儲氣庫救援井磨料水射流管外開窗試驗研究

基金項目：國家自然科學基金項目“高溫高壓多級壓裂管柱振動誘發(fā)封隔器蠕動失封機理研究”（52374034）；黑龍江省自然科學基金項目“儲氣庫注采管柱流致振動與屈曲機理及其調控研究”（LH2020A001）；中國石油天然氣股份有限公司課題“低成本高效智能工程技術研究”（2023ZZ22-5）。

任憲可，郭爽，趙昌明，等.儲氣庫救援井磨料水射流管外開窗試驗研究25-31

Ren Xianke，Guo Shuang，Zhao Changming，et al.Experimental study on external drill pipe window by abrasive water jet in relief well25-31

針對井筒不完整和存在落魚的廢棄事故老井出現(xiàn)井下封堵困難和氣竄問題，如何實現(xiàn)有效封堵已成為老井改造儲氣庫的關鍵。為此開展了儲氣庫救援井磨料水射流鉆桿成孔試驗。試驗結果表明：隨著噴射距離的增大，單位時間內鉆桿成孔深度顯著減小；隨著噴射壓力的增大，鉆桿成孔所需的時間縮短；鉆桿成孔所需的最佳磨料質量分數(shù)為6%～ 8%，磨料粒徑分布在40～60目范圍內，可實現(xiàn)較好的破壞效果。通過正交試驗分析認為，鉆桿成孔的極限噴距隨著噴射壓力的增大而增大，隨著噴射距離增大而減小；為縮短作業(yè)時間，應調整參數(shù)為高噴射壓力（＞25 MPa）和短噴射距離（＜20 cm）。所得結論可為現(xiàn)場作業(yè)提供技術借鑒。

儲氣庫；救援井；落魚封堵；磨料水射流；噴砂射孔；參數(shù)優(yōu)化

TE256

A

004

Experimental Study on External Drill Pipe Window

by Abrasive Water Jet in Relief Well

Ren Xianke1" Guo Shuang2" Zhao Changming3" "Zhang Qiang2" Wang Guoqiang3" Che Yang1" Li Jingbin4

（1.CNPC Engineering Technology Ramp;D Company Limited;2.School of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University;3.CNPC Daqing Oilfield Production Technology Institute;4.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting，China University of Petroleum （Beijing））

For abandoned/old wells with imperfect borehole or fishes，downhole plugging is challenging and gas channeling often occurs.Effective plugging is crucial for these wells to be reconstructed into underground gas storages （UGSs）.In this paper，an experiment was conducted on drill pipe window by abrasive water jet in a relief well for UGS.The results show that the perforation depth per unit time decreases remarkably with the increase in jet distance，and the perforation time reduces with the increase in jet pressure.The optimum mass fraction of abrasive material for drill pipe window is 6% to 8%，and the abrasive grains of 40～60 meshes can realize good blasting effects.The orthogonal tests indicate that the maximum jet distance increases as the jet pressure rises.To shorten the perforation time，high jet pressure （＞25 MPa） and small jet distance （＜20 cm） should be adopted.These research findings are referential for field operations.

underground gas storage;relief well;fish plugging;abrasive water jet; jet perforation;parameter optimization

0" 引" 言

儲氣庫技術是將天然氣經(jīng)過壓縮機壓縮以后，注入到枯竭的氣（油）藏、地下鹽穴溶腔或其他地質構造中的一種儲氣措施［1］。我國目前主要采用枯竭油氣藏型儲氣庫，其具有封閉性好、安全可靠、注入氣利用率高和建庫周期短等優(yōu)點［2］。然而，枯竭油氣藏型儲氣庫建庫仍面臨密封性不高的問題，特別是對于廢棄事故老井，因井筒不完整可能導致氣體泄漏，產(chǎn)生安全事故，因此安全有效封堵是老井改造建庫的重要環(huán)節(jié)。

目前，國內儲氣庫老井封堵遵循“由地面到地下，由井口至井筒，先測試后封堵”的處理原則［3-5］。主要的封堵技術與工藝有丟手報廢封隔器擠注封堵技術、套管段銑技術、老井產(chǎn)層和井筒注水泥漿封堵技術及“多級封堵、逐級試壓、帶壓候凝”工藝等［6-9］。其中，丟手報廢封隔器擠注封堵技術主要通過在射孔層段應用封隔器對氣層進行分隔，實現(xiàn)對氣層分層、帶壓候凝；套管段銑技術通過專用鍛銑、擴徑工具對固井質量不合格井段套管和水泥環(huán)鍛銑、擴徑，重塑蓋層；老井產(chǎn)層和井筒注水泥漿封堵技術主要應用于低孔低滲儲層，一般采用超細水泥漿體對儲層實現(xiàn)有效封堵。上述技術與工藝應用于存在落魚的井筒，一般需對井底落魚進行打撈，暴露待封堵層。

