馬國(guó)銳，李敬彬，李 歡，張 杰，常文天

（1.中國(guó)石化西北油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，烏魯木齊 830011；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 石油工程學(xué)院，北京 102249；3.延長(zhǎng)油田股份有限公司 七里村采油廠，陜西延安 717199）

0 引言

西部奧陶系縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層，埋藏深（5 500～7 000 m），溫度高（130 ℃）。在地質(zhì)作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下，形成了復(fù)雜多樣的巖溶縫-洞體系，且縱橫向非均質(zhì)性強(qiáng)[1-2]。70%以上地質(zhì)儲(chǔ)量分布在溶洞型縫洞體內(nèi)[3]，采收率偏低[4]，目前進(jìn)入以剩余油挖潛為主的開(kāi)發(fā)調(diào)整和提高采收率階段。為高效開(kāi)發(fā)縫洞型油藏，胡文革等[5]提出“空間結(jié)構(gòu)井網(wǎng)”“一井多靶”“全方位高效酸壓儲(chǔ)改”等技術(shù)，取得了較好的應(yīng)用效果。然而上述方法成本高、周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜，限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用；另一方面，為高效動(dòng)用井周剩余儲(chǔ)集體，通常采用側(cè)鉆工藝，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明鉆機(jī)側(cè)鉆曲率半徑大、費(fèi)用高，且改造方向單一[6-8]。為全方位溝通儲(chǔ)集體，高效經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)縫洞型碳酸鹽巖油藏，提高油田采收率，達(dá)到油田增儲(chǔ)上產(chǎn)目的，迫切需要經(jīng)濟(jì)高效的鉆完井與開(kāi)采技術(shù)。

水力噴射徑向水平井（簡(jiǎn)稱(chēng)徑向井）技術(shù)是指在垂直井眼內(nèi)沿徑向鉆出呈輻射狀分布的一口或多口水平井眼[9-10]，孔眼方位不受地應(yīng)力影響，可增大與儲(chǔ)集層接觸面積，建立高導(dǎo)流通道，高效開(kāi)采復(fù)雜油氣藏，在國(guó)內(nèi)外取得了較好的應(yīng)用效果[11-17]。常規(guī)徑向井技術(shù)使用高壓軟管作為作業(yè)管線，依靠高壓射流破巖成孔[10]。連續(xù)多次作業(yè)可形成“一井多層、同層多支”的立體井網(wǎng)結(jié)構(gòu)，與水力壓裂等儲(chǔ)層改造技術(shù)相結(jié)合，可達(dá)到立體三維高效溝通儲(chǔ)集體，可提高儲(chǔ)集體鉆遇率、實(shí)現(xiàn)提高采收率的目標(biāo)[18-19]。但是常規(guī)徑向井技術(shù)采用純水力破巖，無(wú)法有效破碎西部深層硬質(zhì)巖石（碳酸鹽巖等），限制了該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

磨料直射流破巖效率高、成孔規(guī)則，但其擴(kuò)散能力弱，成孔直徑?。恍D(zhuǎn)水射流擴(kuò)散能力強(qiáng)，可形成大直徑孔眼，但其破巖能力有限。結(jié)合磨料直射流和旋轉(zhuǎn)水射流各自特點(diǎn)，楊永印等[20]提出旋轉(zhuǎn)磨料射流技術(shù)，可望實(shí)現(xiàn)高效破巖形成規(guī)則大直徑徑向孔眼。但截至目前，旋轉(zhuǎn)磨料射流研究尚不充分，流場(chǎng)及破巖特性不明確。故本文在流場(chǎng)研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加工旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磨料射流破碎碳酸鹽巖試驗(yàn)研究，探索其破巖成孔特性，以期為徑向井技術(shù)經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)西部縫洞型碳酸鹽巖油藏提供理論支持。

1 旋轉(zhuǎn)磨料射流流場(chǎng)特性研究

1.1 旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴工作原理

旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴主要包括葉輪導(dǎo)流段、錐形收縮段、直柱出口段和擴(kuò)散段4部分，如圖1所示。進(jìn)液管內(nèi)磨料漿體的運(yùn)動(dòng)形式是典型的液固兩相流在有壓管道內(nèi)的流動(dòng)；擴(kuò)散段用于保持一定噴距；葉輪加旋段內(nèi)磨料漿體在葉輪的作用下產(chǎn)生圓柱螺旋流動(dòng)；之后通過(guò)錐形收縮段，強(qiáng)制流動(dòng)介質(zhì)產(chǎn)生收縮錐形螺旋流動(dòng)。加旋后的磨料漿體同時(shí)具有軸向速度、徑向速度和切向速度。在切向速度的作用下噴嘴內(nèi)的漿體形成強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)，此時(shí)噴出射流的每一質(zhì)點(diǎn)都具有三維速度；整個(gè)射流在旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的過(guò)程中向外擴(kuò)散，形成旋轉(zhuǎn)磨料射流。

