磨料射流近井地層處理技術(shù)的理論及參數(shù)的研究.pdf

1、磨粒射流處理近井地層技術(shù)是近年來發(fā)展起來的修復(fù)和改善近井地層滲透性能、增產(chǎn)增注和提高原油采收率的一項(xiàng)高新技術(shù)。我校已經(jīng)先后在大慶、勝利、遼河、河南等油田的200多口井進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，取得了良好效果，對磨料射流近井地層處理技術(shù)中的幾個主要科學(xué)問題進(jìn)行的理論研究。 首先，對由于鉆井、完井、井下作業(yè)和長期采油和注水過程中流體污染，固體顆粒、碎屑沉淀的堵塞，引起井周地層應(yīng)力重新分布，使得井周地層應(yīng)力升高、孔隙度減小，造成了近井地層

2、的損傷。將應(yīng)力重新分布、孔隙度減小的問題分別視為可動邊界和可壓縮骨架的滲流問題進(jìn)行了分析，得到了近井地層滲透率的變化規(guī)律以及影響的范圍。為制定磨料射流處理近井地層改善其滲透性能的施工工藝提供理論依據(jù)。 磨粒射流系固--液兩相流射流。在磨料射流處理近井地層技術(shù)采用的磨料射流中，砂質(zhì)量比一般為5％，容積比約為3％，同體積內(nèi)顆粒的質(zhì)量和容積遠(yuǎn)小于水的質(zhì)量和容積，因而可以忽略顆粒對流體的作用以及顆粒與顆粒之間的作用力，而將砂、水固液兩相

3、流簡化為等效的單相流體按普通單相流體力學(xué)方法進(jìn)行求解。由于忽略了顆粒與顆粒之間的相互作用力，所以將固體顆粒偽流體視為理想流體，水視為牛頓粘性流體，考慮到射流速度高(一般為紊流流動)，采用渦粘性模型，忽略重力，將流體流動視為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動，得到了在所述假設(shè)條件下的穩(wěn)態(tài)等效紊流微分方程，并按照普遍流體力學(xué)原理，采用奇異攝動法，得到了等效流體即兩相流體圓孔自由紊流的射流邊界層微分方程即圓孔自由紊流磨料射流的微分方程。 分別采用相似

4、性解法和動量積分法對上述磨料射流微分方程進(jìn)行求解，得到了該射流斷面上軸向流速沿軸線的變化規(guī)律和射流半徑沿軸線的變化規(guī)律，為分析磨料射流對材料表面上的沖擊作用提供了基礎(chǔ)。 研究表明，套管在磨料射流作用下的破壞主要是磨料射流對材料斷續(xù)的高速沖擊施加的脈沖載荷，而水流的連續(xù)沖擊只在材料繼續(xù)破壞過程中發(fā)揮作用。因而得以大幅度降低射流工作壓力進(jìn)行切割。材料表面受到顆粒沖擊產(chǎn)生的接觸壓力形成接觸剪應(yīng)力，以及在接觸邊界上產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力。巖層在

5、射流作用下的破壞是射流向巖層接觸受阻突然截止，產(chǎn)生水擊壓力，以波的形式向巖層傳播，成為加載波。當(dāng)水擊壓力瞬間消失時，又產(chǎn)生卸載波，巖層在應(yīng)力卸載波作用下產(chǎn)生拉應(yīng)力而破壞。 作用于金屬套管內(nèi)表面上的射流可以視為自由淹沒射流。磨料顆粒以等效流體射流相同的速度沖擊金屬套管。金屬材料一般抗拉、抗壓強(qiáng)度相等，遠(yuǎn)高于抗剪強(qiáng)度。因而磨料顆粒撞擊金屬套管時，與套管表面接觸形成的接觸剪應(yīng)力超過接觸剪切強(qiáng)度而產(chǎn)生破壞，按照彈性力學(xué)接觸問題的理論，建

6、立含有水力參數(shù)、磨料參數(shù)、切割參數(shù)及套管材料參數(shù)在內(nèi)的金屬套管磨料射流切割方程式，可用以研究各參數(shù)變化對磨料射流切割金屬套管的影響，確定磨料射流處理近井巖層損傷的切割工藝參數(shù)。對于其它金屬材料，磨料射流切割也有一定的參考意義。 在井下，對巖石切割是磨料射流在金屬套管切割形成的縫中以及在已切割形成的巖層縫中繼續(xù)對巖石進(jìn)行沖擊。射流流動不僅要受金屬套管切口的影響，而且射流在底部和兩側(cè)又受到巖層固壁的影響，因而不能視為自由射流。在此條

7、件下建立了磨料射流流體流動的微分方程，采用量綱分析方法進(jìn)行求解，得到了射流最大軸向流速沿射流方向的變化規(guī)律及射流半寬沿射流方向的分布規(guī)律。由巖石力學(xué)可知巖石的抗拉能力遠(yuǎn)小于抗壓、抗剪能力，同時根據(jù)彈塑性動力學(xué)中應(yīng)力波理論求得了卸載波產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力。當(dāng)卸載波產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度而發(fā)生破壞，同時建立了水力參數(shù)、磨料參數(shù)、切割參數(shù)和巖石物理性質(zhì)在內(nèi)的磨料射流切割巖石的方程式，可用以研究各參數(shù)對磨料射流對巖石進(jìn)行切割的影響。為處