井底圍壓對高壓水射流的影響規律研究*

李敬彬 黃中偉 魏秀麗 張逸群 張宏源 黃鵬鵬

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室 2.中國石油大學(北京) 3.新疆油田公司工程技術研究院)

0 引 言

20世紀60年代以來，高壓水射流技術被認為是最有前景的高效鉆井技術[1]。近40年來，高壓水射流技術在油氣田開發中的應用取得了充分發展[2]。在鉆井方面，高壓水射流起到輔助破巖、清洗井筒和攜帶巖屑等作用，是影響鉆井速度的關鍵因素[3-5]。在完井增產方面，高壓水射流技術逐漸應用于深穿透射孔、沖砂洗井、水力壓裂、水力脈沖空化鉆井和水力噴射徑向水平井等領域[6-11]。為提高機械鉆速，國內外學者對高壓水射流輔助破巖機理、鉆頭噴嘴分布以及噴嘴結構設計等進行了研究[12-15]；同時研究了高壓水射流在不同環境下的速度和沖擊壓力衰減規律等[16-18]。但在井筒內，高壓水射流始終處于較高的液柱壓力(也稱圍壓)下，特別是隨著勘探開發向深部地層發展，深井(>4 500 m)和超深井(>6 000 m)逐漸增多，圍壓對高壓水射流影響的問題越來越突出，這就制約了高壓水射流技術在油氣資源鉆完井領域的進一步應用。

W.C.MAURER等[1]通過試驗發現，隨著模擬圍壓從0增大到34.5 MPa，高壓水射流輔助破碎砂巖與灰巖的破巖體積都減小了50%。B.V.VOITSEKHOVSKY等[18]通過控制高壓出口閥的方式研究了圍壓對水射流沖擊特性的影響。A.A.SHESHTAWY等[19]驗證了巖石的破巖門限壓力隨著模擬深度的增加而增大。D.G.ALBERTS[20]研究了圍壓對磨料射流的影響，當圍壓為17～69 MPa時，磨料射流切割性能受圍壓影響較小，但圍壓為0～17 MPa時，磨料射流切割性能受圍壓影響較大。J.B.SURJAATMADJA等[21]認為較高的井底壓力是高壓射流難以破碎井下巖石的主要因素。LIAO H.L.等[22]證實了井底壓力是影響水力射流破巖效果的主要因素。H.KHORSHIDIAN等[4]發現，圍壓的存在會增強巖石強度，造成巖屑堆積，進而降低機械鉆速。綜上所述，越來越多的研究者認為圍壓可能會顯著弱化高壓水射流的性能。但通過分析發現，大部分試驗研究均采用高壓出口閥的方式控制模擬圍壓大小，即改變噴嘴直徑與閥門開度的比例來產生并控制圍壓。在筆者之前的研究[23-24]中發現，這種產生與控制圍壓的方式不能模擬真實的井下射流圍壓環境，該方法產生圍壓的本質是流體靜壓和動壓之間的轉換過程。因此，本文通過現場試驗與室內試驗研究了圍壓對高壓水射流的影響。

本文研究了4種圍壓條件下的高壓水射流破巖能力，主要包括：在一口650 m深的試驗井中開展了真實圍壓環境下的射流破巖試驗；在室內試驗時，分別在無圍壓淹沒條件、定排量圍壓條件和定壓差圍壓條件下開展了射流破巖試驗。室內試驗中采用控制高壓出口閥產生與控制模擬圍壓。為了提高射流輔助破巖效率，國內外學者研制了錐形噴嘴[25]、直旋混合噴嘴[26]和空化射流噴嘴[27]。本文設計加工3種類型的噴嘴，并測試了不同噴嘴在不同條件下的破巖能力。研究成果有望為高壓水射流技術在鉆井、水力壓裂和沖砂洗井等領域的應用與研究提供有益指導。

1 現場試驗

1.1 試驗井

為驗證真實圍壓下高壓水射流的破巖效果，于2016年5月在河南省中原油田鉆井培訓基地開展了現場試驗。試驗井是一口垂直井，井深650 m，套管外徑339.7 mm。該井為培訓使用的試驗井，井架等設備均保持完好。

1.2 試驗方案

為了提高試驗效率，并確保試驗條件相同，設計了可同時開展3組破巖試驗的試驗裝置，如圖1所示。每塊巖樣對應安裝有錐形噴嘴(A)、直旋混合噴嘴(B)和空化射流噴嘴(C)，不同結構噴嘴示意圖如圖2所示。

