水力喷砂射孔理论与实验研究

论文摘要

在石油钻完井工程中,最常用的是射孔完井法。射孔完井通常采用射孔弹等以聚能爆破的方式射穿套管和水泥环,并射入地层一定深度,从而沟通油气藏和井眼,形成油气流到地面的通道。常规射孔完井方式产生的孔眼深度较浅,仅为300～400mm,而且会在孔眼周围形成深度为600～1200mm的压实污染带,此压实带渗透率降低可达80%～90%,严重阻碍了原油向井内的流动。水力喷砂射孔技术不仅产生的孔眼深度大而且没有压实带,这对提高采收率有非常积极的作用,因此对水力喷砂射孔技术进行深入研究具有重要的现实意义。本文在对传统射孔完井技术调研的基础上,分析了水力喷砂射孔的优势,对水力喷砂射孔对延性材料(套管)和脆性材料(水泥环和岩石)的破坏机理进行了分析。用数值模拟的方法对不同长径比和不同收缩角的锥直型喷嘴外流场的速度分布进行了分析研究,通过对不同喷嘴产生的射流等速核、扩散角等指标的综合对比,优选出了适合水力喷砂射孔的喷嘴流道形状,后经实验验证了模拟分析的正确性。测试了三种不同材料喷嘴的耐磨性,分析了他们不同的适用环境。对前人室内实验中与实际不相符的方面进行了改进,实验研究了射流水力参数、磨料参数以及岩石性质对喷砂射孔效果的影响规律:对喷射时间、喷射压力、喷射排量对射孔深度的影响规律进行了研究,建立了水力喷砂射孔的三因素影响模型;对磨料粒径、磨料浓度、磨料种类对射孔深度的影响规律进行了实验研究,获得了适合水力喷砂射孔技术的磨料参数;对岩石性质对射孔深度的影响进行了实验研究。对试件有套管和无套管两种情况进行了实验分析,结果表明套管的存在直接影响着水力喷砂射孔的效率和所形成孔眼的形状。最后对射孔后的试件进行了切片,证明了水力喷砂射孔可以在岩石上产生裂纹,并获得了不同岩性、不同射孔压力在试件上产生裂纹的规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 研究意义
• 1.3 常规射孔技术的发展现状
• 1.3.1 射孔器的发展
• 1.3.2 射孔工艺的发展
• 1.3.3 常规射孔技术存在的问题
• 1.4 水力喷砂射孔技术的发展
• 1.4.1 磨料射流技术发展现状
• 1.4.2 水力喷砂射孔技术研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 水力喷砂射孔理论分析
• 2.1 冲蚀磨损理论
• 2.1.1 影响冲蚀磨损的因素
• 2.1.2 冲蚀磨损的力学模型
• 2.2 射流冲蚀切割机理研究
• 2.2.1 对套管的冲蚀机理
• 2.2.2 对水泥环和岩石的冲蚀机理
• 第三章 射流喷嘴流道形状设计
• 3.1 喷嘴流道分析与设计原则
• 3.1.1 射流喷嘴流道几何参数影响分析
• 3.1.2 射流喷嘴流道形状设计原则
• 3.2 喷嘴外流场的模拟分析
• 3.2.1 模拟软件简介
• 3.2.2 喷嘴结构设计
• 3.2.3 数学模型的建立
• 3.2.4 物理模型与网格划分
• 3.2.5 收缩角优选分析
• 3.2.6 长径比优选分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 实验设备与方法
• 4.1 实验设备
• 4.1.1 高压供水系统
• 4.1.2 磨料筛灌装置
• 4.1.3 磨料射流发生装置
• 4.1.4 淹没射孔箱
• 4.2 实验材料
• 4.2.1 试件
• 4.2.2 磨料种类与规格
• 4.2.3 射流喷嘴
• 4.3 实验方法
• 第五章 实验结果与分析
• 5.1 喷嘴流道形状及磨损规律的实验研究
• 5.1.1 喷嘴流道形状实验优选
• 5.1.2 喷射速度对喷嘴磨损的影响规律
• 5.2 射流水力参数对喷砂射孔的影响规律研究
• 5.2.1 喷射压力对喷砂射孔的影响
• 5.2.2 泵排量对喷砂射孔的影响
• 5.2.3 喷射时间对喷砂射孔的影响
• 5.3 磨料参数对喷砂射孔的影响规律研究
• 5.3.1 磨料粒径对喷砂射孔的影响
• 5.3.2 磨料浓度对喷砂射孔的影响
• 5.3.3 磨料种类对喷砂射孔的影响
• 5.4 试件性质对喷砂射孔影响规律研究
• 5.5 套管存在对喷砂射孔的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 水力喷砂射孔在水泥石及岩石中产生裂纹的规律研究
• 6.1 喷砂射孔在孔眼周围岩石上产生裂缝的机理分析
• 6.1.1 裂缝的分类
• 6.1.2 孔眼周围岩石产生微裂纹的机理
• 6.2 微裂纹产生的影响因素分析
• 6.3 微裂纹的显微观察
• 6.3.1 不同岩性条件下的裂纹扩展情况
• 6.3.2 喷射压力对岩样裂纹的影响
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