黃中偉，李根生，史懷忠，牛繼磊，宋先知，邵尚奇

(1.中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249；2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島266580)

水力噴砂射孔是利用地面高壓泵將混有一定體積分?jǐn)?shù)石英砂的水砂漿加壓,通過(guò)井下射孔工具的噴嘴噴射出高速射流射穿套管和近井地層,而常規(guī)聚能彈射孔產(chǎn)生的超高速金屬流會(huì)在孔眼壁面形成損害區(qū)或壓實(shí)帶,導(dǎo)致巖石滲透率下降為原來(lái)地層滲透率的10% ～35%[1]。相比之下,磨料射流射孔技術(shù)可有效地避免壓實(shí)帶引起的滲透率下降問(wèn)題。近年來(lái),隨著水力噴射壓裂技術(shù)[2-7]在油氣藏,特別是在非常規(guī)頁(yè)巖氣藏的推廣應(yīng)用,該技術(shù)第一階段必須實(shí)施的磨料射流射孔方法進(jìn)一步受到重視,研究人員對(duì)磨料類(lèi)型、顆粒尺寸、噴射壓力、噴距等多種參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析[8-12],由于磨料射流噴射時(shí)的圍壓調(diào)節(jié)較為困難,研究工作大多是在不加圍壓的條件下進(jìn)行的[13-14]。廖華林等[15]采用人工水泥巖樣實(shí)驗(yàn)研究了圍壓下磨料射流對(duì)噴射深度的影響規(guī)律。筆者設(shè)計(jì)研制可承受20 MPa圍壓的磨料射流噴射實(shí)驗(yàn)裝置,采用套管切片及灰?guī)r露頭巖樣,通過(guò)改變圍壓、噴嘴出口流速、噴距等參數(shù),測(cè)試噴射套管開(kāi)孔時(shí)間、灰?guī)r巖樣中的孔深等。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 巖心/套管試件制備

選取的天然灰?guī)r巖心屬低孔低滲,平均孔隙度為0.09% ～3.11%,平均滲透率為(0.017 7～0.277)×10-3μm2,孔喉結(jié)構(gòu)以細(xì)孔中喉為主,黏土礦物主要類(lèi)型有綠泥石、伊利石和高嶺石。在壁厚9.17 mm的5 1/2″套管上切下統(tǒng)一直徑為72 mm的多組切片,見(jiàn)圖1。把切割成圓柱形的巖心放入Φ114 mm×140 mm巖心桶,端部放上套管切片,一起用水泥固結(jié),以模擬地下實(shí)際狀況,如圖2所示。

圖1 套管切片及固結(jié)好的巖樣Fig.1 Casing samples and cemented stone samples

圖2 巖樣/套管片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of completed sample

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高壓泵、噴嘴、磨料添加裝置、圍壓實(shí)驗(yàn)裝置、巖樣夾持裝置等。高壓泵工作壓力為50 MPa,排量為63～400 L/min；圍壓實(shí)驗(yàn)裝置的最高工作壓力為20 MPa,內(nèi)孔徑220 mm,內(nèi)孔長(zhǎng)度400 mm,可把制作完畢的巖樣置入其中(圖3、4)。需要說(shuō)明的是,由于圍壓罐不透明,難以準(zhǔn)確判斷噴射穿透套管的時(shí)間,為此,把噴嘴在圍壓罐的端面偏心布置,同時(shí),巖心桶可以手動(dòng)旋轉(zhuǎn),這樣在一個(gè)巖心桶上可以多個(gè)位置不停泵連續(xù)噴射,記錄在每個(gè)位置的噴射時(shí)間,完成后打開(kāi)圍壓罐,剛好穿透的孔眼所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即認(rèn)為是射穿時(shí)間。圍壓調(diào)節(jié)方法也是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一,由于返出流體同樣含有磨料及巖屑,對(duì)閥門(mén)的沖蝕磨損非常嚴(yán)重,通過(guò)設(shè)計(jì)兩路出口解決這一問(wèn)題：一路在管匯中間安裝耐磨蝕的調(diào)節(jié)閥,另一路在管匯出口安裝比實(shí)驗(yàn)噴嘴直徑較小的噴嘴,由此減輕對(duì)調(diào)節(jié)閥的沖蝕、控制圍壓罐中的壓力,如圖3中的上部結(jié)構(gòu)。在噴嘴入口管匯安裝有壓力表,該表與出口壓力表的讀數(shù)差值即為噴嘴的壓降。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of experiment setup

