（油气井工程专业论文）磨料射流割缝增产增注技术研究.pdf

s t u d y o n i n c r e a s i n go u t p u t a n d p o u rt e c h n o l o g y b y a b r a s i v e w a t e r j e t s l i t - c u t b ， y a 0d e h u i o i l & g a sw e l l d r i l l i n ge n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m , c h i n a a d v i s o r ：z u o u w e i d o n g a b s t r a c t a b r a s i v ew a t e e ti sak i n do fn e ww a t e r j e tt e c h n o l o g yd e v e l o p e d 组t h el a t e2 0y e a r sw i t hi t se h a r a e t e f ：i s t i e so fl o ww o r k i n gp r e s s u r e v a 囊嫩t oc u ta l lk i n d so fm e t a l l i ca n dn o n - m e t a l l i cm a t e r i a l sa n df i n e 诺慨m n f a t h et e c h n o l o g yh a s 髓i n e d i t se x p l o s i v eg r o w t hs i n c ei t w a sc r e a t e d b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y , f i l r t h 盯m o d i f i c a t i o na n dp e r f e c t i o nh a v eb e e nd o n et ot h ea b r a s i v e w a t e r j e ts l i t - c u tt e c h n o l o g y t h e r e s u l t ss h o wt h a t ：t h ee n e r g yc o n v e r s i o n e t t i c i e a e y a n dt h e 瑚3 z z l e sl i f eg a nb ei m p r o v e d b ya d o p t i n g t h e s l 呻e i a l - d e s i 弘e dn o z z l e ；s l i tq u a l i t y a c h i e v e st h eb e s tu n d e rt h e c o n d i t i o n so fa b r a s i v ev o l u m ec o n c e n t r a t i o no f8 1 0 wt r a v e r s er a t e 3 m a l ls t a n d o f fd i s t a n c ea n d h i g hp u m pp r e s s u r e b a c k f l o w o ft h e a b r a s i v ew a t e f i e ti s h e l p f u l t oi n c r e a s et h es l i t d e p t h t h ea b r a s i v e w a t e r j e tm u l t i l e v e ls l i t c u tt o o l ，t h eh y d r a u l i cs l i t d e t e c t i o nt o o l ，t h e h y d r a u l i cc 神a l i z e ra n da u t o m a t i o nc o n t r 0 1s y s t e mo nt h eg r o u n da r c c h a r a c t e r i z e dw i t hc o n c i s es t m c t u r e ，h i 吐r e h 西i l i t ya n dl o wc o s t t h e f i e l dt e s tr e s u l t ss h o wt h a t ：t h i st e c h n o l o g yh a sn o t a b l ea b i l l t yt o i m p r o v et h e o i lf i e l # s o u t p u ta n d u rm e c h a n i s ma n ds h o u l db e p o p u l a 矗z e d i nt h ee 勰t e mo i l f i e l d s k e yw o r d s ：曲r a s i v ew a t e r j e t s l i t c u t i n c r e a s eo u t p u ta n dp o u r t e c h n o l o g y , e