水力噴砂射孔參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

1、第31卷第2期2003年4月石油鉆探技術(shù)PETROL EUM DR I LL I N G T ECHN I QU ES V o l . 31, N o. 2A p r . , 2003! 鉆井與完井#水力噴砂射孔參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究牛繼磊1, 李根生1, 宋劍1, 馬利成2, 杜寶壇2(11石油大學(xué)(華東 高壓水射流研究中心, 山東東營257061; 21勝利油田有限公司采油工藝研究院, 山東東營257000摘要:通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn), 對(duì)影響水力噴砂射孔能力的7個(gè)參數(shù)(射流壓力、射流排量、射流磨料性質(zhì)、磨料體積分?jǐn)?shù)、磨料粒度、巖性和圍壓 進(jìn)行了系統(tǒng)研究, 初步得出了各參數(shù)對(duì)射流破巖能力的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表

2、明, 水力噴砂射孔能力隨壓力和排量的增加而增加; 磨料粒度和體積分?jǐn)?shù)都存在著一個(gè)最優(yōu)值, 磨料體積分?jǐn)?shù)為6%8%, 磨料粒度為014016mm ; 磨料的性質(zhì)對(duì)水力噴砂射孔能力有一定的影響; ; 固定條件下存在著最大射孔深度和最優(yōu)噴射時(shí)間。關(guān)鍵詞:水力射流; 磨料噴嘴; 射孔參數(shù); 中圖分類號(hào):T E 248文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:0220014203大, 。-沖量原理, 固體顆粒受水載體加速, 高速?zèng)_擊套管和巖石, 產(chǎn)生切割作用。它為常規(guī)的依靠射孔彈或聚能彈穿透套管和進(jìn)入地層的射孔和割縫處理補(bǔ)充了一種新的手段122。它主要有四個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是可以增加彈道的穿透深度; 二是不會(huì)造成象常規(guī)射孔那樣的地層壓實(shí)傷害

3、; 三是開孔的孔徑大; 四是可以根據(jù)分層和地應(yīng)力的要求, 有選擇的定向射孔。但在實(shí)際應(yīng)用過程中, 由于對(duì)水力噴砂射孔的作用機(jī)理了解不夠清楚, 對(duì)各種參數(shù)影響規(guī)律的認(rèn)識(shí)不夠深入, 導(dǎo)致效果不十分明顯。影響水力噴砂射孔能力的因素主要包括流體參數(shù)、磨料參數(shù)、工況參數(shù)和靶件參數(shù)。通過大量的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn), 對(duì)影響射孔能力的7個(gè)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究, 為水力噴砂射孔現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。3實(shí)驗(yàn)所采用的噴嘴為硬質(zhì)合金噴嘴, 其結(jié)構(gòu)如圖2所示 。圖2噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖112巖樣制備針對(duì)實(shí)驗(yàn)要求, 筆者制作了水泥砂巖樣。經(jīng)測(cè)試, 決定主要采用砂灰比12和13的巖樣, 它們的主要特性參數(shù)見表1。表1巖樣主要特性參數(shù)巖

4、樣10-3M Pa 彈性模量 M Pa 孔隙度, %滲透率 m 2砂灰比抗壓強(qiáng)度 121811981815520123016113111515851352717701451實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法111實(shí)驗(yàn)設(shè)備根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求, 筆者自行設(shè)計(jì)并研制了一整套實(shí)驗(yàn)設(shè)備, 主要包括射流箱、圍壓罐、加砂罐(高壓 等(如圖1所示 。為了便于觀察試驗(yàn)結(jié)果, 采用多段式巖樣。共制作了60塊巖樣, 巖樣長為20c m , 直徑1615c m 。113實(shí)驗(yàn)過程用巖樣架夾緊分段式巖樣使其間隔盡量減小。在第一段巖樣射穿后, 連續(xù)噴射第二段巖樣。實(shí)驗(yàn)分別在常壓和圍壓下下進(jìn)行, 常壓實(shí)驗(yàn)于射流箱中完成; 圍收稿日期:20022012