1—過濾器；2—噴嘴；3—巖樣夾持器；4—壓力傳感器。

圖2 不同結構噴嘴示意圖Fig.2 Schematic diagram of nozzles with different structures

各噴嘴具有相同當量直徑，均為4 mm，出口為圓柱形；在噴嘴安裝位置的上部安裝有一個壓力傳感器，記錄總壓力(pin)，即噴嘴壓降和圍壓之和；在夾持器的底部裝有另一個壓力傳感器，記錄井底圍壓(pb)。根據室內試驗結果，將射流破巖噴距確定為5倍噴嘴當量直徑，即20 mm。高壓流體流過過濾器，從噴嘴噴出形成高速射流而破碎巖石，完成試驗。本次試驗采用人造均質砂巖作為破碎對象，經測試其平均單軸抗壓強度為25.90 MPa，平均彈性模量為6.13 GPa，平均泊松比為0.14。

1.3 試驗流程

首先，地面組裝試驗管柱串，依次安裝噴嘴、巖樣、壓力傳感器和過濾器等，設置好噴距；然后下入管柱，此時底部壓力傳感器開始記錄下井底壓力，在650 m深度，平均井底壓力約為6.45 MPa，如圖3所示。

管柱到位后，開泵循環流體，清除雜質，確保系統通暢；提高泵壓，開始射流破巖，破巖過程持續約80 s，總壓力約為23.53 MPa，如圖4所示。由此可得，3個噴嘴的壓降約為17.08 MPa。破巖完成后，將管柱從井中取出，3塊巖樣均形成了破碎孔。井底破巖效果如圖5所示。

圖3 井底圍壓曲線Fig.3 Bottom hole confining pressure curve

圖4 破巖時總壓力曲線Fig.4 Curve of total pressure during rock breaking

圖5 井底破巖效果圖Fig.5 The effect of rock breaking at the bottom of the well

2 室內試驗

2.1 圍壓模擬裝置

為了模擬井底圍壓環境，本文采用的圍壓模擬裝置如圖6所示。該裝置主要由高壓釜、噴嘴、巖樣夾持器、噴距調節桿和出口閥等組成。在流體入口和高壓釜上安裝有兩個壓力傳感器，分別測量總壓力和圍壓。通過控制出口閥的開度即可在高壓釜中形成圍壓，到目前為止，該方法是模擬井底圍壓的唯一方法。

1—壓力傳感器；2—高壓釜；3—出口閥；4—噴距調節桿；5—支架；6—噴嘴。

2.2 試驗裝置

試驗采用三缸柱塞泵作為壓力源，額定壓力50 MPa，額定排量200 L/min。水壓傳感器量程30 MPa，輸出電流4～20 mA，精度0.1% FS。采用多通道數據采集系統采集和存儲壓力數據。室內試驗采用與現場試驗相同的巖樣。

2.3 試驗方案

根據噴嘴壓降定義[28]，其大小等于流體經過噴嘴后流體壓力的降低值，本文中其值等于總壓力與高壓釜中壓力的差。噴嘴壓降計算公式如式(1)所示。對于特定的噴嘴，其壓降取決于排量、出口直徑、噴嘴流量系數和流體性質等。對于某一噴嘴，排量一定時，其噴嘴壓降與流場分布固定。為了研究噴嘴的破巖能力，流場必須保持一致，因此排量需保持不變，即固定排量。但在試驗過程中發現，當調節出口閥開度控制高壓釜中的圍壓時，總壓力保持不變；僅當圍壓超過一個閾值后，總壓力隨圍壓的增加而呈線性增加[23-24]。因此，根據噴嘴壓降的定義，當圍壓釜中產生圍壓，而總壓不變時，無法保證試驗在同壓差條件，此時應提高流量保證壓降，即固定壓降。

噴嘴壓降計算公式為[28]：

(1)

式中：Δp為噴嘴壓降，MPa；ρ為水的密度，kg/m3；Q為流量，m3/s；A為噴嘴總流動面積，mm2；C為噴嘴流量系數，無量綱。

綜上所述，在模擬井底高壓水射流破巖時，有3種地面條件，即無圍壓淹沒條件、定排量圍壓條件和定壓降圍壓條件。

2.3.1 無圍壓淹沒條件

開展高壓水射流破巖試驗最簡單、最常用的方法是將試驗裝置直接淹沒于水中。本文僅需要將出口閥完全打開即可。由于噴嘴結構不同，在相同排量下，噴嘴壓降不同。為了便于比較，針對不同噴嘴，本文開展同壓降條件下的破巖試驗。根據現場試驗數據，將噴嘴壓降設定為17.08 MPa，分別測試了3種噴嘴的破巖效果。

