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收稿日期:2001-09-10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。文章编号:1000-5870(2002)02-0031-04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23~24MPa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30mm以上、深达780mm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:TE257.1文献标识码:A引言水力喷砂射孔是用地面压裂车将混有一定浓度石英砂的水浆加压,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、传输能量的载体,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,对靶物产生剥蚀破坏,这在材料磨损中归类为冲蚀磨损[1]。磨料射流是20世纪80年代初出现的一种在水射流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量的研究,并取得了不少的研究成果[2~7]。笔者根据材料冲蚀磨损理论和磨料射流切割原理,对水力喷砂射孔切割套管和岩石的机理及其影响因素进行分析,并进行初步的室内和现场实验。1水力喷砂射孔机理及影响因素在井下,喷砂射孔的流程是先切割套管(延性材料),然后切割近井地层岩石(脆性材料)。1.1水力喷砂切割套管在井下水力喷砂射孔初期,水射流夹带石英砂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,一部分材料被挤压到坑四周形成凸起唇缘。图1水力喷砂射孔切割套管原理示意图石英砂粒一般具有负前角,其法向冲击难以一次切削材料,只能推挤或犁削材料而使材料变形,产生凸起或唇缘。每种材料都具有一定的延伸极限,当砂粒一次或多次冲击使材料变形且变形程度超过材料允许的延伸极限后,便会在材料表面产生裂纹,这相当于粒子对套管表面的“锻造”过程。反复锻打挤压变形,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。影响水力喷砂射孔切割套管的因素主要有砂粒冲击速度、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因素,反映了砂粒的冲击动能。实验表明,冲蚀量或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,2002年第26卷石油大学学报(自然科学版)Vol.26No.2第2期JournaloftheUniversityofPetroleum,ChinaApr.2002取决于单位时间砂粒供给量。砂粒磨料性质包括砂粒密度、硬度、粒度、圆球度等,中等粒度(0.4~0.8mm)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、喷距、流体特性等。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(50MPa)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、工作参数、磨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°,尽可能减小切割面的弯曲度,增加垂直作用在深度方向上的分力。应根据最大切割深度、喷嘴磨损、成本等综合考虑合适的供砂速率,以体积浓度在5%~10%为宜。磨料特性参数的影响主要体现为砂粒硬度、粒度、类型、圆度等的影响。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(0.4~0·8mm)为好。对大多数磨料,有锐角的颗粒切割效果比球状颗粒好。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400mm的立方形天然砂岩并排被混凝土浇固在560mm×560mm×1380mm的长方体开口铁箱内,在砂岩试件的一端取心得到直径为177.8mm的井筒,其内放入一段外径为139.7mm、壁厚为7.72mm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(50MPa、90L/min)、高压软管线、调压阀、压力表、前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3.7mm,喷嘴出口到套管壁面的距离(初始喷距)为15mm。工作介质为清水内按体积浓度为5%~6%混入粒径为0.3~0.8mm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23~24MPa);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。·32·石油大学学报(自然科学版)2002年4月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砂射孔实验,结果见表1。实验完毕,剖开岩石试样,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。表1水力喷砂射孔实验结果射孔方向喷射压力p/MPa喷射时间t/min套管孔径d1/mm岩石孔径d2/mm射孔孔深h/mm备注左向24.04.54.030170右向23.59.56.060280同时穿透套管、岩石及外层4mm厚钢板正向23.0168.0—75023.03411.090780穿透壁厚为7.72mm套管的时间约1min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23~24MPa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30mm以上、深达780mm的孔眼。如果压力提高,预计射孔深度能达1m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3350m,该深度位于沙三段。生产层有2层,23#层位于3160.8~3171.4m,28#层位于3224.1~3240.8m。生产层套管为外径139.7mm、壁厚为7.72mm的P110套管。生产初期曾对28#层进行常规炮弹射孔并加砂6m3压裂,试油产能偏低(6m3/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3163m,3165m和3168m处。每枪3个喷嘴,每个喷嘴直径3.8mm,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0·2%防膨剂(DTE)+0.2%助排剂(MAN)形成的防膨液约40m3;(2)下入施工管柱:63.5mm油管+Φ115mm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135m3,配备粒径为0.4~0.8mm的兰州砂7.5m3;(5)装KQ350型采油树,四道绷绳加固,装油套压力表;·33·第26卷第2期李根生等:水力喷砂射孔机理实验研究(6)接好地面管汇,启动压裂车,试压至55MPa,持续5min不刺不漏为合格;(7)按泵注程序表施工:试喷5min后正式喷砂射孔80min,排量1.5m3/min,泵压45~50MPa,砂浓度为5%~10%。总用液量230m3,用砂量7.5m3。该井经水力喷砂射孔后抽汲求产,日产油8.0m3,比施工前日产量提高33%,且不含水,施工效果良好。4水力喷砂射孔增产机理分析(1)解除近井地带堵塞。钻井、完井以及油气水流动过程中,由于各种原因使围岩的孔隙、裂隙等流动通道堵塞,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、除蜡、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、磨料和岩石特性参数的影响。(3)在压力为23~24MPa条件下,水力喷砂射孔能在天然砂岩上有效地射出直径30mm以上、深达780mm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、低渗透地层改造、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:[1]刘家浚.材料磨损原理及
本文标题:水力喷砂射孔机理实验研究
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