水力喷砂射孔机理实验研究

文章编号 :100025870 (2002) 022******* 引 言

生剥蚀破 坏 , 这 在 材 料 磨 损 中 归 类 为 冲 蚀 磨 损 [ 1 ] 。

次切削材料 ,只能推挤或犁削材料而使材料变形 ,产 量的研究 ,并取得了不少的研究成果

。笔者根

当砂粒一次或多次冲击使材料变形且变形程度超过

1 水力喷砂射孔机理及影响因素

1 . 1 水力喷砂切割套管

深 传 2002 年 第 26 卷 石油大学学报 (自然科学版) Vol. 26 No. 2

第 2 期 Journal of t he University of Petroleum , China Apr. 2002

水力喷砂射孔机理实验研究

李根生1 , 牛继磊1 , 刘泽凯2 , 张 毅2

(1. 石油大学石油工程学院 ,山东东营 257061 ; 2. 胜利油田有限公司采油工艺研究院 ,山东东营 257000)

摘要 :根据材料冲蚀磨损理论和磨料射流切割原理 ,对利用水力喷砂射孔技术切割套管和近井地层岩石的机理 及其影响因素进行了分析 。在实验室条件下进行了水力喷砂射孔地面模拟实验 ,并在胜利油田现场进行了施工工 艺设计和试验 。实验结果表明 ,在压力为 23～24 MPa 的条件下 ,水力喷砂射孔能有效地穿透套管并在天然砂岩上 射出直径 30 mm 以上 、达 780 mm 的孔眼 ,现场试验证实水力喷砂射孔油井增产效果明显 。水力喷砂射孔增产的 机理主要是解除近井地带污染 ,松弛密实圈 ,避免炮弹射孔的压实污染 ,增加地层渗透率并扩展油流通道 。

关键词 :水力喷砂 ;射孔 ;磨料射流 ;增产机理 ;实验研究 中图分类号 : TE 257. 1 文献标识码 :A

塑性变形的情况下 ,套管表面冲蚀的典型形状是唇

形压坑 。在压坑附近的亚表层中形成应变层 ,一部

水力喷砂射孔是用地面压裂车将混有一定浓度 分材料被挤压到坑四周形成凸起唇缘 。

石英砂的水浆加压 ,通过油管泵送至井下 ,水砂浆通 过井下射孔工具的喷嘴喷射出高速射流 ,射穿套管 和近井地层 ,形成一定直径和深度的射孔孔眼 。水 力喷砂射孔的介质是水砂浆 ,其中水流是携带加速 砂粒 、 输能量的载体 ,水流的动量传递给固体砂粒 后 ,砂粒被加速 ,当这些砂粒冲击靶物时 ,对靶物产

图 1 水力喷砂射孔切割套管原理示意图

磨料射流是 20 世纪 80 年代初出现的一种在水射流 石英砂粒一般具有负前角 ,其法向冲击难以一 中加入固 体 磨 料 颗 粒 用 于 切 割 、清 洗 、除 锈 的 新 技 术 ,对磨料射流的切割机理及影响因素已进行了大 生凸起或唇缘 。每种材料都具有一定的延伸极限 ,

[ 2～7 ]

据材料冲蚀磨损理论和磨料射流切割原理 ,对水力 材料允许的延伸极限后 ,便会在材料表面产生裂纹 , 喷砂射孔切割套管和岩石的机理及其影响因素进行 这相当于粒子对套管表面的“锻造”过程 。反复锻打 分析 ,并进行初步的室内和现场实验 。 挤压变形 ,导致材料呈片状脱落 ,表现为压坑 —形唇

—锻打 —剥落的变形磨损 。同时 ,在冲蚀坑内 ,飞溅 返回的砂粒反复以小冲击角切削 ,形成犁沟 。

在井下 ,喷砂射孔的流程是先切割套管 (延性材 影响水力喷砂射孔切割套管的因素主要有砂粒 料) ,然后切割近井地层岩石 (脆性材料) 。 冲击速度 、砂 粒 含 量 、砂 粒 磨 料 性 质 和 套 管 材