雖然上述技術與工藝已經(jīng)成熟，但其封堵均建立在老井井筒完整的基礎上，對于井筒不完整和存在落魚的廢棄事故老井不適用。因此，對落魚孔眼的有效封堵成為廢棄事故老井改造儲氣庫的關鍵問題。針對以上難題與挑戰(zhàn)，研發(fā)了針對井下落魚孔眼封堵的救援井磨料水射流管外開窗技術。該技術是一種集救援井鉆井、磨料水射流開窗成孔和注水泥為一體的井下落魚孔眼封堵技術，通過遠距離定向射孔，一次性射開多層、多孔，形成規(guī)則良好的流體通道，對儲氣庫井下落魚孔眼封堵具有良好的適用性。其中，磨料水射流是實現(xiàn)該技術的核心工序之一，直接決定了作業(yè)的成敗。

為此，筆者以救援井井下落魚靶件-鉆桿為研究對象，開展儲氣庫救援井磨料水射流管外開窗試驗研究，進行噴射距離、噴射壓力、噴射角度、磨料類型、磨料質量分數(shù)及磨料粒徑等工藝參數(shù)對磨料水射流鉆桿開窗成孔的影響分析，進一步開展不同噴射壓力和噴射距離下的交叉試驗研究，實現(xiàn)工藝參數(shù)組合的優(yōu)化。

任憲可，等：儲氣庫救援井磨料水射流管外開窗試驗研究

1" 磨料水射流管外開窗試驗

1.1" 試驗原理

由水力學的動量-沖量定律可知，當高壓泵將攜帶磨料（通常是石英砂）的液體從特制的噴嘴噴出時，液體的壓力勢能轉換為動能，表現(xiàn)為液體速度的升高，當該含砂流體與鉆桿接觸時，其速度在很短時間內變?yōu)?，此時含砂射流以沖量做功，由此產(chǎn)生了磨料水射流技術［10］。圖1為磨料射流沖蝕靶件節(jié)割穿透示意圖。

實際應用中，將磨料水射流定向開窗工具下入預定層位，在高壓高速攜砂液注入條件下，借助該工具將壓力能轉化為動能，利用高速流體沖擊鉆桿，實現(xiàn)對鉆桿的定向開窗成孔［11］。

1.2" 試驗裝置與材料

試驗裝置采用自主研發(fā)的高壓磨料射流綜合試驗系統(tǒng)，如圖2所示。

該試驗系統(tǒng)主要由混砂單元、動力單元、作業(yè)池單元、巖樣夾持單元、數(shù)據(jù)采集與控制單元、液體循環(huán)單元等6部分組成，可以完成清水、磨料漿體等不同射流介質下的射流試驗，具備完善的液體循環(huán)系統(tǒng)，且作業(yè)池單元具有沉淀分離功能，可實現(xiàn)清水和磨料循環(huán)使用。該試驗系統(tǒng)最大射流壓力70 MPa，排量350 L/min，噴射距離1 000 mm，淹沒度500 mm，磨料質量分數(shù)30%，磨料目數(shù)24目。

1.3" 試驗方案

試驗采用控制變量試驗方法。磨料水射流射孔的影響因素較多，經(jīng)過分析比較，選取了6個主要參數(shù)研究其對射孔效果的影響規(guī)律，具體包括：噴射壓力、磨料種類、磨料粒徑、磨料質量分數(shù)、噴射角度、噴射距離。如表1（序號1～序號6）所示。在其他條件不變的情況下，分別改變其中某一個參數(shù)的取值，測試其射孔效果。最后，通過正交試驗（表1序號7）所示參數(shù)，分析在噴射時間（1～2 min）內，噴射壓力和噴距同時變化下鉆桿沖蝕成孔深度的變化規(guī)律。