圖4 圍壓罐實(shí)物圖Fig.4 Photo of autoclave

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

噴嘴直徑：3.0、3.5、4.0 mm；噴嘴安裝數(shù)量：1只；噴嘴內(nèi)流道結(jié)構(gòu)：普通錐形；噴嘴壓降：23～33 MPa,圍壓最高：20 MPa,噴射距離：10 ～25 mm；磨料參數(shù)：石英砂,20～40目；砂含量：6%(體積比)。

2 結(jié)果分析

由于實(shí)驗(yàn)采用的巖樣為低滲灰?guī)r,其強(qiáng)度較高,結(jié)果射孔深度均在100 mm以內(nèi)。每個(gè)套管試件轉(zhuǎn)動(dòng)5次,實(shí)驗(yàn)后的巖樣及套管試件如圖5所示。由噴嘴壓降、噴嘴直徑、圍壓、噴距等對(duì)射穿套管時(shí)間及巖樣中射孔深度這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行分析。

圖5 噴射后的巖心和套管片F(xiàn)ig.5 Blasted cores and casing samples

2.1 噴嘴壓降

噴嘴直徑為3.5 mm、噴射距離保持在15 mm,設(shè)定圍壓10 MPa,噴射巖樣的噴嘴最高壓降33 MPa,噴射最長(zhǎng)時(shí)間20 min。圖6、7分別為射穿套管時(shí)間和巖心中射孔深度隨噴嘴壓降的變化曲線。從圖6看出,在其他條件一定時(shí),穿透套管試件的時(shí)間隨著噴嘴壓降的增加近似呈線性下降,當(dāng)噴嘴壓降達(dá)到33 MPa時(shí),僅用時(shí)20 s即可射穿套管。噴嘴壓降對(duì)噴射深度有較大影響,從圖7看出,在相同時(shí)間內(nèi),噴嘴壓降越大,在巖石上形成的孔眼越深；在相同的噴嘴壓降條件下,隨著噴射時(shí)間的延長(zhǎng),射孔深度加大,但超過(guò)一定的噴射時(shí)間(720 s)后,射孔深度的增加隨時(shí)間變化放緩。在現(xiàn)場(chǎng)施工中,可在完井管柱承壓范圍內(nèi)適當(dāng)增大噴嘴壓降、控制噴射時(shí)間12 min,以獲得較好的施工效果、減少地面高壓泵工作時(shí)間。

圖6 噴嘴壓降對(duì)射穿套管時(shí)間的影響曲線Fig.6 Effect of casing penetrated time on nozzle pressure difference

圖7 噴嘴壓降對(duì)噴射深度的影響Fig.7 Effect of nozzle pressure on hole depth

2.2 噴嘴直徑

實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：固定噴嘴壓降為30 MPa,噴射距離15 mm,圍壓調(diào)節(jié)到10 MPa,安裝的噴嘴出口直徑分別為3.0、3.5和4.0 mm。圖8、9分別為不同噴嘴直徑下射穿套管時(shí)間及射孔深度的變化曲線。從圖8看出,在其他條件一定時(shí),噴嘴直徑對(duì)射穿套管的時(shí)間影響非常明顯,隨著噴嘴直徑的增加,該時(shí)間急劇下降,噴嘴直徑由3.0 mm增加到4 mm時(shí),射穿套管的時(shí)間由85 s下降到了55 s。圖9表明,射孔深度隨著噴嘴直徑增加而增加。同時(shí)可以看出,噴嘴直徑從3.0 mm增加到3.5 mm時(shí)孔深增加較快,噴射6 min時(shí),二者對(duì)應(yīng)的孔深分別為32和55 mm,增加了69%,但當(dāng)噴嘴直徑從3.5 mm增加到4.0 mm時(shí),孔深提高幅度僅為10%。由此可知,擴(kuò)大噴嘴直徑可以有效地縮短穿透套管壁面的時(shí)間,相應(yīng)地也可增加套管上的孔徑,但對(duì)提高射孔深度的作用并不突出,因此,如果現(xiàn)場(chǎng)對(duì)套管壁面是的孔徑要求不高,可適當(dāng)縮小噴嘴直徑,以降低施工排量,從而節(jié)約高壓泵能耗。需要注意的是,為避免磨料顆粒堵塞噴嘴出口,現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)是噴嘴出口直徑至少為磨料顆粒最大直徑的3～5倍,本文中采用的磨料顆粒最大0.83 mm,則噴嘴直徑至少要設(shè)計(jì)為3.0 mm以上才可保證磨料顆粒不會(huì)堵塞出口。

圖8 不同噴嘴直徑下射穿套管時(shí)間Fig.8 Casing penetrated time with different nozzle diameters