料 性 质 。砂粒的冲击速度取决于喷射压力及喷嘴直径等

在井下水力喷砂射孔初期 ,水射流夹带石英砂 因素 ,反映了砂粒的冲击动能 。实验表明 ,冲蚀量或 颗粒垂直冲击套管表面 ,如图 1 所示 。根据冲蚀磨

损理论 ,在砂粒入射能量大到足以使套管表面产生

冲蚀深度通常与冲击速度的 1. 5～4. 0 次方成正比 。 砂粒含量反映单位时间内砂粒的冲击密度和频率 ,

基金项目 :中国石化集团公司重点课题资助项目

作者简介 :李根生 (1961 - ) ,男 (汉族) ,安徽石台人 ,教授 ,博士 ,现从事石油工程高压水射流技术研究 。

?32?石油大学学报(自然科学版)2002年4月

取决于单位时间砂粒供给量。砂粒磨料性质包括砂

粒密度、度、度、球度等,中等粒度( 0. 4～0. 8 mm)的磨料比细与粗两种磨料的效果好。套管材

料性质主要表现为局部抗冲击变形的能力,屈服强

度是一个重要指标。其他影响因素还包括冲击角

度、距、体特性等。

1 .

2 水力喷砂切割岩石

水力喷砂穿透套管后即直接冲蚀切割水泥环和

近井地层岩石,如图2所示。水力喷砂对岩石这种

脆性材料的冲蚀机理远比对套管这种延性材料复杂

得多。某些研究已经揭示了磨粒冲击脆性材料的破

坏形式是产生赫兹锥状裂纹、径向裂纹和横向裂

纹[ 3 ]。冲击初期,强大的冲击载荷产生的拉应力首

先在岩石表面引起环状的赫兹锥形裂纹。然后,随

着接触力的增加,砂粒冲击的正下方将产生塑性变

形,切向应力分量引起一系列垂直于冲击表面的径

向裂纹。在冲击后期,砂粒开始卸载并离开岩石,残

余应力会形成一系列近似平行于冲击表面的横向裂

纹。这些横向裂纹延伸到岩石表面,形成破碎屑或

称破碎坑。在中等压力(50 M Pa)下,砂粒的冲击速

度将大大超过使岩石破碎的极限速度,因而可有效

地切割和破碎岩石。在砂粒冲击岩石产生裂纹的同

时,水流在水楔压力作用下挤入裂纹,起到延伸和扩

展裂纹的附加作用,从而增强冲蚀破碎能力。

图2水力喷砂射孔切割岩石原理示意图

影响水力喷砂射孔切割破碎岩石的因素主要有

流体参数、作参数、料和岩石的特性参数。

流体参数的影响受压力(或喷射速度)和喷嘴直

径控制。切割岩石深度随压力的增加近似呈线性增

加,存在一个临界门限压力,低于门限压力就不能再

切割岩石。较大的喷嘴直径能增加切割深度,因为

磨料射流的有效速度增加。

工作参数的影响表现为冲击角度及供砂量的影

响。最佳冲击角度可取80°,尽可能减小切割据最大切割深度、嘴磨损、本等综合考虑合适的供砂速率,以体积浓度在 5 %～10 %为宜。

018 mm) 为好 。对大多数磨料 , 有锐角的颗粒切割

硬 粒 圆 喷 流 工 磨 喷 成

类 圆

壁

高 调 压 前90

磨料特性参数的影响主要体现为砂粒硬度 、粒 度 、 型 、 度等的影响 。硬度是指磨粒抵抗因冲击 力而破碎的能力 ,基本要求是磨粒的硬度应高于切

割岩石的 硬 度 。磨 粒 的 粒 度 应 以 中 等 粒 度 ( 0. 4 ～

效果比球状颗粒好 。对于石英砂

,球状颗粒反而切 深大 ,这是因为球状砂粒抵抗冲击破碎的能力强 。

岩石特性参数中 ,抗拉强度 、断裂韧性 、杨氏模 量对水力喷砂切割深度的影响最明显 。相反 ,对纯 水射流切割效果影响较大的岩石参数 ,如渗透率和 粒径等对喷砂切割效果影响不明显 。