x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得石油大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：翘燮：垃 潲年p 月t 7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许 论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 学生签名： 批丝：堕 导师签名 缈轳年月1 7 日 石油大学( l # 东) 硕士研究生论文 刚晶 前言 随着我国东部油田相继进入开发的中后期，油井产量 不断地降低，后备储量严重不足，严重地威胁着油田的稳 产、增产，由于当前石油开发技术水平和传统的技术方法 的限制，目前，我国的油气资源开发利用率较低，据统计， 我国水驱油藏的平均采收率只有3 3 左右，远远低于发达 国家的开采水平。如何最大限度地开发地下油藏，提高原 油的最终采收率，一直困扰着石油科技工作者，也是当今 世界范围内的热点课题之一。对于低渗、稠油等复杂油气 藏的采收率则更低。 造成原油最终采收率较低的因素主要有：产层本身的 渗透率较低；近井地层受到钻井、开发污染：炮弹射孔的 深度有限，射孔过程中对产层造成二次污染等等。 针对以上问题，科技工作者采取了多种措施。如各种 物理法处理地层技术、酸化压裂技术、聚合物驱等等，这 些方法都取得了一定的增产效果，但在传统的射孔弹射孔 完井方式的限制r c ，无法取得长久的和根本的效果，仍然 有大量的剩余油无法采出来。 磨料射流是2 0 世纪8 0 年代迅速发展起来的高压水射 流家族中的新秀。它以水为载体，磨料颗粒被高压水射流 加速，由于磨料颗粒的质量比水大且具有锋利的棱角，所 以磨料射流对物料的冲击力和磨削力要比相同条件下的高 石油大学( 华东) 硕士研究生跄文刖舌 压水射流大得多。另外，磨料在水射流中是不连续的，由 磨料组成的高速颗粒流对物料还产生高频冲击作用，因此， 磨料射流具有更大的威力。正是由于磨料射流的这些独特 的优点，系统也比较简单，因而它一问世，便受到极大的 重视。目前，磨料射流已被广泛用于清洗、除锈、去毛刺 及切割钢材、钢筋混凝土以及坚硬的复合材料等领域。 磨料射流割缝技术则是充分利用磨料射流切割物料的 优势，结合专用的特殊井下切割工具和地面控制系统，直 接利用高速的固液两相射流的强力冲击切削能力切割套管 和油层岩石，从而在油层喷射出一定宽度和深度的垂直缝 洞，从而克服由于炮弹射孔深度较浅，不能有效地穿过钻 井污染带以及射孔过程中对岩石的压实作用导致孔壁附近 有效渗透率下降的缺点，大幅度增加油藏的裸露面积，降 低油流八井的阻力，加速采油速度，提高油井产量，大幅 度地提高最终采收率。 本论文拟综合利用流体力学理论、多相流理论、材料 学、机械学理论、自动控制论以及金属工艺学等多学科知 识，以实验研究为主的方法，对磨料射流割缝技术进行研 究，为磨料射流用于油田的增产增注技术奠定基础。这一 技术的形成，将对采油技术的发展起到巨大的推动作用， 同时，也是对水射流理论和技术的进一步完善和发展。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第1 章国内外磨辩射流切割技术研究的现状 第1 章国内外磨料射流切割技术研究的现状 1 1 高压水射流技术的发展概况 水射流技术最早诞生于采矿业。早期利用水射流冲洗 矿石中的泥土，借助水力运送并筛选矿石和直接用水射流 冲刷煤层。由冲刷到破碎实际上是水射流的一个质的飞跃， 前者是低压力大流量，后者则是高压力小流量。上世纪3 0 年代已开始用水射流采煤。开始是用lo m p a 以下的水射流 冲采中硬以下的煤层，至7 0 年代己发展到用2 0 一3 0 m p a 水射流慢速切割煤体，再后来就是高压至1 0 0 m p a 、超高压 大于2 0 0 m p a 的水射流辅助采煤机、掘进机用于破碎落煤和 破岩。 7 0 年代，高压水清洗和超高压水切割在同步发展。自 1 9 7 2 年在美国i n g e r a o l 卜r a n d 公司的m cc a r t h e y m a n u f a c f u r i n g 公司诞生了第台4 0 0m p a 的水切割机， 继之美国f 1 0 wi n d u s t r ie s 公司的水切割机问世，超高压 水射流切割工艺一直是水射流行业研究、追踪的热点。8 0 年代，高压水射流清洗已日趋完善，普及应用。尤其是在 8 0 年代末、9 0 年代初期这类所谓“水刀”设备已经批量化、 商品化，而且以机械手控制切割头为代表的产品达到了全 自动、智能化的高水平。 水射流技术在向高压方向发展的同时，7 0 年代末期国 际水射流领域出现了一个引人注目的新动向，即从单一提 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第1 章国内外磨料射流切割技术研究的现状 高水射流压力的观点开始转向研究如何提高和发挥水射流 的潜力这方面来了。这就有了脉冲射流( 水炮) 、高温射 流、磨料射流和摆振射流。这些射流与同等压力下的普通 连续射流相比，显然大大提高了作业效率。8 0 年代以来， 磨料射流、空化射流、气水射流和旋转射流技术的迅猛发 展，将高压水射流技术推向个新的阶段。水射流领域已 经形成了一个以压力、功率为纵坐标、以水射流形式为横 坐标的技术与产品的平面型谱。