圖9 噴嘴直徑對(duì)噴射深度的影響Fig.9 Effect of nozzle diameters on hole depth

2.3 噴射距離

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為：噴嘴壓降30 MPa、圍壓19 MPa,噴嘴直徑3.5 mm。在實(shí)驗(yàn)噴射距離對(duì)穿透套管試件時(shí),發(fā)現(xiàn)在5 mm噴距條件下磨料射流返濺過(guò)于強(qiáng)烈、對(duì)噴嘴及中心管磨蝕損壞嚴(yán)重,因此,該部分實(shí)驗(yàn)分開(kāi)進(jìn)行：噴射套管試件時(shí)從10 mm噴距開(kāi)始測(cè)試,再增加到15和20 mm；不加套管試件、僅噴射灰?guī)r巖樣時(shí),噴距從5 mm開(kāi)始測(cè)試,實(shí)驗(yàn)了4種噴距下的射孔效果。圖10和11為噴射距離對(duì)射穿套管時(shí)間及射孔深度的影響曲線。從圖10看出,在其他條件一定時(shí),射穿套管的時(shí)間隨著噴距的增加而延長(zhǎng)。噴距從10 mm提高到20 mm時(shí)射穿套管的時(shí)間由28 s增加到了75 s。在實(shí)驗(yàn)的4種噴距條件下,噴射深度隨噴射距離的增加呈下降趨勢(shì)(圖11),因此實(shí)際施工時(shí),在井下工具的噴嘴周?chē)訌?qiáng)防護(hù)前提下,如果地層出砂不嚴(yán)重,可適當(dāng)增加工具外徑、減小噴距,以提高在地層中的射孔深度；對(duì)于目的層上部存在套管變形的特殊井,將不得不減小工具外徑以通過(guò)該變形段。從圖10和11看出,即使噴距增加到20 mm,75 s也可射穿套管,在噴射12 min時(shí)巖樣中的孔眼深度僅比5 mm噴距降低了約11.7%,因此,在套管縮徑的井中設(shè)計(jì)加工較小直徑的噴射工具仍可實(shí)施磨料射流射孔技術(shù)。

圖10 不同噴射距離下射穿套管時(shí)間Fig.10 Casing penetrated time with different stand-off distance

圖11 不同噴射距離下的噴射深度Fig.11 Hole depth with different stand-off distance

2.4 圍壓

固定噴嘴壓降為30 MPa,安裝的噴嘴出口直徑為3.5 mm、噴射距離 15 mm,圍壓分別調(diào)節(jié)到10、15和19 MPa。圖12為不同圍壓下射穿套管的時(shí)間?？梢钥闯?在其他條件一定時(shí),射穿套管的時(shí)間隨著圍壓的增加而增加,但圍壓即使增加到19 MPa,射穿套管時(shí)間也只有70 s,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,12 min的噴射時(shí)間足夠把套管射穿。從圍壓對(duì)巖心射孔深度的影響(圖13)發(fā)現(xiàn),射孔深度隨著圍壓(井深)的增加總體略呈下降趨勢(shì),但不如文獻(xiàn)[11]報(bào)道的趨勢(shì)明顯。分析原因,筆者認(rèn)為,文獻(xiàn)[11]中采用的人造水泥巖樣、膠結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)不如天然灰?guī)r巖樣,射孔深度對(duì)射流參數(shù)的變化比較敏感,本文中射孔深度整體較淺,在實(shí)驗(yàn)的圍壓范圍內(nèi)趨勢(shì)并不明顯。

圖12 圍壓對(duì)射開(kāi)套管時(shí)間的影響Fig.12 Effect of ambient pressure on casing penetrated time

圖13 圍壓對(duì)巖心射孔深度的影響Fig.13 Effect of ambient pressure on hole depth

3 結(jié)論與建議

(1)設(shè)計(jì)研制用于不同圍壓下磨料射流噴射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置,其圍壓調(diào)節(jié)方法可為解決磨料射流沖蝕調(diào)節(jié)閥的難題提供借鑒。

(2)在灰?guī)r地層實(shí)施該技術(shù)時(shí),應(yīng)適當(dāng)提高噴嘴出口射流的水功率及噴射時(shí)間,而井深(圍壓)、噴距等對(duì)灰?guī)r地層中的射孔深度影響相對(duì)較小。

(3)套管密度和強(qiáng)度雖然高于灰?guī)r巖樣,但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)磨料射流對(duì)前者的沖蝕速度遠(yuǎn)高于后者,據(jù)此分析,磨料射流對(duì)鋼材(延展性材料)的切割破碎能力要高于巖石等脆性材料。

(4)隨著油田生產(chǎn)進(jìn)入中后期,套管變形/縮徑井逐漸增多,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)下入較小直徑(較大噴距)的噴射工具通過(guò)變形段后,仍能射穿套管和地層,為灰?guī)r地層套變井的射孔及定點(diǎn)噴射酸壓提供了一條技術(shù)途徑。

[1] 李東傳,唐國(guó)海,孫新波,等.射孔壓實(shí)帶研究[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2000,27(5)：112-117.LI Dongchuan,TANG Guohai,SUN Xinbo,et al.A study on perforation crushed zone[J].Petroleum Exploration and Development,2000,27(5)：112-117.