5、23基金項(xiàng)目:國家863項(xiàng)目(2002AA 615090 和中石化科技項(xiàng)目(P 01031作者簡(jiǎn)介:牛繼磊(1966 , 男, 山東淄博人, 1989年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東 機(jī)械制造專業(yè), 工程師。圖1實(shí)驗(yàn)設(shè)備組成簡(jiǎn)圖聯(lián)系電話:(0546 8391801第31卷第2期牛繼磊等:水力噴砂射孔參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究15 壓實(shí)驗(yàn)在圍壓罐中完成。由調(diào)壓閥實(shí)現(xiàn)壓力的調(diào)節(jié), 排量的變化是指在壓力不變時(shí), 不同噴嘴內(nèi)徑下的流量變化。排量的改變通過調(diào)節(jié)噴嘴尺寸實(shí)現(xiàn)。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析211壓力及時(shí)間的影響(實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3、4 圖6磨料對(duì)射孔能力的影響曲線圖3 射孔深度與壓力關(guān)系曲線而增加, 而且對(duì)于像石榴石這樣的硬度較大、

6、帶棱角的磨料要比不帶棱角的磨料的切割能力大得多。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn), 關(guān)系。 (實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7圖4射孔深度與射孔時(shí)間的曲線圖7射孔深度與磨料體積分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線由圖3、圖4可以看出, 隨著壓力的升高破碎深度明顯增加, 且根據(jù)對(duì)巖樣的觀察可以看出孔徑也隨著壓力的升高而明顯變大。在試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)壓力越高, 第一塊巖樣破裂的可能性越大, 而且發(fā)生破裂后, 由于碎塊之間相互碰撞、摩擦而呈球狀。212排量的影響(實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5 從圖7中可以看出, 在一定的壓力和排量下存在著一個(gè)最佳磨料體積分?jǐn)?shù), 而且隨著壓力的增高其最佳磨料體積分?jǐn)?shù)也相應(yīng)增加。最佳體積分?jǐn)?shù)范圍為6%8%。實(shí)驗(yàn)表明, 磨料的最佳體積分?jǐn)?shù)與磨料性質(zhì)、

7、切割材料的性質(zhì)以及水力噴砂射流的水力能量等因素有直接關(guān)系 。215磨料粒度的影響(實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8圖5射孔深度與排量的關(guān)系曲線從圖5中可以看出隨著排量的增加, 射孔深度顯著增加。很明顯, 當(dāng)排量由153L m in 增加到213L m in 時(shí), 盡管壓力下降了10M Pa , 但破碎深度卻相差不大。根據(jù)對(duì)巖樣的觀察, 當(dāng)采用大排量低壓力射孔時(shí), 孔徑明顯變大, 且?guī)r樣破碎情況有所改善, 基本上沒有大的碎塊產(chǎn)生, 另外, 孔中基本沒有殘留砂粒堆積。213磨料性質(zhì)的影響(實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6從圖6中可以看出, 在相同壓力和排量下, 石榴石的沖擊深度要比石英砂的沖擊深度大的多。根據(jù)已經(jīng)得到證實(shí)的切割理論,

8、 磨料的切割能力隨硬度的增加圖8磨料粒度的影響曲線從圖8中可以看出, 射孔深度沒有隨著磨料直徑的增加而相應(yīng)的持續(xù)增加, 相反在增加到一定程度后反而有下降趨勢(shì)。這表明存在著一個(gè)最佳的磨料粒度值。在文中實(shí)驗(yàn)條件下約在014016mm 之間。216圍壓的影響(實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖9由圖9可以得出, 在其它條件完全相同時(shí), 有圍壓時(shí)的射孔深度要大大降低。例如在圍壓815M Pa 時(shí), 射孔深度從無圍壓時(shí)的2314c m 迅速減少到910c m 。 16石油鉆探技術(shù)2003年4月而變大, 不僅孔深增加, 孔徑也明顯增大,2 磨料的體積分?jǐn)?shù)存在著一個(gè)最佳值, 在該值時(shí), 射流破巖能力最強(qiáng)。文中實(shí)驗(yàn)條件下的最佳體積