高压水射流技术的应用范 围也由单纯的采矿业扩展到石油、化工、轻工、航空、冶 金、市政工程和医学等领域。尤其值得注意的是最近十几 年来，磨料射流技术得到了迅速发展。就其原因，主要是 由于利用磨料射流清洗、切割、破碎材料所需的泵压和泵 功率大大低于普通水射流。 图1 1后混式磨料射流工作原理图12 前混式磨料射流工作原理 卜水喷嘴2 一混合腔3 一磨料喷嘴l 一喷嘴2 一混台室3 一蘑料阀4 磨料管 4 - 磨料箱5 高压水管5 一单向阀6 - 调节阀7 一水阔8 - 高压阀 磨料射流分为磨料水射流( a w l ) 和磨料浆体射流 ( a sj ) 两大类。磨料水射流又分为后混式磨料水射流 石油大学( 华东) 母i 士研究生论文 第1 章国内外磨料射流切割技术研究的现状 ( a w i j ) 和前混式磨料水射流( 国夕 称作d i a j e t ，国内叫 做p r e m a j e t ) 两类。后混式磨料水射流( a w i j ) 指高速 水射流形成以后，在特定的腔室内与磨料混合并使其加速， 最终形成的磨料水射流，工作原理见图1l 。其特点是磨料 对喷嘴的磨损较轻，但磨料颗粒的速度较低且浓度分布不 均匀，喷嘴系统复杂，切割金属的工作压力一般在2 0 0 m p a 以上。前混式磨料水射流指水和磨料的混合体系在高压下 一同经过喷嘴而产生的射流，工作原理见图1 2 。在这种射 流中，磨料的加入采用流态化原理或其它机械方法，在泵 与磨料喷嘴之间混入高压管线。其特点是磨料颗粒的速度 高，分布均匀，工作压力低，易于实现，但喷嘴磨损严重。 为了进一步提高磨料颗粒的速度，在前混式磨料水射流的 基础上，又进一步发展了磨料浆体射流，即工作介质为水、 高分子聚合物等添加剂以及磨料所组成的均匀浆体。它从 根本上改变了流体性质，表现出显著的非牛顿特性。低剪 切速率下，形成一定的网架结构，增加对磨料的携带和悬 浮能力，可用高压砂浆泵直接泵入高压管线：高剪切速率 下，剪切应力降低，有利于降低沿程摩阻，尤其是喷嘴出 口处的压力损失。同时，某些高分子聚合物对加强非淹没 射流的密集性还有促进作用。 1 2 磨料射流切割及破岩技术研究发展概况 根据文献记载，世界上最早研究和应用磨料射流的国 家是美国。6 0 年代初b o b o 首先应用磨料射流钻油井，这 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第1 章国内外磨料射流切割技术研究的现状 种方法大幅度提高了钻井速度，19 6 3 年b o b o 取得了磨料 射流钻油井钻进装置的专利权。1 9 6 6 年美国大西洋富田公 司取得了磨料射流钻油井钻具的专利权。1 9 6 6 年美国海湾 石油公司取得了磨料射流钻油井钻头喷嘴的专利权。但由 于磨料射流对钻头和钻具的严重磨损，使得这项技术在石 油钻井中未得到广泛应用。 l9 8 1 年英国流体力学协会( b h r a ) 利用流态化原理研 制了世界上第一台前混式磨料水射流切割系统，简称 d i a j e t ，最高压力可以达到6 9 m p a 。其特点是供磨料的流 量比较均匀，但结构比较复杂”。 19 8 2 年h a s h is h m 提出了直接对磨料浆体加压的泵入 方法。 1 9 8 3 年春，我国淮南矿业学院利用静压平衡的原理， 通过磨料的自重和螺旋机械疏导，使磨料加入压力管道， 几乎与英国流体协会同时建立了前混式磨料水射流试验装 置，简称为p r e m a j e t “。 1 9 8 4 年，在美国电力工业研究所和煤气研究所的资助 下，流体工业公司研制出了一种高压磨料水射流，它既能 增加水射流在混凝土内的切割深度，又能增加水射流在混 凝土内的穿透速度。并对磨料材质、磨料流量、压力、切 割次数、横移速度等影响因素进行了试验研究，指出用磨 料射流切割混凝土，存在着最佳参数。切割深度为5 0 毫米 的浅槽，用磨料射流的送进速度至少比用同样功率的水射 流切割快1 0 倍。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第i 章国内外磨料射流切割技术研究的现状 美国的m 哈希斯利用单射流磨料侧进式射流装置( 后 混) 进行了磨料射流切割钢板的试验研究，指出用磨料射 流切割钢材的潜力很大，切割的质量高“。 l9 8 4 年，f 1 u i d y n e 公司发明并试验了一种新的多股 水射流喷嘴，能喷射高能量的磨料水射流。试验表明，能 在压力为1 0 0 m p a ( 或更低) 时切割许多坚硬物料，喷嘴横 移速度大于15 厘米分，磨料消耗量小于1 0 公斤分。用 这种喷嘴成功地切割了硬岩、混凝土、玻璃、陶瓷、塑料、 复合材料，以及金属。 19 8 5 年f u n d e nw a n g 和g g y i e 获得了后混式磨料 射流应用于石油钻井的专利“。 1 9 8 6 年，国内焦作矿业学院崔谟慎等对磨料射流切割 钢材进行了深入的研究。磨料射流切割钢材很大程度上是 由于磨料射流的研磨作用所致，因而，如何设法使磨料射 流有效地与被切割物体接触而又不降低其速度，即让磨料 射流多做些有用功，这将成为影响磨料射流切割效率的重 要因素。为了弄清楚切割后的磨料射流的流动方向对射流 切割能力的影响，考察了不同喷射角度时的射流切割性能 的差异”“。 