[2] MOHSEN A,ALI M A,SAMIEE R A,et al.Implementation of pinpoint fracturing technique in the western E-gypt desert[R].SPE 133864,2010.

[3] RHODES D,ORSKI K,GOUMA C N.Hydrajet fracture stimulation technique used to rejuvenate three wells in mature offshore oilfield Congo-case history[R].SPE 144117,2011.

[4] CALLAROTTI G F,MILLICAN S F.Open hole multistage hydraulic fracturing systems expand the potentiao of the giddings Austin chalk field[R].SPE 152402,2012.

[5] DIVESH C,NURATAS G,COLT A.Pinpoint-fracturing technology improves efficiencies while solving issues with conventional hydraulic-fracturing processes[R].SPE 151559,2012.

[6] LI Gensheng,HUANG Zhongwei,IAN Shouceng,et al.Investigation and application of hydrajet fracturing in oil and gas stimulation in China[R].SPE 131152,2010.

[7] 黃中偉,李根生,汪勇章,等.水力噴射壓裂技術(shù)在三層套管井中應(yīng)用研究[J].石油鉆采工藝,2012,34(5)：122-124.HUANG Zhongwei,LI Gensheng,WANG Yongzhang,et al.Hydra-jet fracturing applied in a well with three-layer casings[J].Oil Drilling&Production Technology,2012,34(5)：122-124.

[8] HUANG Zhongwei,NIU Jilei,LI Gensheng,et al.Surface experiment of abrasive water jet perforation[J].Petroleum Science and Technology,2008,26(6)：726-733.

[9] 盧義玉,沈曉瑩,楊曉峰,等.新型磨料水射流鉆頭巖石鉆進(jìn)過(guò)程關(guān)鍵水力學(xué)參數(shù)研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2012,20(5)：837-845.LU Yiyu,SHEN Xiaoying,YANG Xiaofeng,et al.Investigations on main hydraulic parameters of a new abrasive water jets assisted bit for rock drilling[J].Journal of Basic Science and Engineering,2012,20(5)：837-845.

[10] 胡強(qiáng)法,朱峰,李憲文,等.水力噴砂射孔與起裂大型物理模擬試驗(yàn)[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011,35(6)：81-87.HU Qiangfa,ZHU Feng,LI Xianwen,et al.Physical simulating experiments of hydrajet perforating and fracture initiation process[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2011,35(6)：81-87.

[11] 李根生,牛繼磊,劉澤凱,等.水力噴砂射孔機(jī)理試驗(yàn)研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2002,26(2)：31-34.LI Gensheng,NIU Jilei,LIU Zekai,et al.Experimental study on mechanisms of hydraulic sand blasting perforation for improvement of oil production[J].Journal of the University of Petroleum,China(Edition of Natural Science),2002,26(2)：31-34.

[12] 李根生,沈忠厚.高壓水射流理論及其在石油工程中應(yīng)用研究進(jìn)展[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2005,32(1)：96-99.LI Gensheng,SHEN Zhonghou.Advances in researches and applications of water jet theory in petroleum engineering[J].Petroleum Exploration and Development,2005,32(1)：96-99.

[13] JIM B S,KLAAS V G.Recent advancements in hydrajet perforating and stimulation provide better penetration and improved stimulation[R].SPE 144121,2011.

[14] OZCELIK Y,ENGIN I C.Development of cuttability chart in abrasive water jet cutting[C]//ISRM International.Rock Engineering and Technology for Sustainable Underground Construction,May 28-30,2012,Stockholm,Sweden.

[15] 廖華林,李根生,易燦,等.圍壓對(duì)射流破巖特性影響的試驗(yàn)研究[J].石油鉆探技術(shù),2007,35(5)：46-48.LIAO Hualin,LI Gensheng,YI Can,et al.Experimental study the impacts of ambient pressure on rock breaking by water jet[J].Petroleum Drilling Techniques,2007,35(5)：46-48.