纤维在压裂管柱中的减阻机理探讨

王辉锋

（中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西 西安 710000）

纤维在压裂管柱中的减阻机理探讨

王辉锋

（中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西 西安 710000）

本文对液体在管柱中的减阻增排的原理进行了分析, 从而论证了在深储层油田开采的管道压裂施工过程中, 纤维在压裂管柱中与压裂液的相互作用, 阐述了纤维的减阻增排量的工作原理。

纤维；压裂液；压裂管

进入新世纪以来，油气勘探技术发展迅猛，大量深储层油田被陆续发现，油层越深，对压裂液提出了更高的要求。本文将对压裂液在管道流动中的工作原理进行剖析，重点探讨纤维在深层油气开发中的作用。

1 减小摩擦力，增加排放的原理

缓缓的向管柱中注入工作液体后，液体顺着管壁向下流动时，会与管壁发生摩擦，液体会残留在管壁上，甚至是厚达一层的液体，产生的摩擦力可大可小，如果产生的摩擦阻力较强，液体在管道内的流速就会极大的下降，给施工带来麻烦。这种液体具有很强的粘性，对管道有很强的附着力，而液体在管道内流动存在着速度梯度差。液体的流速与管壁距离存在着负相关的关系，也就是说，液体流的越远，流速越慢，速度梯度越大，如果在施工过程中想使管内液体沿管道有一个较快的流速，就必须加大液体在管道内的速度梯度差。

此外，还有一个重要因素，那就是管道半径，管道半径的粗细，对液体在管道流动的平均速度或排量有着重要影响，液体流动速度在接近壁管的地方影响大。因此，使流体的速度梯度变大，着重加大壁面周围的速度梯度，可以收到在不增加外界压力的前提下，达到减阻增排的目的。

但是，受力情况在定向管柱中的相互作用是很难把握的，在本文中，我们拿垂直圆管举例，在垂直圆管中注入稳定流动的液体，取一个圆柱，要求这个圆柱要与管柱同轴。给圆柱同时施加两个外力，在两个外力的作用下，此时，圆柱四周的液体在压力差的作用下产生流动摩擦力。

一般情况下，两部分组成轴向切内力，依据牛顿内摩擦定律，对于层流来说，层流速度分布是抛物线型，而且呈现轴对称形状，大约是一种旋转型的抛物面。再从流动形态上来看，脉动和漩涡式不存在的，要实现减阻增排的目的，就必须改变压裂液的属性。

2 纤维的减阻增排作用

通常我们认为，可以增加包括重力在内的各类外界压力来增强速度差，改变速度梯度，用这种方法，可以极大地增强加砂后管道压裂后的排量，但是这种方法对施工的环境﹑施工设备和工人的素质有一定要求，用这种方法来达到正常施工的要求，会极大地增加成本，尤其是现在施工环境越来越来恶劣，为了解决这个问题，我们需要在压裂液中加入能起减阻降压作用的物质，这个物质比较理想的就是纤维。在压裂液中适当加入纤维，理论上我们认为如果加入纤维，压裂液处于一种层流状态，纤维不起任何作用。我们在施工中经常会发现，压裂液往往是一种急速流动的状态，这种情况就可以实现增加速度梯度﹑增大排量的目的。

注入纤维的压裂液，当液体微团以径向脉动的形式在圆柱面内由外侧向内侧流动时，流体的流动形式和其它作业流体的流动性是完全一样，都是从流速较低的流层进入流速较高的流层，产生的一个重要结果就是，低速流体的大量掺入和动的量互相传导，可以使圆柱内侧的液体的流速较大幅度的下降。根据流体连续性原理我们得知，同时存在相同量的液体从圆柱内侧渗出，流向外侧，较高速液体的渗入可以导致圆柱面外侧液体的速度加快。也就是说，由于径向脉动速度的存在，导致两侧流体的速度差即时均速度梯度减小，阻碍流体的剪切流动，这就相当于流动阻力得到了增加。

当压裂液在湍流状态中流动时，加入压裂液，纤维长链两端流体的时均速度会有较大的改变，此时，纤维长链的一侧随液体流动比另一侧要快得快，速度差会使长链产生大约180°左右的转动，这个转动是可以接受的，两端的速度差为零这个转动的角度会重新摆到正常的位置。高分子长链会与液流方向保持平行状态。我们可以假定一个流体微团在A点具有足够大的径向脉动速度时。在液体微团沿径向流动的过程中，一方面使大量液体旋转形成许多不规则的旋涡，另一方面这些液体会受到粘滞力的阻碍作用，所以液体径向脉动速度会逐渐变小，当流体微团移动到另一端，我们假设为B点时，如果存在着与管径垂直的纤维长链，而且纤维链长度远大于液体微团的上限时，那么在A和B两点之间的纤维链在液体微团的外力作用下，只能发生部分弯曲而不会大范围摆动，这样可以产生阻碍液体微团脉动的形变弹性力，使流体微团在B点的径向脉动速度进一步减小。

从这些论证我们可以看出，在管道径向纤维长链呈现出的弯曲的变形状态，同时各点时均速度有所不同，迫使纤维链重新恢复原来的面目，这样可以抑制了流体微团的纵向流动，从而实现了减阻增排的目的。另外，我们必须认识到，在射孔孔眼和地层裂缝中，纤维不会对减阻增排发生任何影响。

3 现场实例

到目前为止，对管道进行化解摩擦阻力，来增加排量的技术还没有达到一种先进的程度，在管道中加入纤维的方法，仍然处在探索阶段，不过到目前为止，纤维网络加砂工艺，能够极大地改变了增强外力后管道工作液在返排过程中支撑剂的倒流，实验和施工过程，在运用该项技术后，在压裂管柱中加入纤维，使纤维随压裂液运行时，减少摩擦阻力的效果还是很明显的，我们有这样的实例，例如cx560井在施工中就是采用了这种工艺，这口井是位于四川西部拗陷中段新场构造结构的一口正在勘探中的井，2008年初，对该井T3x4（ 3502～3546m） 进行了50立方米的陶粒加砂压裂作业。这口井是直井，在加砂压裂改造作业中采用了89mmP110油管注入，压裂液排量达到了每分钟6立方米，针对施工泵注采用线性加砂的工艺，按照步骤，在施工后期用尾追加砂的方式，希望实现防止支撑剂回流，在施工的尾追阶段，加入纤维，此时，压力在压裂管柱中是迅速地下降状态，从75百帕降到70百帕，这证明了，纤维在管柱中起到了降低摩擦增排的作用。

结语

纤维在管柱的减阻增排过程中所发挥的作用，是将压裂液的流动状态进行改变，这样可以有效抑制压裂管柱中因为压裂液的湍流引起的压裂液流动阻力。

[1]袁恩熙．工程流体学[M]．北京：石油工业出版社，1986．

[2]黄永念，颜大椿（译）湍流[M]．北京：科学出版社，1987．

[3]赵荣．一趟管柱分压两层管柱力学分析［J］．长江大学硕士论文．

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