1 9 8 9 年h 0 1 1l n g e r ，r h 等人在l 0 4 m p a 下对a s j 进行 试验，表明了a s j 的密集性特点及切割窄缝时的能力“。 1 9 9 1 年，h a s h is h ，m 实现了3 4 5m p a 下的a s j 系统， 试验表明高压下a s j 的切割效率更高“：h o l l i g e t ，r h 等针对a s j 浆体流变性对切割效果的影响，利用高速摄影 7 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第1 章国内外磨料射流切割技术研究的现状 分析射流结构，以及分析试件切口变化等进行研究，发现 粘弹性浆体性能优于其他非粘弹性浆体js ；h a s h is h ，m 等 对磨料水射流切割金属和脆性材料机理进行研究，并建立 了相应的切割模式”。 1 9 9 2 年，德国的g u o ，n s 等对磨料水射流切割过程中 磨料的粉碎结果进行了分析，并指出了磨料的重复使用性： 挪威的v es t a v i k ，0 等人对磨料射流用于钻井破岩进行了 研究，建立了适合于现场应用的前混式磨料水射流破岩钻 井模拟试验台架系统，并对现场应用提出了相应的技术措 施和设想“。 1 9 9 3 年，r h o a d e s ，l 列a s j 浆体的处理配制提出了 一系列的配方，以解决浆体的重复使用问题。 1 9 9 4 年，b r a n d t 等研究了影响a s j 切割效率的因素。 1 9 9 7 年，a g u s ，m 等对a s j 和a w j 用于岩石切割进行试 验比较，并分析了多种参数的影响规律“。 十多年来，国内除淮南矿业学院外，还有北京科技大 学、中国矿业大学、石油大学等多家单位对前混式磨料水 射流用于切割物料和表面处理进行了研究，并且取得了很 好的效果。其中，科技大学将磨料水射流用于对材料的超 细粉碎取得了一定的成绩。 1 3 磨料射流切割技术的特点 磨料射流是指射流中含有各种固体颗粒分散相的射 流。因为在射流冲击靶物时，其中的固体颗粒对靶物具有 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第1 章国内外磨科射流切割技术研究的现状 很强的磨蚀和冲击作用，所以这种人为加入固体颗粒的射 流被称之为磨料射流。当连续相为水时，称作磨料水射流， 简称为a w j ；当连续相含有商分子添加剂时，称做磨料浆 体射流，简称为a s j 。 在后混式磨料水射流中，磨料是利用高速水射流所产 生的负压在水射流之后卷吸进射流中去的，这就导致了磨 料颗粒难以进入射流的中心，颗粒的运动速度比较低，分 布不均匀，而且喷嘴系统非常复杂。这些缺点导致了后混 式磨料水射流应用范围的限制。一般情况下，后混式磨料 水射流被用于清洗和除锈等不需要高压的场合，雨很少用 它来切割、破碎金属和坚硬材料( 后混式磨料水射流需要 在2 0 0 m p a 或更高的工作压力下才能用来切割它们) 。 在前混式磨料水射流中，由于磨料的加入是在喷嘴和 高压泵之间，在形成磨料射流之前，磨料颗粒已与水充分 混合，磨料颗粒在水中分布比较均匀，因而磨料颗粒能与 水一起加速，这样就大大提高了磨料颗粒的速度和冲击力， 用它来破碎和切割金属以及坚硬材料就不需要太高的压 力。因此，在前混式磨料水射流产生后不久，就得到了广 泛的应用。 为了进一步提高磨料颗粒的运动速度，降低沿程以及 喷嘴出口处的压力损失，在液相中添加了高分子聚合物， 使得浆体具有很强的剪切稀释特性。尤其重要的是，加入 某些高分子聚合物后，形成具有粘弹性特点的浆体，有利 于产生高性能( 密集性高，无水雾) 的非淹没射流，表现 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第】章国内外磨料射流切割技术研究的现状 出显著的非牛顿性。因此磨料浆体射流的应用将更广泛。 总的来说，磨料射流切割具有如下的特点： 1 由于相对纯水射流来说，磨料射流大大降低了同等 切割目的下所需的压力而突出地表现了安全可靠的优势： 2 使用磨料射流切割金属时，一般都不产生火花。个 别时候虽有火花产生，但因火花周围不产生高温区，不会 导致着火或切割区附近有害气体的爆炸事故： 3 切割时不发生热或产生的少量热量能很一陕地被水射 流所带走，在切割面上几乎不产生热影响区； 4 切割面上受力小，即使切割薄板成型材，切口也不 会被破坏； 5 切缝窄，被切割材料损耗小，切砸光滑，无毛边( 切 割速度太快会产生少量毛刺) ： 6 切割时几乎无粉尘，也不产生有毒气体，工作条件 相对来说较清洁； 7 切割反作用力小，所以机械手容易移动喷嘴； 8 可以全方位进行切割，三维曲面的切割也很容易， 能切割各种形状的工件； 9 切割条件容易控制，便于使用计算机实现自动调节 和控制。 1 4 磨料射流割缝技术研究概况及技术优势 在钻井、完井、生产及修井过程中，地层会受到各种 污染，污染半径约为06 1 5 m ，近井地带的渗透率会因此 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第1 章国内外磨料射流切割技术研究的现状 而下降。另外，许多油层本身的渗透性就差。因此，恢复 地层渗透率，改善油层渗透性就成为增产的必要途径。对 单井的处理，多年来一直延用着传统的酸化、压裂等常规 方法，这些方法施工复杂、成本高，且常会给油井带来新 的污染。