2" 試驗結果分析與討論

2.1" 噴射距離

在井下作業(yè)過程中，噴嘴到鉆桿凸面間的噴射距離將會直接影響鉆桿開窗成孔的效果［12］。試驗過程將鉆桿按照0°位置擺放，選用60目金剛砂磨料，磨料質量分數(shù)保持在10%，射流噴射壓力為20 MPa。通過持續(xù)噴射試驗，得到不同噴射距離下鉆桿成孔深度隨噴射時間的變化曲線，結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著噴射距離的增大，單位時間內鉆桿成孔深度顯著減小，較短的噴射距離可以獲得極佳的沖蝕成孔效果。當噴距為15 cm時，噴射時間2 min鉆桿成孔深度即可達到鉆桿壁厚，即將7.85 mm鉆桿穿透；而當噴距為35 cm時，在20 min的長時間噴射過程中，最終鉆桿成孔深度僅為3.22 mm，不足鉆桿壁厚的1/2。通過對試驗采集點進行線性擬合，預測35 cm噴距下穿透鉆桿所用時間為48.2 min。而在實際應用時，射流射孔時間一般控制在15～30 min為宜。故認為射流噴射鉆桿成孔的極限噴距應在30～35 cm間。為了直觀地認識這一規(guī)律，圖4給出了成孔深度隨噴射時間變化的宏觀形態(tài)。

圖5定量表征了鉆桿成孔時間與射流噴射距離的數(shù)學關系。通過對不同噴射距離下的成孔最大時間進行統(tǒng)計和回歸擬合處理，認為鉆桿的成孔時間與射流噴射距離間服從冪指函數(shù)關系，即有：

T=9.736 65×10-5·H3.483 18（1）

式中：T表示鉆桿成孔最長時間，min；H表示射流噴射距離，mm。

2.2" 噴射壓力

射流噴射壓力是磨料水射流管外開窗技術中重要的工藝參數(shù)之一，壓力的改變會影響到其他工藝參數(shù)的變化［13］。依據(jù)伯努利方程原理，噴射壓力的增大將會直接導致射流流速的提升，進而加速射流中的磨料粒子沖蝕靶件，形成更為顯著的宏觀破壞。為了探究射流噴射壓力對鉆桿開窗成孔效果的影響，在保持噴射距離為20 cm和其他參數(shù)不變的條件下，改變射流噴射壓力為10、15、20、25和30 MPa，得到圖6所示的鉆桿成孔深度隨噴射時間的變化曲線。

由圖6可知，鉆桿成孔深度隨著噴射時間的延長而增大，射流噴射壓力越高，鉆桿被磨料射流開窗成孔的速度也會越高，即單位射流噴射時間內的成孔深度越大［14］。同時，還能觀察到隨著噴射壓力的逐步提高，鉆桿開窗成孔的深度變化趨于緩慢，相較于由10 MPa增長至15 MPa，25 MPa與30 MPa下的成孔深度規(guī)律相似。這是高壓磨料射流在鉆桿孔眼內部存在劇烈擾動所導致的［15］。

2.3" 噴射角度

鉆桿落魚與射流噴嘴間的幾何位置具有一定的隨機性［16］。為此，有必要探究不同噴射角度下的鉆桿開窗成孔特性。在前期試驗的基礎上，選擇射流壓力20 MPa、噴距20 cm的初始條件開展試驗，磨料參數(shù)與前期研究保持一致，探究鉆桿成孔深度隨噴射角度變化的試驗規(guī)律，結果如圖7所示。

由圖7可知，不同噴射角度下的鉆桿成孔深度隨時間的曲線變化趨勢呈現(xiàn)顯著的相似性。這是試驗中射流噴距、壓力和磨料參數(shù)保持相同所導致的，即動力源和能量相似。不同的是，隨著噴射角度的增大，單位時間內的鉆桿成孔深度逐漸降低，且穿透鉆桿所需的時間逐步延長。這是因為在大的噴射角度下，鉆桿傾斜程度提高，射流在管體中的路徑不再垂直于鉆桿凸面，故噴射路徑也在增大，且由于鉆桿材料的非均質性，射流在狹長的路徑中所遇阻力提高，延長了沖蝕成孔的時間。

圖8是對不同射流噴射角度下的成孔時間進行了回歸擬合。成孔時間與噴射角度間滿足一種正相關的線性變化關系，這種線性變化由射流的運動軌跡直接導致。

2.4" 磨料類型

試驗過程中保持射流參數(shù)不變，對比探究了石英砂、陶粒支撐劑和金剛砂3種不同磨料種類下鉆桿成孔深度的變化規(guī)律，結果如圖9所示。

由圖9可知，金剛砂磨料的鉆桿成孔效果要顯著優(yōu)于陶粒支撐劑和石英砂。這是由于金剛砂相較于其他磨料具有鋒利的棱角，且硬度較大，不易破碎；其與鉆桿凸面接觸過程中接觸面積小，壓力大，更具破壞能力。另一方面，金剛砂的密度要高于陶粒支撐劑和石英砂，因此射流加速后具有更大的動能。

