水力切割技术报告

水力切割技术研究报告

第一章前言

1.1 研究目的及意义

针对延长油田初次衰竭开发，二次注水开发，采收率低于同类油田。随着油田的开发，呈现问题越来越多，如油井单井产液量低，含水率高，长期开发过程中，砂粒运移至油井近井地带，造成渗流阻力增大，产量降低；水井吸水剖面不均匀，同层内注入水沿微裂缝或层理较为发育的部位向前推进，层间注入水沿渗透率较高的层推进，从而水驱波及范围小，并且由于注入水水质不达标，造成注水井近井地带污染或形成水垢，因此注水过程中，注入压力高，出现注不进去的现象，若提高注水压力，又容易使微裂缝开启，出现水窜。

本次研究主要在于解决以上油田开发中存在的注水采油问题，通过对水力切割技术的研究，以获得一项油水井增产增注的改造技术，调整吸水剖面，提高注水效果，解除油井近井地带的污染、堵塞等问题，形成有利于油气水渗流的通道，降低渗流阻力，从而提高油井产液量。

水力切割技术，在国内最早始于辽宁工程技术大学与俄罗斯矿山学院合作，引进的一项增产改造技术，是在传统的水射流基础上，在水中加入少量磨料颗粒，通过泵车泵入井底，流体通过井下割缝工具后，形成高速射流，在水流和磨料高速冲击下，金属套管、水泥环和地层岩石由于受到巨大的打击力而破坏，同时作业过程中，割缝工具自行自上而下移动，穿透套管，最后在近井带形成一条宽约20mm，缝高200mm，缝深1200mm的缝，从而改善近井带的流体流动情况，达到增产增注的目的。

该项技术的研究在一定程度上，能够应对油田开发过程中出现的油水井注不进、采不出问题，为油田开发中保持稳产、提高采出程度提供了方法。

1.2 研究进展

水力切割技术实际上是在纯水中加入磨料颗粒，形成固-液两相射流，由于加入的磨料颗粒量少，因此在形成射流过程中，磨料颗粒可以获得与水流相同的高速，而在相同的流速下，磨料颗粒对材料的打击力是纯水流的2.8倍，可以较快的切割开材料，因此采用磨料射流优于纯水射流对油水井的改造，水力切割施工结束后，可将套管、水泥环、岩层进行切开，并形成一定规模的缝。

1996年俄罗斯岩石力学及矿山测量研究院佩图霍夫院士研制成功一种设备，采用在油层部位对井筒切割一对互成180°与井轴线对称的宽12一15mm、

高180mm、深1000mm的狭长深缝，射流工作压力35MPa，以每分钟5mm的走行速度割开套管，可在岩层中切开深1000mm的深槽。1998年初，辽宁工程技术大学经过改进设计，在俄方设备、设计思想的基础上经过修改，将割缝设备试制成功。进行了地面试验和实际割缝试验，割缝后的油井产量增加1倍以上，有效期两年。这不仅可以解决因堵塞造成近井地层渗透率下降，而且还可以使井周高应力区应力重新分配而得到松弛，从而减轻压实效应产生的渗透率低下，没有第二次堵塞的问题。

目前为止已经为大庆、胜利、河南、中原等油田提供井下割缝的专用工具进行油井、水井的割缝施工，包括各油田自行进行施工的井数在内，大庆、胜利、辽河、中原、河南、吉林、华北、长庆等油田施工井数至2003年为止超过三百余口井，并开发了用于4寸油井施工的割缝工具，施工后产油量及注水量一般为施工前的2倍，只有个别井因其他原因增产效果不明显，稳产时间一般在两年以上。成功率高，只需借用油田的压裂设备即可施工；成本低、操作简单，不会出故障，而且已经被推广应用在极薄油层、多层套管油层代替射孔及进行油井的深穿和井下扩孔。

1.2.1 割缝工具的研究进展

水力喷砂割缝工具主要由三部分组成：移动器、复位器、喷枪。移动器控制喷枪在施工时产生一定自上而下的移动速度，复位器在完成一组割缝后恢复到位。

辽宁工程技术大学张永利等人研制的早期喷枪结构如图1所示，在水压作用下，喷枪随同有关部件向下移动，其向下移动速度由移动器中上下活塞之间的液压油通过安装在活塞上的溢流阀流向上活塞上部空间的速度而决定。当停止输人高压水流时，受压的复位弹簧伸长，喷枪受弹簧弹力复位上行，在上活塞空间的油流回原来的空间。由于高压水流的喷射，使喷枪内的喷嘴磨损较快，早期的喷枪上只带一个喷嘴，喷嘴磨损后就不能继续作业，割缝效率低。

图1 割缝工具结构示意图

后来，辽宁石油勘探局工程院王辅升等人对该装置进行了改进，一，由于早期割缝工具在移动过程中不是匀速移动的，割缝形态不能达到预期的效果，因此设计了地面匀速送进绞车，主要由滚筒、涡轮涡杆减速器、电磁调速电动机和电

磁刹车灯组成，该装置可实现无极调速控制喷枪匀速送进；二，实现多级喷嘴设计，克服一个喷嘴效率低，多次起下割缝工具更换喷嘴的缺点，该多级喷嘴由喷射体、喷嘴、内滑套、钢球等组成，结构见下图所示，有上下两级，共8个喷嘴，交错布置，施工过程中可投入钢球剪断销钉推动内滑套下行，以更换喷嘴。从而减少了起下管柱次数；三，设计水力扶正器和套管接箍探测器，以保证喷射过程中管柱的稳定和喷射工具的准确定位，提高喷射施工效果。

图2 多级喷嘴割缝工具

而矿场应用较多的还是在早期割缝工具结构上，改进喷嘴，增加为上下两级，8个喷嘴，交错布置，其下部移动器沿用了早期的移动器控制割缝过程中的喷嘴移动，割缝一次完成后，通过上提割缝工具至上段设计割缝位置继续施工。

图3 割缝工具结构示意图

1-喷枪；2-复位器；3-移动器

水力割缝工具中实现喷嘴自行自上而下移动切割成缝的是移动器，移动器的核心部分为安装在活塞上的溢流阀。只有当油腔的油压随工作压力达到一定值时，溢流阀才自动开启，这时油经溢流阀从下油腔流至上油腔，当低于一定工作压力时，阀即自动关闭。喷枪移动速度即切割速度就是由油流通过阀的流量来决定的。

根据割缝工具结构尺寸设计，当工作压力为30～35MPa 时，下油腔内的压力即溢流阀进口处的油压为10MPa，而上油腔内的压力即出口压力接近于0，进出口压差达10MPa，而流量仅为24～26ml/min.

溢流阀是将刻有相同平面螺纹的铜质底板及塑料圆片的一面相对而放，然后用螺钉锁紧，结构较为简单。因为油在平面螺纹中流动是流动速度极小的非达西渗流流动。在这种情况下，流体与固体之间相互作用的大小决定了流体的流动速度，而且有一个初始压力梯度。