近年来，发展了减少甚至排除对地层污染的多种 新方法，磨料射流切割地层割缝是其中有效的方法之一。 有关专家曾说过“射孔弹穿深每增加一毫米，全国就相当于 增加了一个玉门油田”。目前通用的高压聚能弹射孔完井方 式，最大穿深为0 8 m ，一般为0 4 m ，远远不能穿过近井污 染带，更严重的是，由于炮弹射孔是利用炮弹的穿甲原理 破碎挤压地层形成炮眼，在形成炮眼的同时在炮眼的周围 产生一圈致密的岩粉挤压带，造成地层严重的二次损害， 使地层渗透率下降7 0 8 0 ，影响了油井产量。这就是有 的井勘探资料和钻井过程中都发现油气显示良好，但射孔 完井后采不出油的原因。 六十年代以来磨料射流射孔己开始应用于油田，由于 当时的压裂设备简陋，压开油层有困难。磨料射流射孔多 做为井下压裂预处理措施，用以降低压裂施工的工作压力， 后随着压裂设备的更新及压裂技术的进步，磨料射流射孔 没有再继续使用。但磨料射流射孔和常规射孔相比具有独 特的技术优点：如射孔准确性高，不损害套管，不破坏水 泥环，尤其是孔眼渗透滤表面积大，孔眼深，基本上穿透 了近并地带污染层。 自八十年代以来日益重视油层保护和单井产量，这一 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第1 章国内外磨料射流切割技术研究的现状 技术在高压水力射流理论研究推动下，又引起了国内外的 重视。常规井下淹没条件下，磨料射流射孔喷射出的是一 个圆形的7 l ，工艺工具较常规、简单。另一方式是沿井眼 轴向切割出一条长缝。施工工具结构复杂，而且施工工艺、 工作参数要求较高。但割缝的泄油面积是喷孔的1 0 l 5 倍，泄油阻力大大减小，而且避免了喷孔过程中孔内的回 压，使割缝的深度显著增加，达到08 1 m 。 磨料射流割缝技术是国外8 0 年代发展起来的用于完井 和地层改造，提高采收率的一项新技术。七十年代末八十 年代初，苏联岩石力学与矿山测量研究院在研究提高石油 天然气产量的井下工具过程中，就提出磨料射流造缝的设 想，并制造成一种用高压水对井壁及围岩切害成缝的工具。 经过多年的改进和发展，使之达到设计制造相对简单，成 本低、效果好的一种新型油气井增产工具，取得令人满意 效果。该研究院在下伏尔加、西西伯利亚等油田进行了上 百口井试验。据有关资料显示，有8 0 的油气井产量有增 加，其中有3 0 - 4 0 的油气井达到较高的增产效果。这说明 磨料射流割缝技术是一项有效的、具有很大发展前途的油 井增产新技术。 苏制磨料射流割缝工具全长2 7 米，圆形截面的平均 直径为0 12 米，有喷枪、复位器、移动器三部分组成( 如 图1 3 ) ，重l0 0 公斤。其中喷枪两侧分别各有一个4 毫米 的喷嘴，用于形成高压磨料射流。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第1 章国内外磨料射流切割技术研究的现状 喷枪 复位器 括动嘉 图1 3割缝工具简图 该技术原理为磨料射流连续射孔，在喷射过程中，由 于水压的作用，喷枪自行沿井深方向由上向下以3 5 毫米 分速度移动，喷射水中掺有4 5 ，直径0 4 0 8 毫米 的纯净石英砂，水压2 5 3 0 m p a ，因而将油井套管割开两 个互成l8 0 度的长缝，根据地面对水泥制成的模型进行试 验，油井套管两侧各形成一个宽2 c m ，长约1 8 2 0 c m ，方 向与套管轴向平行的长缝。在套管周围的水泥内，形成了 如图1 4 所示的扁纺锤形孔洞，孔洞最宽处2 0 0 毫米，缝 深可达0 8 l 米以上，基本上穿透了近井地层的污染半 径。泄油面积较常规磨料射流射孔增加1 0 1 5 倍以上。 而且避免了磨料射流射孔孔内回流影响深度问题，使射深 得到显著提高( 地面试验，最高47 倍) ，因此使得油井产 量显著提高。磨料射流割缝基本上不会对油层造成损害， 地层原始结构不变，能形成近井带高导流区，而且割缝数 少，一般不会造成套管强度及周围水泥环的损坏。前苏联 在伏尔加及西西伯利亚等油田进行了上百口井的试验，有 效率达9 0 以上，平均增油5 0 以上。 磨料射流割缝的特点和优势体现在以下几方面： 消除油气井井壁的泥浆污染。在钻井或一、二次采 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第1 章国内外磨料射流切割技术研究的现状 油过程中，由于油层内液体的流动，使得大量的泥沙堆积 在井壁附近，使得井壁附近的渗透率大大降低。 解除密实圈，使油气井井壁围岩松弛。特别是对低 渗透油层的松弛尤为重要。在压力作用下，低渗透油层的 渗透率更低。割缝在大于油气井直径6 倍的范围内解除密 实，而松弛范围更大，从而增大渗透系数。 解堵。油、气、水的流动过程中，由于各种原因使 围岩的孔隙、裂隙等流通动道堵住，使流体流动受阻，渗 透系统降低。 增加油气渗透流动的表面积。原来有效渗透的表面 积仅为含油层井壁的表面积；割缝后，有效渗透的表面积 还包括两翼长缝的表面积，在产生长缝的部位，表面积增 加了1 0 l5 倍，在同样的油藏压力下，流量增加。 由于井下磨料射流割缝工具设议、加工制造要求高，难度大， 国内的研究主要集中在磨料射流利孔上，也有部分研究单位进行井 下磨料射流割缝工具的探索研究。国内的大庆油田和辽宁工程技术 大学从苏联引进一套磨料射流割缝工具，进行多口井下试验，效果 良好，增油均在一倍以上。