徑向射流地面模擬噴射靶心制作與可行性研究

王爾鈞，魏安超，馬磊，許發(fā)賓（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

李蔚萍，舒福昌，向興金，鮑榮，肖加敏（荊州市漢科新技術(shù)研究所，湖北荊州 434000）

徑向射流技術(shù)是目前世界上開(kāi)發(fā)老油田、提高低滲透油藏采收率和采油速度的最有效的措施之一［1］。徑向射流鉆孔的工作原理是基于水動(dòng)力學(xué)的動(dòng)量－沖量定律，當(dāng)高壓流體通過(guò)噴嘴時(shí)，液流的壓強(qiáng)被噴嘴轉(zhuǎn)換為動(dòng)量，以高速射流射出，而沖擊目的物。此時(shí)，動(dòng)量在瞬時(shí)被轉(zhuǎn)換為沖量，在沖擊力作用下底層巖石被剝蝕破損［2］。該技術(shù)能夠增加原井眼的泄流半徑，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)增注的目的。為了論證工藝設(shè)備和噴射液的適應(yīng)性，往往需要在地面做大量的模擬噴射試驗(yàn)，在消化吸收該技術(shù)的基礎(chǔ)上，筆者提出了徑向射流地面模擬噴射靶心的制作方法，為了驗(yàn)證噴射靶心的可行性，同時(shí)為下一步開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供依據(jù)，進(jìn)行了徑向射流地面模擬試驗(yàn)。

1 徑向射流技術(shù)破巖機(jī)理分析

徑向射流技術(shù)引起巖石的破壞主要是通過(guò)水楔作用，當(dāng)水楔形成的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力超過(guò)巖石的抗拉和抗剪的極限強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在巖石中形成裂隙。裂隙初步形成和交會(huì)后，水射流將進(jìn)入裂隙的空間，在裂隙尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，使裂隙迅速發(fā)展和擴(kuò)大，致使巖石破裂，形成圓柱狀沖擊坑或漏斗坑。也可把射流對(duì)巖石的沖擊力看作準(zhǔn)靜態(tài)的集中力，大小等于射流的滯止壓力，作用于半無(wú)限彈性體上，以彈性強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，將巖石的抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度作為巖石破碎的判據(jù)，當(dāng)射流沖擊在巖石上產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)巖石的強(qiáng)度時(shí)，巖石將發(fā)生破壞。準(zhǔn)靜態(tài)破碎理論定性地說(shuō)明了水射流沖擊巖石產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)性質(zhì)，它假設(shè)巖石在射流沖擊下的應(yīng)力分布與半空間彈性體受集中載荷作用下的應(yīng)力分布相似。在沖擊區(qū)正下方某一深處將產(chǎn)生最大剪應(yīng)力，沖擊接觸區(qū)邊界產(chǎn)生拉應(yīng)力，雖然射流沖擊產(chǎn)生的壓應(yīng)力達(dá)不到巖石的抗壓強(qiáng)度，但拉應(yīng)力與剪應(yīng)力卻分別超過(guò)了巖石的抗拉和抗剪極限強(qiáng)度，導(dǎo)致巖石發(fā)生破壞。

2 API靶心制作及可噴性評(píng)價(jià)

2.1 API靶心組成及規(guī)格

API靶心由API A級(jí)水泥、粒徑在16～30目的API RP56砂子（見(jiàn)圖1）及石膏（質(zhì)量比為1∶2∶0.52）混合而成，靶心采用in（1in＝2.54cm）PVC管和200L塑料桶內(nèi)灌注成型，制作過(guò)程嚴(yán)格按照SY／T 5108—2006《壓裂支撐劑性能指標(biāo)及測(cè)試推薦方法》進(jìn)行。

圖1 16～30目API RP56砂子

表1 API靶心抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)

2.2 API靶心制作

按照API靶心組成要求，制作API靶心，并在常溫下水封養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間，利用BJQD－1混凝土強(qiáng)度檢測(cè)儀和YE－300液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間靶心強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，靶心的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)，在28d達(dá)到了45.6MPa，繼續(xù)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，抗壓強(qiáng)度基本不變。由此可見(jiàn)，API靶心常溫水封養(yǎng)護(hù)的最佳時(shí)間為28d，靶心基本達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度，也滿足模擬地層強(qiáng)度的需要。