2 水力喷砂射孔室内模拟实验

2 . 1 实验条件和方法

在室内用单喷嘴对天然砂岩进行了水力喷砂射 孔地面模拟实验 。试件由 3 块边长为 400 mm 的立 方形天然砂岩并排被混凝土浇固在 560 mm ×560 mm ×1380 mm 的长方体开口铁箱内 , 在砂岩 试 件 的一端取心得到直径为 177. 8 mm 的井筒 , 其内放 入一段外径为 139. 7 mm 、 厚为 7. 72 mm 的套管 , 四周用水泥浇固而成模拟井眼 ,如图 3 所示 。

图 3 水力喷砂射孔地面模拟实验试样模型

实验 所 用 的 主 要 设 备 为 两 台 高 压 柱 塞 泵 ( 50 M Pa 、 L/ min) 、 压软管线 、 压阀 、 力表 、 混 合磨料射流混砂罐等 。所用喷嘴是现场应用的普通 锥形硬质合金喷嘴 ,出口直径为 3. 7 mm ,喷嘴出口

到套管壁 面 的 距 离 ( 初 始 喷 距) 为 15 mm 。工 作 介

质为清水内按体积浓度为 5 %～6 %混入粒径为 0. 3

～0. 8 mm 球形石英砂而成的水砂浆 。

实验时对试件的 3 个方向进行了定点射孔 。主

要步骤如下 :将喷嘴固定在试件的套管内 ,喷嘴轴线 与套管轴线相互垂直 ; 打开上水阀 ,启动高压泵 ,调 压至实验压力 ( 受泵排量限制 ,实验压力为 23 ～24 M Pa) ;打开前混合磨料射流装置的出砂阀 , 对试件

进行定点 射 孔 实 验 并 开 始 计 时 ; 实 验 完 毕 , 计 时 停

止 ,关闭砂阀停泵 。

壁 第 26 卷 第 2 期 李根生等 :水力喷砂射孔机理实验研究

?33 ?

2 . 2 实验结果及分析

沿试样 3 个方向先后进行了单喷嘴定点水力喷

样 ,观测孔眼形状和尺寸 ,发现孔眼形状为中间粗 、 两端细的纺锤形 ,图 4 为实验后的岩样照片 。

砂射孔 实 验 , 结 果 见 表 1 。实 验 完 毕 , 剖 开 岩 石 试

表 1 水力喷砂射孔实验结果

射孔方向 左向 右向 正向

喷射压力

p/ MPa 24. 0 23. 5 23. 0 23. 0

喷射时间

t / min 4. 5 9. 5 16 34

套管孔径

d 1/ mm 4. 0 6. 0 8. 0 11. 0

岩石孔径

d 2/ mm 30 60

—

90

射孔孔深

h/ mm 170 280 750 780

备 注

同时穿透套 管 、岩 石 及 外 层 4 mm 厚钢板

穿透 壁 厚 为 7. 72 mm 套 管的时间约 1 min

实验结果说明水力喷砂射孔能在岩石中有效射

出一定深度和直径的孔眼 。在模拟实 验 压 力 为 23 ～24 M Pa 条件下 ,水力喷砂射孔能有效穿透套管并 在天然砂岩中射出直径 30 mm 以上 、深达 780 mm 的孔眼 。如果压力提高 ,预计射孔深度能达 1 m 以 上。

图 4 水力喷砂射孔实验岩样照片

3 水力喷砂射孔现场施工试验

现场施 工 试 验 是 在 史 125 井 进 行 的 。该 井 是

1997 年 4 月完钻的一口生产井 , 完钻 井 深 为 3 350

3 160. 8～3 171.