但在现场应用中也发现了一些问题，主 要有： ( 1 ) 工具易堵塞。工具移动速度靠一一个精确的溢流阀 控制。工具反复移动后，移动速度明显变慢，展后园 溢流阀堵塞无法移动。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第1 章国内外磨科射流切割技术研究的现状 品 耋 - 牡也th 出 图l4割缝的几何形态 ( 2 ) 工具内部结构较复杂，施工要求严格，密封易被 砂子或其它污物堵死而造成工具无法移动或复位，导 致施工失败。 ( 3 ) 割缝速度、割缝长度地面无法控制， ( 4 ) 受密封系统和溢流阀限制，工作压力最高 3 0 m p a ，影响了割缝深度。 ( 5 ) 只有一级喷枪，不适应厚油层施工。 1 。5 本文主要研究内容 本论文将根据国内外研究情况，对磨料射流割缝工艺、 施工参数等进行实验研究，对割缝工具进行改进，研制多 级磨料射流喷枪、水力扶正器、井下套管接箍定位等新工 具，使之更加适应现场应用，同时将工具的井下移动改为 地面自动控制系统自动控制，并采用计算机数据采集系统 进行监测，在此基础上进行现场试验，对相关设计进行改 进和完善。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第2 章磨料射流割缝工具及地面控制系统的设计 第2 章磨料射流割缝工具及地面控制系统的设计 本研究针对现有割缝工具的不足进行了重新设计，主 要在磨料射流喷嘴的优选、多级割缝工具以及地面控制系 统等方面进行了新的探索和研究。 2 1 磨料射流割缝工具的设计 2 1 1 磨料射流喷嘴的优选与设计 1 ) 磨料颗粒在喷嘴内外的运动分析 磨料颗粒在喷嘴内和射流中的受力情况是很复杂的。 在喷嘴截面收缩处，由于磨料颗粒的相互作用加强及本身 惯性，磨料加速慢于流体，即有动力学过程不平衡。同时 大多数实验表明，在喷嘴内部存在一定程度的颗粒碰撞， 还有颗粒与壁面之间的碰撞导致一定程度的颗粒破碎。这 就说明，在射流喷嘴内，还存在一部分能量变成了磨料的 表面能和热损失等。 磨料和水的混合物在喷嘴内部的动力学过程为个由 平衡流动一偏离平衡一趋向平衡的复杂过程。在喷嘴截面 收缩之前一段距离上，可以认为流体与磨料之间处于动力 学平衡状态。因为一维管流条件下，一般经过几倍的速度 弛豫时间之后，两相之间的速度差己很小。在喷嘴截面开 始收缩处，流体己开始在压差作用下加速，同时，粘度降 低。而国相的加速因质量大、惯性大则比较慢，滑脱速度 6 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第2 章磨料射流割缝工具及地面控制系统的设计 大，流动即开始向非平衡状态偏移。流体进入喷嘴的圆柱 段之后基本上变为匀速运动，但由于流体速度远大于固相 磨料速度，所以，此时磨料仍处于加速过程。因此磨料颗 粒的加速过程主要集中在喷嘴收缩段、圆柱段以及射流的 核心段内完成。 在各种不同截面收缩形状的喷嘴内部，实际上流体在 不同轴线位置处的加速度是不一致的。对于固液两相流动 而言，如果流体加速过于迅速，则有产生冻结流的趋势( 流 体加速过程中，固相速度不变) ，不利于固相加速，而且容 易产生喷嘴堵塞。 另一方面，磨料含量增加，加强了磨料颗粒之间的相 互作用，导致速度驰豫时间变长，不利于颗粒群速度增加。 t 鞴簿 喈l k l i 露萋，雾 f ：i ! 一 图2l喷嘴模型结构图 为便于分析，本文忽略了颗粒与喷嘴壁之间的磨擦阻 力以及颗粒与颗粒之间的碰撞所产生的能量损失，并且认 为磨料颗粒是圆球形的，其直径为d a 。 本文的理论分析所采用的喷嘴模型如图2 1 所示。该喷 嘴由圆弧入口段、锥形收缩段、圆柱出口段三部分组成。 ( 1 ) 磨料颗粒在喷嘴内的运动分析 l7 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第2 章磨抖射流割缝工具及地面控制系统的设计 由流体力学知在圆形截碡 管道中紊流流动的速度分布 其中，经验指数n 与流动的雷诺数有关 n 越小；r 为管子半径，u 。为轴心最大速度 管道轴线的距离。 一 l 忙鬲“m ( 2 1 ) 雷诺数越大， r 为计算点到 的速度分布的平均速度为： 为定性的说明喷嘴收缩段的流动状态， 缩段上任一 此，各截面 关系。而在 所以， 说，截 截面的速度分布仍具有( 2 - - 1 ) 的平均速度与轴心最大速度满足 收缩段内水流速度越来越商，n ( 2 2 ) 近似地假设收 式的形式，因 ( 2 2 ) 式的 值越来越小， 截面平均速度就越来越接近轴心最大速度。也就是 面上速度的分布越来越平均，以至于可以用各截面 上的平均速度来近似地代替收缩段内的速度分布。由连续 ( 2 3 ) 式中，u o 为喷嘴入口处水速，r 。为距喷嘴入口x 距离 处收缩断面的直径。 ) r r ，； m ” = 为 一不 毋 表 掰 ) “ f 一 一r 2 = ( 厅 为度速流水的内段缩出 r 一 得r 叫l 以 可 舻 程方 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第2 章磨料射流割缝工具及地面控制系统的设计 因为喷嘴出口直径一般比较小，因此，在圆柱段内水 流速度基本上是均匀分布的。 