9、分?jǐn)?shù)為6%8%。3 磨料的粒度也存在著一個(gè)最佳值, 文中實(shí)驗(yàn)條圖9圍壓對(duì)射孔深度的影響曲線217巖性的影響(實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖10 件下的最佳粒度值范圍為014016mm 。4 磨料的性質(zhì)對(duì)射流破巖的能力影響比較復(fù)雜, 它一般隨磨料硬度的增加而增加, 考慮施工成本、材料來源等因素, 現(xiàn)場(chǎng)施工可采用石英砂。5 圍壓對(duì)射流破巖能力有很大的影響, 隨著圍壓的增大, 。6 , 它主要, 存在著最大射孔深度和最優(yōu), 當(dāng)射流時(shí)間達(dá)到最優(yōu)射孔時(shí)間后, 若繼續(xù)噴射對(duì)孔徑和深度影響甚微。參考文獻(xiàn)1李根生, 牛繼磊. 水力噴砂射孔機(jī)理及實(shí)驗(yàn)J . 石油大學(xué)學(xué)報(bào),2002, 26(2 :31342鞏志榮. 水力噴砂射孔(

10、切割 工藝技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究及其應(yīng)用J .1112混凝土2; ; 413混凝土圖10由圖10可以看出, 巖性對(duì)水力噴砂射流射孔能力有較大的影響。3結(jié)論1 水力噴砂射孔破巖能力隨壓力和排量的升高鉆采工藝, 8(4 :41493沈忠厚. 水射流理論與技術(shù)M 1東營:石油大學(xué)出版社, 1998An Exper i m en ta l Study on Abra sive W a ter Jet Perfora tion Param eters11122N iu J ile i , L i Gen sheng , Song J i an , M a L icheng , D u Baotan(1. P e

11、troleum E ng ineering Colleg e , U n iversity of P etroleum (E ast of Ch ina , D ongy ing , S hand ong , 257061, Ch ina . 2. P rod uction. , D ongy ing , S hand ong , 257000, Ch ina T echnology R esea rch Institu te , S heng li L td . CoAbstract :T he exp eri m en ts show that the p erfo rati on cap

12、 acity of ab rasive w ater jet increases w ith theincrem en t of w ater jet p ressu re and w ater jet flow rate . Bo th ab rasive flow rate and ab rasive p article size ex ist. T he op ti op ti m um values m um value of ab rasive flow rate is 6%8%and that of ab rasive p article size is 0. 40. 6mm .

13、T he characters of ab rasive m aterials have som e influences on the p erfo rati on cap acity . T he litho logical characters and the confined p ressu re have great influences on the p erfo rati on cap acity . T here are the op ti m um p erfo rati on ti m e and m ax i m um p ero rati on dep th s ava

14、ilab le under li m ited conditi on .Key words :hydrau lic jet ; ab rasive jet ; p erfo rating p aram eter ; lab test惠民凹陷發(fā)現(xiàn)豐富地?zé)豳Y源最近, 勝利油田臨盤采油廠在惠民凹陷商河油田進(jìn)行油井作業(yè)時(shí), 意外發(fā)現(xiàn)濟(jì)南市商河縣工業(yè)園周圍的玉皇廟、賈莊、胡集鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)處于一個(gè)地?zé)岙惓^(qū), 蘊(yùn)藏著十分豐富的地?zé)豳Y源。據(jù)初步了解, 商河縣的地?zé)釤?3水層深約1400m , 水層厚約70m , 水溫達(dá)58°C 以上, 預(yù)計(jì)可以開采的熱水資源儲(chǔ)量近19×10m 。有關(guān)專家根據(jù)有關(guān)資料認(rèn)為, 商河縣的地?zé)崴畬拥暮穸?、水溫和可采?chǔ)量, 在山東省目前來