2012．[6]李根生，曲海，黄中伟，等．水力喷射分段压裂技图8不同喷嘴直径对射流密封压力影响术在油气井压裂中的应用[C]．王元基．水平井油从图可以看出，射流压力不变，喷嘴直径增田开发技术文集，中国南京，2010．5．9—5．12．北大，射流密封压力值随之增大。这是因为射流压京：石油工业出版社，2010，518—522．力不变，加大喷嘴直径实则增大了射流所携带的[7]LiGen—sheng，HuangZhong—wei，TianShou—ceng，et能量，更多射流能量在喷嘴周围产生低压区域。a1．InvestigationandApplicationofMultistageHydra—但是与射流压力相比，喷嘴直径对孔道压力的影jet—fracturinginOilAndGasWellStimulationinChina响程度要小的多。结合喷嘴的易加工性及磨损因[R]．SPE131152，2010．素，优先选用直径为5mm和6mm喷嘴。(下转第32页) 32FLUIDMACHINERYVo1．40，No．11，2012式可以使密封组件处于相对低温(与高温工艺介4·0质相比)的环境中运转，提高了密封的安全性和—可靠性；皇(2)增大封油循环量将会增加封油带走的热篱3．5量，同时明显降低封油在各部位的温升，提高了对密封组件的冷却效果；萎(3)主密封附近封油轴向流动缓慢，不利于该3．0部位的冲洗冷却，可采取添加折流板、改变封油出400650900口位置等措施加强主密封部位的封油流动与传热。封油循环量(L／h)图7不同封油循环量下封油带走热量的曲线参考文献由图6可见，采用串联式布置方式和封油循环冷却方式可以使密封组件处于相对低温(与高杨世铭，陶文铨．传热学[M]．北京：高等教育出版温工艺介质相比)的环境中运转，提高密封的安社，1998．全性和可靠性。随着封油循环量的增加，各部位陈利海，葛培琪，程建辉．机械密封温度场的可视化的封油温升呈现下降趋势。结合图7可以看出，计算[J]．流体机械，2001，29(5)：28—31．TomAmoM，ChrisForte，MechanicalSealPerform—增大封油循环量将会增加封油带走的热量，提高对密封组件的冷却效果。]jance1JandRe1JlatedCalcu]lJations『C1．]J26InternationalPumpUsersSymposium，2010．’此外，计算结果显示封油对副密封的冷却效郝木明，李香，李鲲，等．端面弧形浅槽机械密封温度果明显优于对主密封的冷却效果。造成这种现象场及变形研究[J]．流体机械，2010，38(4)：30—34．的原因有2点：陈汇龙，刘彤，林清龙，等．基于ANSYS接触式机械(1)主密封更加靠近高温工艺介质；密封热力耦合的研究[J]．流体机械，2012，40(7)：(2)在主密封附近封油轴向流动缓慢，积聚36-39．在封油中的热量无法及时排出。王和慧，卢均臣，关凯书，等．带接管组合法兰的强为了解决主密封附近封油轴向流动性差的问度和密封有限元分析[J]．压力容器，2012，29(2)：题，可以考虑采用设置折流板或改变封油出口位26．33．ChellaiahS，ViskantaR．NaturalConvectionFlowVi—置等方法加强主密封部位的封油流动与传热，进一sualizationinPorousMedia_J]．Int．CommHeatMass步改善主密封运行环境。Transfer，1987，14：607-616．6结论作者简介：王淮维(1986一)，男，硕士研究生，主要从事流体密封技术研究，通讯地址：266555山东青岛市中国石油大学(华(1)采用串联式布置方式和封油循环冲洗方东)。(上接第24页)[8]曲海，李根生，黄中伟，等．水力喷射压裂孑L道内2011，33(3)：54-57．部增压机理研究[J]．中国石油大学学报(自然科[13]曲海，李根生，黄中伟，等．水力喷射压裂孔内压学版)，2010，34(5)：73-75．力分布研究[J]．西南石油大学学报(自然科学[9]高传昌，张晋华，刘新阳，等．脉冲液体射流泵压力版)，2010，33(4)：85-88．特性的试验研究[J]．流体机械，2011，39(9)：1—5．[14]JessicaH，RafaelH．Pinpointfractureusingamulti·[10]熊建华，李根生，黄中伟，等．高压水射流深穿透射pie-cuttingprocess[R]．SPE122949，2009．孔试验研究[J]．流体机械，2011，39(5)：1-4．[15]陶文铨．数值传热学(第2版)[M]．西安：西安交[11]刘丽，王煦，任呈强，等．油管与接箍接头的缝隙腐通大学出版社，2001蚀评价[J]．压力容器，2011，28(12)：l4，lO．[12]曲海，李根生，樊永明，等．水力喷射压裂工艺在作者简介：曲海(1981一)，男，博士研究生，从事油气开采和增产~blO1．6mm套管井中的应用[J]．石油钻采工艺，新技术研究，通讯地址：100101北京市朝阳区北辰时代7v2g515室。