2.3 API靶心地面模擬噴射試驗(yàn)

采用清水進(jìn)行了地面模擬噴射試驗(yàn)，試驗(yàn)條件及現(xiàn)象見(jiàn)表2。從噴射結(jié)果來(lái)看，即使噴射壓力高達(dá)41.38MPa，也只能噴孔出3個(gè)小孔。API靶心的可噴性較差，作為徑向射流技術(shù)地面模擬噴射靶心不具可行性。

表2 API靶心地面模擬噴射試驗(yàn)

3 含土API靶心制作及可噴性評(píng)價(jià)

3.1 含土API靶心快速制作方法

在API靶心無(wú)法滿足模擬噴射的情況下，添加膨潤(rùn)土，模擬地層具有一定的黏土含量，制作含土API靶心。試驗(yàn)方法：將水泥、砂子和土按比例混合（總重為600g），加入適量水，攪拌均勻后倒入5cm×5cm×5cm的鋼模中裝好，然后放入雙溫強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)箱（容積53cm×38cm×32cm）中，加水使鋼模全部浸泡在水中，在80℃下恒溫養(yǎng)護(hù)24h，取出晾干即可測(cè)強(qiáng)度。

3.2 含土量對(duì)含土API模具靶心強(qiáng)度的影響

圖2 清水地面模擬噴射API靶心外觀

室內(nèi)設(shè)計(jì)了不同含土量的API模具靶心（水泥與砂子的質(zhì)量比為1∶2），測(cè)試其抗壓強(qiáng)度來(lái)考察含土量對(duì)API模具靶心強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可以看出同等條件下，含土質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，靶心強(qiáng)度越小。

3.3 水泥和砂子質(zhì)量比對(duì)含土API模具靶心強(qiáng)度的影響

通過(guò)室內(nèi)測(cè)定不同水泥和砂子質(zhì)量比下API模具靶心的抗壓強(qiáng)度，來(lái)考察水泥和砂子對(duì)API模具靶心強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，同等條件下，砂子比例越大，靶心抗壓強(qiáng)度越小。

圖3 不同含土量下靶心的抗壓強(qiáng)度曲線

表3 水泥和砂子比例對(duì)API模具靶心強(qiáng)度的影響

3.4 加水量對(duì)含土API模具靶心強(qiáng)度的影響

通過(guò)室內(nèi)測(cè)定加不同量的水下API模具靶心的抗壓強(qiáng)度，考察加水量對(duì)API模具靶心強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，同等條件下，水量偏多或偏少，靶心強(qiáng)度都減小。

圖4 加水量對(duì)靶心抗壓強(qiáng)度的影響

3.5 含土API靶心組成確定

通過(guò)前面的條件摸索，最終確定了抗壓強(qiáng)度在15～25MPa范圍的含土API靶心基本組成，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 含土API靶心的最佳組成配方

4 API靶心滲透性特征

根據(jù)優(yōu)選出的API靶心組成配方，壓制API巖心，并在同樣條件下養(yǎng)護(hù)好后，進(jìn)行滲透率測(cè)定。從表5的測(cè)定結(jié)果來(lái)看，雖然不同組成的API巖心抗壓強(qiáng)度差異較大，但其滲透率差異不大，API靶心滲透率只有0.07mD，而含土API靶心滲透率則均小于0.001mD。由此看來(lái)，含土API靶心和API靶心一樣，均無(wú)法滿足地層孔滲特征的模擬要求。

表5 不同API靶心的滲透率

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）試驗(yàn)確定API靶心常溫水封養(yǎng)護(hù)最佳時(shí)間為28d左右。

2）通過(guò)模擬靶心制作與強(qiáng)度測(cè)定，確定了抗壓強(qiáng)度在15～45MPa范圍的靶心組成。

3）結(jié)合模擬噴射效果不難看出，水泥膠結(jié)API靶心雖然可做出強(qiáng)度差異，但孔滲太小，無(wú)法模擬地層孔滲特征，不利于徑向射流技術(shù)發(fā)揮其真正的破巖作用，其用作地面模擬噴射不具可行性。

［1］李根生，牛繼磊，劉澤凱，等.水力噴砂射孔機(jī)理研究 ［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，26（2）：31～35.

［2］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.