2.3.2 定排量圍壓條件

為了保持流場相同，各個噴嘴的排量需保持不變。此時只需在淹沒無圍壓條件的基礎上，調整出口閥的開度即可在高壓釜中形成模擬圍壓。根據現場試驗結果，把圍壓設置為6.35 MPa左右。為了防止在圍壓形成之前高壓水射流破碎巖樣，試驗時，首先在沒有巖樣的情況下，設置出口閥的開度；在試驗時，隨著排量的增加，可同時產生總壓和圍壓。定排量條件下總壓力與模擬圍壓曲線如圖7所示。

圖7 定排量條件下總壓力與模擬圍壓曲線Fig.7 Curves of total pressure and simulated confining pressure under constant displacement conditions

2.3.3 定壓降圍壓條件

在定排量圍壓條件調節過程中，觀察到總壓力不會隨圍壓的增加而改變。因此，為了保持壓降，需要增加排量，使總壓力達到約23.53 MPa。與上節類似，在無巖樣條件下，設置好出口閥的開度。首先通過增加排量來設定總壓力，然后調整出口閥的開度，設置圍壓；試驗進行時，總壓力與圍壓可同步實現。在圍壓調整階段，可觀察到隨圍壓持續增加，總壓力保持不變。定壓降條件下總壓力及模擬圍壓調節曲線如圖8所示。

圖8 定壓降條件下總壓力及模擬圍壓調節曲線Fig.8 Total pressure and simulated confining pressure adjustment curve under constant pressure drop

3 結果與討論

3.1 破巖效果

試驗結果表明，除定排量圍壓條件外，3種噴嘴在不同條件均能有效破巖。特別地，在井底6.45 MPa圍壓條件下，雖然高壓水射流噴嘴壓降僅有17.08 MPa，但仍然可以有效破巖。為了量化高壓水射流破巖效果，分別測量了每組試驗的破巖深度、破巖直徑和破巖體積等參數，測量結果分別如圖9、圖10和圖11所示。

3.1.1 破巖深度

從圖9可以看出：在無圍壓淹沒條件下高壓水射流破巖深度最大；井底條件下破巖深度次之；定壓差圍壓條件下效果較差；定排量圍壓條件下未能有效破巖。因此可得，井底圍壓條件對射流破巖效果影響較小，破巖深度減小可能是由于巖石物性變化造成的[4]。對于不同類型的噴嘴，在不同條件下破巖深度各不相同，其中在井底圍壓條件下，錐形噴嘴(A)破巖最深，達到約30 mm，直旋混合噴嘴(B)和空化射流噴嘴(C)的破巖深度接近，約18 mm。

3.1.2 破巖直徑

從圖10可以看出：井底圍壓條件下射流破巖直徑最大，最大約25 mm；定壓降圍壓條件下破巖直徑次之；無圍壓淹沒條件下破巖直徑略小于定壓降圍壓條件；定排量條件下未能有效破巖。分析認為，在圍壓條件下射流破巖傾向于形成較大的孔徑。在鉆進過程中，高壓水射流破巖直徑越大對提高機械鉆速越有利，由此推斷，井底圍壓條件有利于高壓水射流鉆井。此外，在井底圍壓條件下，空化射流噴嘴破碎直徑最大，可能由空泡潰滅造成[29-30]，直旋混合噴嘴破巖直徑次之，錐形噴嘴破巖直徑最小。

圖9 不同噴嘴在不同條件下的破巖深度Fig.9 Rock breaking depth of different nozzles under different conditions

圖10 不同噴嘴在不同條件下的破巖直徑Fig.10 Rock breaking diameters of different nozzles under different conditions

3.1.3 破巖體積

破巖體積代表高壓水射流的破巖效率。從圖11可以看出：在無圍壓淹沒條件下，高壓水射流破巖體積最大；在井底圍壓條件下表現良好；而固定壓降條件下的破巖體積明顯偏小，特別是空化射流噴嘴破巖體積減小較大；在定排量圍壓條件下，高壓水射流沒有破巖體積。綜合對比發現，目前地面模擬圍壓條件的方法無法真實模擬井底射流過程，即現有圍壓產生與控制方法不能用來研究井下高壓水射流的性能。無圍壓淹沒條件破巖效果與井底破巖效果更加接近，可滿足高壓水射流研究需求。對于不同類型的噴嘴，井底圍壓條件下，空化射流噴嘴破巖體積最大，其次是錐形噴嘴和直旋混合噴嘴。在連續鉆井過程中，應優先考慮破巖體積和破巖直徑，因此建議使用空化射流噴嘴。

圖11 不同噴嘴在不同壓降條件下的破巖體積Fig.11 Rock breaking volumes of different nozzles under different pressure drops

3.2 討論

試驗結果表明，地面模擬圍壓條件下高壓射流破巖性能比真實井筒條件下差。為此分析了地面圍壓模擬裝置的工作原理。圖12為地面圍壓模擬裝置原理示意圖。

圖12 圍壓模擬裝置原理示意圖Fig.12 Schematic diagram of the confining pressure simulation device