收缩段内磨料颗粒的运动分析 在收缩段内的流场是二维轴对称的，磨料颗粒受到两 相速度差及加速度差引起的阻力作用，其方程可由牛顿第 二定律来确定： ”y 鲁= 纠砉一鲁 + 扣三d ：。：刊 其中，v 为颗粒的体积，它等于6。；右边第一项为 一蒯： 加速度差所引起的附加质量力，第二项为速度差引起的阻 力。 令0 = p pa ，= 1 + b 2 ，则( 2 - - 4 ) 时可以化为： 鲁2 髻2 + 丢鲁 。：叫 在考察某一时刻流场内所有颗粒的速度时，由于是定 常流动，因而颗粒的速度仅仅是位置x 的函数。这样，只 要求出某一时刻流场内各不同位置上不同颗粒的速度分 布，也就等价于求出了一个颗粒走过流场不同位置的速度 分布。此时，各不同位置上颗粒的速度仍满足方程( 2 5 ) ， 只不过式中的颗粒速度u 。不再是某一个特定颗粒的速度， 而是不同位置上颗粒的速度。同时，u = d x d t ，于是方程( 2 5 ) 化为： 石油大学( 华东) 硕士研究生论文 第2 章磨料射流割缝工具及地面控制系统的设计 “d u ：口 厦x ( 2 6 ) 式中，为方便起见，记： a = 等扣 根据样条函数逼近的思想疗法，用函数u o e a x + b 来逐 段逼近收缩段上的水流速度分布u ，代入方程( 2 6 ) 中可 求得其通解为： ”。= 等。砌+ c ) e “8 + 玩g e 一t i e “8 ( 2 7 ) 其中，g = 一2 + 4 a 口( 1 一引，k 为积分常数，可由各小区 间的边界条件确定，常数a 、b 可由( 2 - - 3 ) 式的速度分 布进行数值计算得到。 圆柱段内磨料颗粒的运动分析 在喷嘴圆柱段内，水流速度为常数u - ，于是颗粒运动 方程( 2 5 ) 简化为： 卑：n 0 ，一”。) 2 a t ( 2 8 ) 这一运动过程比较简单，可以直接进行求解。因为是 e u l e r 坐标，因此h a = d x d t ，( 2 - - 8 ) 式简化为： “。车a x 2 口0 t 甜 ( 一9 圳 r q 、 其通解为： 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第2 章磨料射流割缝工具及地面控制系统的设计 数 x ：三il n o ，一”。) + ll + 。 。l”1 nj ( 2 - - 1 0 ) 式中，积分常数c 可由初始条件确定。 先求颗粒的初速度”。l 一2o 这种特殊情况。此时积分常 c = 一! ( 1 n ”。+ 1 ) d 代回( 2 10 ) 式得： x 07 ) 三 i n ( 1 “) + 南l 口l 一甜 其中u7 = k l a u 1 为颗粒的无量纲速度。 再求颗粒初速”。l 一= d a o 时的积分常数： c ：一三i l n “一) + 上| 口l”】一“。o j ( 2 - - 1 3 ) 代回( 2 10 ) 式得： x = 扣h 啬岫( 1 科；l 1 一 ；l 其中“；2 ”m u t 为颗粒无量纲初速。 比较( 2 1 4 ) 式与( 2 一1 2 ) 式可以看出，颗粒在匀速流 场中由初速度u o 加速到u 所需的路程，等于颗粒在同 一流场中由静止加速到u 所需的路程减去由静止加速到 u o 所需的路程，也即： 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第2 章磨料射流割缝工具及地面控制系统的设计 x = x o 7 ) 一x ( 。) 也就是说，在匀速流场中，颗粒的加速路程仅与颗粒 的起始无量纲速度有关，且该路程可由无量纲函数x ( u ) 确定。由于x ( u ) 只与无量纲速度有关，因而它具有普遍意 义。 ( 2 ) 磨料颗粒在射流中的运动分析 磨料和水的混合物经过喷嘴的加速后高速喷出，即形 成了通常所说的前混式磨料水射流。在喷嘴的出口处，磨 料颗粒的速度滞后于水的速度。颗粒一方面受到水流的冲 击推力，另一方面又受到剪切层的阻力。 在射流的运动方向上，射流微段d x 中颗粒流的运动方 程为： 卺出等= 丢c d 却。也) _ 斌姗。 。：， 式中m 。一一颗粒流的质量流量 d s 一一射流微段中所有颗粒在射流垂直方向上的 面积总和 r 一一射流半径 ta 一一剪切层中颗粒所受到的剪应力 由式( 2 16 ) 可见，当等号右边第一项磨料射流中水流 的冲击推力大于第二项中的阻力时，磨料颗粒仍然在被加 速，而当两相的速度差为零或很小时，磨料颗粒的速度将 降低。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第2 章躇料射流割缝工具及地面控制系统的设计 ( 3 ) 磨料颗粒加速机理 在前混合式磨料射流中，磨料首先进入高压输送管而 受到第一次加速。但由于高压输送管内的水流速度较低， 因此，磨料的加速过程主要在喷嘴收缩段、圆柱段以及射 流核心段内完成。通过前面的理论分析，总结出前混合式 磨料射流中颗粒的加速机理如f ： 在喷嘴的入口处，磨料与水流保持速度平衡，两相速 度差为零；在喷嘴收缩段内，磨料与永的速度分布曲线相 似，只不过磨料的速度总是落后于水流的速度，而且这个 落差越来越大。因此，在条件允许的情况下，前混式喷嘴 的收缩段应当适当长些。 通过分柝式( 2 7 ) 可以得出，颗粒烈刚进入喷嘴收 缩段后，其速度增加缓慢。但随着距离x 的增大，粒子速 度增加得越来越快。 