4 m ,28 # 层位于 3 224. 1 ～3 240. 8

m 。生产层套管为外径 139. 7 mm 、 厚为 7. 72 mm 的 P110 套管 。生产初期曾对 28 # 层进行常规炮弹 射孔并加砂 6 m 3 压裂 ,试油产能偏低 ( 6 m 3/ d) ,拟 上返到 23 # 层试油 。该井因固井质量差 , 不宜采用 常规射孔进行压裂改造 ,故对 23 # 层采用水力喷砂 射孔直接射开套管及油层 ,以提高井底完善度 。

设 计 用3 个 喷 砂 射 孔 枪 , 分 别 设 置 在 3 163 m ,

3 165 m 和 3 168 m 处 。每枪 3 个喷嘴 ,每个喷嘴直 径 3. 8 mm ,3 个喷嘴按 120°夹角排列 ,共射 9 孔 ,井 下施工管柱如图 5 所示 。

图 5 水力喷砂射孔井下

施工管柱示意图

施工步骤如下 :

(1) 用油管冲探砂面至人工井底 , 然后顶替成

防膨液约 40 m 3 ;

(2) 下入施工管柱 :63. 5 mm 油管 +Φ115 mm 水力锚 + 枪 1 + 枪 2 + 枪 3 + 球座 ,各部件所处的位 置即深度见图 5 ;

(3) 磁性定位 ,检查喷枪位置并校深 ;

(4) 配 溶 胶 液 135 m 3 , 配 备 粒 径 为 0. 4 ～ 0. 8 mm 的兰州砂 7. 5 m 3 ;

(5) 装 KQ350 型采油 树 , 四 道 绷 绳 加 固 , 装 油

套压力表 ;

m ,比施工前日产量提高 33 % ,且不含水 ,施工效果

完

裂

除

磨 深 低

?34 ?

石油大学学报 (自然科学版) 2002 年 4 月

(6 ) 接 好 地 面 管 汇 , 启 动 压 裂 车 , 试 压 至 55 M Pa ,持续 5 min 不刺不漏为合格 ; (7) 按泵注程 序 表 施 工 : 试 喷 5 min 后 正 式 喷

砂射 孔 80 min , 排 量 1. 5 m 3/ min , 泵 压 45 ～ 50 M Pa ,砂浓度为 5 %～10 % 。总用液量 230 m 3 ,用砂 量 7. 5 m 3 。

该井经水力喷砂射孔后 抽 汲 求 产 , 日 产 油 8.

3

良好 。

4 水力喷砂射孔增产机理分析 (1) 解除近井地带堵塞 。钻井 、 井以及油气水

流动过程中 ,由于各种原因使围岩的孔隙 、 隙等流

动通道堵塞 ,导致近井地层渗透率降低 ,使流体流动 受阻 。水力喷砂射孔的冲击作用可有效除垢 、 蜡 、 解除堵塞 ,增加地层渗透率 。

(2) 解除密实圈 ,使井壁围岩松弛 。特别是对低 渗地层的松弛尤为重要 。在压力作用下 ,低渗透油 层的渗透率将更低 。水力喷砂射孔在大于油井直径 几倍的范围内解除压实效应 ,使井壁围岩松弛 ,从而 增大渗透率 (据前苏联岩石力学专家毕托克夫分析 , 松弛作用可使渗透率增大 3～8 倍) 。

(3) 避免炮弹射孔造成的压实污染 。普通射孔 弹是利用聚能穿甲原理破岩射孔 ,因而在射孔孔眼 周围形成致密挤压层 ,使得渗透率大大降低 ,造成严 重的射孔污染 。水力喷砂射孔不仅得到清洁通畅的 炮眼 ,而且能解除近井地层污染 。

(4) 水力喷砂射孔可用来在油井中进行水力喷 砂割缝 ,进一步增加油流通道 。

(5) 水力喷射压裂增产 。对由于地层原因不宜 实施普通炮弹射孔和压裂的井 ,可选择水力喷砂的 射孔完井措施或实施定向辅助压裂 。特别对裸眼水 平井 ,水力定向喷砂可以不隔离作业段就能有选择 地制造大 、小 裂 缝 及 其 复 杂 组 合 , 大 大 提 高 油 井 产 能。