2.5" 磨料質量分數(shù)

圖10是金剛砂磨料質量分數(shù)為3%、4%、6%、8%、9%和10%時，鉆桿成孔深度在不同噴射時間內的變化規(guī)律。

由圖10可知，在噴射時間4 min內，當磨料質量分數(shù)在6%～8%時，鉆桿成孔深度要顯著大于其他質量分數(shù)下的結果，磨料質量分數(shù)越低，鉆桿成孔所需的時間越長。通過本試驗，可以確定6%～8%為沖蝕鉆桿成孔所需的最佳磨料質量分數(shù)。

2.6" 磨料粒徑

在現(xiàn)場作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，磨料顆粒直徑越小，其質量和在液相中的受力面積越小，因而磨料顆粒獲得的動能越少，對靶件的沖擊破壞效果也會降低。為此，選擇40、60、80和100目4種不同目數(shù)的金剛砂磨料，并配置了質量分數(shù)6%的高壓磨料射流開展鉆桿開窗成孔試驗，射流的噴射壓力保持在20 MPa，噴距為20 cm。圖11為不同金剛砂目數(shù)下的鉆桿成孔深度隨噴射時間的變化曲線。

由圖11可知：40目的金剛砂磨料可在最短的時間內完成對鉆桿的開窗成孔；隨著磨料目數(shù)的增大（粒徑減小），鉆桿開窗成孔的速率在逐漸減小。這是因為當保持磨料質量分數(shù)一定時，磨料粒徑越小，單位時間內質量較輕的磨料顆粒數(shù)量越多，而磨料顆粒的動能和磨料質量正相關，故小粒徑的磨料顆粒獲得的動能越少。

3" 參數(shù)優(yōu)化

在單變量影響因素試驗研究的基礎上，進一步開展了不同噴射壓力和噴射距離下的交叉試驗，試驗組數(shù)為5×5=25組，噴射距離為15 、20 、25 、30 和35 cm，噴射壓力為10 、15 、20 、25 和30 MPa，保持其他射流和磨料參數(shù)不變［17］。分析在噴射時間（1～2 min）內，噴射距離和噴射壓力同時變化下的鉆桿成孔深度的變化規(guī)律，結果如圖12所示。

由圖12可知：在噴射時間1～2 min的變化過程中，高噴射壓力（＞17.5 MPa）和短噴射距離（＜25 cm）條件下，鉆桿在不到1 min內其成孔深度可以達到壁厚值，實現(xiàn)鉆桿的穿透（見圖12a和圖12c）；在高噴射壓力（＞17.5 MPa）和長噴射距離（＞25 cm）條件下，預計在2～3 min內可以實現(xiàn)鉆桿的穿透（見圖12b和圖12d）。由單變量試驗結論可知，鉆桿成孔深度隨著噴射壓力增大而增大，隨著噴射距離增大而減小，故這種試驗條件下成孔難度進一步增大，預計噴射成孔時間也會更長。因此，從單位時間內的成孔深度變化規(guī)律來看，建議工程中應用高噴射壓力進行磨料水射流鉆桿開窗成孔作業(yè)。

4" 結論及建議

（1）隨著噴射距離的增大，單位時間內鉆桿成孔深度顯著減小，較短的射流噴射距離可以獲得極佳的開窗成孔效果；射流噴射壓力越高，單位射流噴射時間內的成孔深度越大；隨著噴射角度的增大，單位時間內的鉆桿成孔深度逐漸降低，且穿透鉆桿所需的時間逐步延長。

（2）磨料的破壞能力隨其密度和硬度的增大而增大；增加磨料質量分數(shù)可以提高單位時間內磨料沖擊靶件的次數(shù)，但超過一定數(shù)值時，反而會影響沖蝕鉆桿成孔的效果；磨料粒徑過大和過小都不利于鉆桿開窗成孔。

（3）開展了不同噴射壓力和噴射距離交叉影響下的磨料水射流鉆桿開窗成孔試驗，建議工程中應用高噴射壓力進行磨料水射流鉆桿開窗成孔作業(yè)。

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第一任憲可，高級工程師，生于1983年，2003年畢業(yè)于東北石油大學工程力學專業(yè)，現(xiàn)從事磁尋向鉆井、鉆井提速工具及老井處置等方面的研究工作。地址：（102206）北京市昌平區(qū)。email：renxianke@cnpc.com.cn。

2023-12-22

王剛慶