颗粒在喷嘴圆柱段内的加速情况与收缩段内的正相 反。颗粒刚进入圆柱段时，其速度增加较快，但当颗粒的 速度增加到一定程度以后，其速度的增加却极其缓慢。 由于喷嘴的收缩段及圆柱段一般比较短，因此，颗粒 射出喷嘴时与水流速度仍有一一些差别。 由于射流核心段是一个匀速流场，特别是核心段的前 部，很类似于圆柱段，因此，颗粒在射流核心段内将继续 得到加速，并将在中部或后部达到其最高速度。这就要求 在设计磨料射流喷嘴时应考虑到所产生的射流核心段的长 度。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第2 章磨料射流割缝工具及地面控制系统的设计 2 ) 磨料射流喷嘴的选择 迄今为止，磨料射流喷嘴依然是磨料射流技术发展的 一个瓶颈。主要原因是：磨料射流喷嘴的耐磨性差、寿命 短，往往达不到预期值。因此，仍有必要加强对磨料喷嘴 的研究。 ( 1 ) 切割用磨料射流喷嘴选择的一般原则： 能量转换效率高 喷嘴的流量系数是反映喷嘴能量转换效率的综合指 标。流量系数越大，喷嘴的能量转换效率就越高。 所产生的射流密集性好 射流的密集性越好，沿程的动量交换、能量损失就越 小，射流的能量就集中用在切割上，其切割效率就越高。 喷嘴的耐磨性好，要有足够的使用寿命。 ( 2 ) 磨料喷嘴的材料 磨料射流喷嘴由于受到高速颗粒的冲刷，其选材十分 重要。一般来讲，喷嘴材质必须具有高硬度、高耐磨性， 两者缺一不可。 现在磨料射流喷嘴常用的材料有：美国的 r o c t e c lo o 、硬质台金、碳化硅、碳化硼、氧化铝、氮化 硅、氧化锆等。这几种材料二卜，美国d o w 公司生产的 r o c t e c l o o 喷嘴的耐磨性最好、寿命最长；硬质合金喷嘴 次之；碳化硅、碳化硼再次之：而氮化硅、氧化铝和氧化 锆最差。 ( 3 ) 磨料喷嘴的磨损 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第2 章窘料射流割缝工具及地面控制系统的设计 高速磨料颗粒对喷嘴的磨损，性质上属于磨料磨损的 范畴。磨料磨损包括有滑动磨料磨损、冲击破碎和高应力 碾碎式磨料磨损、冲蚀磨损等。对磨料喷嘴的磨损起决定 作用的是滑动磨料磨损和冲蚀磨损，磨损的主要方式有微 切削、微变形或疲劳。它不仅与喷嘴的材料、形状有关， 而且磨料的粒度、形状、硬度、滑动速度等都对其有影响， 因此磨料喷嘴的磨损过程十分复杂。各种因素对喷嘴磨损 影响的结果如下： 泵压 随泵压的增高，喷嘴的失重量呈线性规律变化，喷嘴 的出口直径初始磨损速度也呈线性变化。 磨料粒度 某一粒度下，出现最大磨损速度，对于软磨料来讲， 颗粒越大，对喷嘴的磨损越厉害。 磨料流量 某一磨料耗量下出现最大磨损速度。 磨料材质 当磨料颗粒的硬度超过某一临界值时，其磨损突然严 重。 磨料射流喷嘴的入口及收缩段形状 不同的喷嘴入口及收缩段形状会影响磨料颗粒在喷嘴 内的加速过程，从而影响喷嘴的磨损。 磨料喷嘴出口圆柱段长度 如果喷嘴出口圆柱段加长则出口磨损速度降低。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第2 审磨科射流割缝工具及地面控制系统的设计 磨料喷嘴直径 直径越小，初始磨损速度越快。 ( 4 ) 本文所用磨料射流喷嘴的选择 由上一节和本节的分析可以看出，磨料喷嘴的内部结 构形状对磨料射流的性能以及喷嘴的寿命都有重要的影 响，尤其是喷嘴入口及收缩段的形状对他们的影响更大。 当磨料和水的混合物经过管路到达喷嘴入口段时，速 度加快，流线向喷嘴中心弯曲，使剪切速率提高和液囿二 相分离。剪切速率提高的结果导致流型发生变化，粘度增 大，阻力显著增大。固液两相的分离主要是由于磨料颗粒 的惯性引起的，其结果导致磨料颗粒的流线与水介质流线 交叉，从而使磨料颗粒与喷嘴壁发生碰撞而消耗可观的能 量。因此在喷嘴的设计时应尽可能地减少这种碰撞或将其 限制在低速范围内，这不仅能提高切割能力，还能延长喷 嘴的使用寿命。采用带圆弧入口的流线型喷嘴以及三圆弧 喷嘴能较好地满足这些条件，但由于这两种喷嘴加工都比 较困难，故本文选择采用圆弧入口带圆锥收缩段的喷嘴。 由于磨料颗粒在收缩段的加速过程中，总有一部分颗 粒要与喷嘴壁发生碰撞或处于边界层中而没有得到充分的 加速，因此必须有一个混合段来继续加速这部分磨料颗粒。 为此，在收缩段之后又设计了一段圆柱段。本文选择使用 的喷嘴结构尺寸为：d o = 40 m m ；jo = 1 l m m ；r = 1 5 m m 。 综上所述，得本文的喷嘴结构如图21 所示。其材质 为硬质合金。 石油大学( 华东) 硕士研究生论文第2 请磨料射流割缝工具及地面控制系统的设计 2 1 2 多级磨料射流割缝工具 由喷射体、喷嘴、内滑套钢球 等组成。结构如图21 喷嘴呈螺旋 布置，多级连接，分投不同直径的 钢球，可同时打开上下两级喷嘴， 实现多级割缝，对于厚油层，可以 一次完成施工。减少起下管柱次 数，节约作业周期，由于取消并下 自移动部分，使工作压力由3 0 m p a 增至4 0 m p a ，使喷射深度有了进一 步提高。图22 为多级喷砂割缝工 具结构示意图。 2 13 水力扶正器 由本体、扶正条、活塞等组成， 结构如图2 3 。原理：在泵压作用 下扶正条靠向井壁，保证喷射管柱 的稳定，避免割缝时工具振颤，保 证喷缝的质量， 2 1 4 套管接箍水力探测器 由本体、小活塞、探测块等