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。