圖12中：pin和vin分別代表入口高壓管線內的壓力和速度；pn和vn分別為噴嘴內部壓力和速度；pb和vb分別為高壓釜中的壓力和速度；pout和vout分別為出口閥處壓力和速度。當試驗裝置放置在一個水平面上時，由伯努利方程可以得到：

(2)

(3)

式中：hn為流體從高壓管線進入噴嘴的水頭損失，m；hb為流體從噴嘴進入高壓釜的水頭損失，m。

此外，由連續性方程可以得到：

(4)

式中：din為入口高壓管線的直徑，m；dn為噴嘴的直徑，m；db為高壓釜的直徑，m；dout為出口閥的當量直徑，m。

通常情況下，各處直徑比例如下：

din∶dn∶db=10∶1∶100

(5)

將式(5)代入式(4)可得：

vin∶vn∶vb=1∶100∶0.01

(6)

根據式(2)與式(6)，當高壓流體進入噴嘴時，流動速度增大上百倍，流體壓能轉化為流體動能。因此，噴嘴內的靜壓力可以忽略，式(3)可以簡化為：

(7)

由噴嘴壓降公式(1)可得：

(8)

將式(8)代入式(7)得：

(9)

由式(9)可得，流入高壓釜中流體獲得的總能量僅為噴嘴壓降的一部分，且主要表現為流體動能。當高速流體沖擊巖石時，全部能量用于破碎巖石，在沒有巖石時將以熱量的形式耗散掉。當減小出口閥開度時，由連續性方程可知，出口流速增大，此時需要在高壓釜內形成高壓環境，即形成圍壓環境。此時，有較大部分的能量形成模擬圍壓環境，而不是破碎巖石。因此，在地面模擬圍壓條件下，高壓水射流破巖效果較差。在圍壓條件下研究高壓水射流衰減規律時，同樣發現總壓力不會隨著圍壓的增加而變化，僅當模擬圍壓超過一個臨界值后才會隨著圍壓的增加而呈線性增大，特別需要注意的是，此時排量不變，僅是總壓隨模擬圍壓呈線性增加[24-25]，這與本文的研究結果一致。其原因在于：只有當高壓釜內流體的能量不足以提供流體通過出口閥所需壓力時，總壓力才會增加以提供額外的能量。在本文中，模擬圍壓并未超過閾值，因此總壓力并未發生改變。而對于增加排量以保證壓差的情況，仍然只有C2Δp能量轉移到高壓釜中，且部分能量用于形成模擬圍壓，所以破巖效果較差。

王甲昌等[31]在新疆塔河油田5 000 m深的砂巖、砂泥巖互層地層進行了35 MPa的高壓射流鉆井試驗。試驗中共測試5口井，平均機械鉆速提高78%～262%，這從一定程度證明了本文研究的正確性。

綜上所述，地面圍壓模擬方法不適于研究井下高壓射流性能，井底圍壓對高壓水射流沒有影響?；谄茙r試驗結果，無圍壓淹沒環境破巖效果與井下破巖效果相似，因此，無圍壓淹沒條件可以滿足高壓水射流研究要求。

4 結 論

隨著油氣資源開發不斷向深部地層發展，井底圍壓對高壓水射流的影響問題越來越突出。在大多數研究中，通過在噴嘴和出口閥之間設定流動截面直徑比例來產生與控制地面模擬圍壓，但有研究發現該方法不能模擬真實井下射流情況。本文通過試驗研究了高壓水射流在4種圍壓條件下的破巖能力，其中包括1種井下真實圍壓條件與3種地面模擬條件，研究了錐形噴嘴、直旋混合噴嘴和空化射流噴嘴的破巖效率，得出以下主要結論：

(1)高壓水射流在井下圍壓條件下仍可高效破碎巖石，本文研究中井底圍壓約6.45 MPa，噴嘴壓降約為17.08 MPa。

(2)無圍壓淹沒條件下，高壓水射流破巖深度和破巖體積比井底圍壓條件下的大，但破巖直徑略小；在定壓降圍壓條件下，只有破巖直徑與井底圍壓條件下相似，破巖深度和破巖體積要小得多；在定排量圍壓條件下，高壓水射流幾乎不能破碎巖石。

(3)目前廣泛用于產生與控制模擬圍壓的方法并不適用于研究井下高壓水射流的性能，井底圍壓對高壓水射流基本沒有影響，無圍壓淹沒條件即可滿足高壓水射流研究需求。

(4)在連續鉆進過程中，應優先考慮破巖直徑與破巖體積，因此，推薦使用空化射流噴嘴。