5 结 论

(1) 水力喷砂射孔与磨料射流切割原理相似 ,对 套管的破坏机理有切割磨损和变形磨损两种形式 ,

对岩石的破坏形式是产生锥状裂纹 、径向裂纹和横 向裂纹 。 (2) 水力喷砂射孔深度和效率主要受流体参数 、

工作参数 、 料和岩石特性参数的影响 。 (3) 在压力为 23～24 M Pa 条件下 ,水力喷砂射 孔能在天然砂岩上有效地射出直径 30 mm 以上 、 达 780 mm 的孔眼 。如果压力提高 , 预计射孔深度 能进一步增加 。现场试验油井增产效果明显 。

(4) 水力喷砂射孔增产机理主要是解除近井地

带污染 ,松 弛 密 实 圈 , 避 免 炮 弹 射 孔 造 成 的 压 实 污

染 ,增加地层渗透率并扩展油流通道 。

(5) 水力喷砂射孔技术可作为不宜压裂井深穿 透射孔 、 渗透地层改造 、水力喷砂割缝 、水力喷射 压裂等增产措施 ,具有显著的经济效益和广阔的应 用前景 。

参考文献 :

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(责任编辑 陈淑娴)

parametercomparativelymulticomponentcomputed are obtained numerical result 2 indicatevelocitieshe NMOinvelocitymedia wave ters ; words : horizontal ransverse isot ropic media ; double profile ; normal moveout velocity ; anisot ropic parame 2 IMPROVEMENT OF OIL PROD UCTION/ L I Gen 2sheng , N IU J i 2lei , L IU Ze 2kai , et al . Vol. 26 No. 2

Apr. 2002

Journal of t he University of Petroleum , China ( Edition of Natural Science)

?Ⅲ?

moderate st rengt h of anisot ropy , which provides a reliable basis for t he inversion of Thomsen parameters using 2D multicomponent seismic data.

EXPERIMENTAL STUDY ON MECHANISMS OF HYD RAUL IC SAND BLASTING PERFORATION FOR

College of

Pet roleu m Engi neeri n g i n t he U ni versity of Pet roleu m , Chi na , Dongyi ng 257061/ S hiyou Dax ue X uebao ,

2002 , 26 ( 2) :31～34.

On t he basis of erosion wear t heory of materials and t he abrasive water jet cutting process , t he mechanisms of bot h casing cutting and formation rock cutting wit h hydraulic sand blasting perforation of oil wells are discussed ,

tion bot h in laboratory and on field are conducted. The simulation experiment in laboratory shows t hat t he casing can be easily cut wit h t he hydraulic sand blasting perforation. The sandstone can be perforated , and a hole wit h 30 mm in diameter and 780 mm in dept h can be made on t he sandstone at jetting pressure of 23～24 M Pa. The field test s show t he promising potential enhancement of oil production wit h t he technique. The improvement of

perimental st udy

Elect ronic Engi neeri n g i n t he U ni versity of Pet roleu m , Chi na , Dongyi ng 257061/ S hiyou Dax ue X uebao ,

2002 , 26 ( 2) :35～37.

ability of coiled t ubing is low , and t he plastic deformation of drill pipe is limited , t he hardenability and t he

pipe wit h curvat ure of t he drill pipe under an inner pressure is determined , and t he relations of limit moment and

fected by t he curvat ure , but t he position of middle layer is quitely affected by t he inner pressure and axial load. ial direction under t he action of inner pressure and t he axial resistance during drilling process. This result can t he t rack of whipstock.

t ubing ; limit moment

CALCULATION OF FL UID TEMPERATURE D ISTRIBUTION IN WELL BORE WITH HEAVY OIL PUMP/

Pet roleu m , Chi na , Dongyi ng 257061/ S hiyou Dax ue X uebao , 2002 , 26 ( 2) :38～40.