圖1 旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of swirling abrasive jet nozzle

旋轉(zhuǎn)磨料射流具有與眾不同的破巖方式，可形成具有三維速度的磨料漿體，它不單純以與巖石垂直的正面沖擊壓力而產(chǎn)生的拉伸、水楔作用破巖，同時(shí)還施以平行于被沖擊巖石表面的平行載荷，使其產(chǎn)生剪切破壞，并伴有沖蝕破碎、拉伸破碎、旋流磨削等多種形式破壞作用。由于巖石抗剪、抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度，巖石在剪應(yīng)力和拉應(yīng)力作用下很容易破碎，故射流旋轉(zhuǎn)分量在巖石表面產(chǎn)生的剪切作用十分有利于巖石的破碎。

1.2 噴嘴流場(chǎng)可視化研究

為研究旋轉(zhuǎn)射流流場(chǎng)特征，開(kāi)展了噴嘴流場(chǎng)可視化試驗(yàn)?；趹?yīng)用情景的要求，設(shè)計(jì)噴嘴外徑32 mm；基于水力參數(shù)設(shè)計(jì)要求，噴嘴當(dāng)量直徑設(shè)計(jì)為5 mm?？梢暬鲌?chǎng)結(jié)果如圖2所示，射流分布較為均勻，整體呈現(xiàn)扇形；與常規(guī)錐形噴嘴相比，其擴(kuò)散性較好，存在第一擴(kuò)散角與第二擴(kuò)散角，其中第一擴(kuò)散角比第二擴(kuò)散角略大，可能是由于射流邊界與外界空氣相互作用所導(dǎo)致；試驗(yàn)中采用的噴嘴外徑為32 mm，在噴距50 mm時(shí)，其擴(kuò)散直徑已達(dá)到35 mm，當(dāng)噴距達(dá)到100 mm時(shí)，其擴(kuò)散直徑達(dá)到58 mm，大于噴嘴及后續(xù)管線直徑（32 mm），已能夠滿足徑向井噴射破巖成孔的要求。

圖2 噴嘴流場(chǎng)可視化結(jié)果Fig.2 Visualization results of nozzle flow field

1.3 噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在流場(chǎng)可視化研究基礎(chǔ)上，以最大沖擊面積為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于加旋葉輪加工較為復(fù)雜，且對(duì)材質(zhì)要求較高，為降低成本、縮短研發(fā)周期，單純考慮流場(chǎng)擴(kuò)散特性優(yōu)化噴嘴時(shí)，采用金屬3D打印方式加工葉輪，其精度與車(chē)床加工葉輪誤差不超過(guò)±0.3 mm。設(shè)計(jì)加工3種加旋角度葉輪（如圖3所示），葉輪長(zhǎng)度、直徑固定，改變?nèi)~輪單個(gè)葉片扭轉(zhuǎn)角度，分別180°，270°，360°，開(kāi)展室內(nèi)流場(chǎng)可視化評(píng)價(jià)測(cè)試試驗(yàn)，進(jìn)而優(yōu)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以達(dá)到大直徑鉆孔的目的。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，當(dāng)葉輪長(zhǎng)度一定時(shí)，扭轉(zhuǎn)角度越大，流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度越大，從圖中可知，旋轉(zhuǎn)射流的擴(kuò)散性隨扭轉(zhuǎn)角度增大而增大，效果較為明顯，當(dāng)葉輪扭轉(zhuǎn)角度達(dá)到360°時(shí)，雖然擴(kuò)散性較強(qiáng)，噴距10 mm時(shí)，沖擊直徑達(dá)到70 mm，但觀察到此時(shí)射流中心流體較少，可能會(huì)導(dǎo)致中心破巖效果變差。因此，葉輪葉片扭轉(zhuǎn)角度存在最優(yōu)值，需要綜合考慮破巖直徑與破巖性能?？傮w而言，旋轉(zhuǎn)射流噴嘴能夠有效滿足大直徑?jīng)_擊破巖要求。

圖3 金屬3D打印葉輪Fig.3 Metal 3D printed impeller

圖4 旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴流場(chǎng)Fig.4 Flow field of swirling abrasive jet nozzle

2 噴射破巖試驗(yàn)

為滿足水力噴射徑向水平井井筒內(nèi)轉(zhuǎn)向的要求，噴嘴的外形尺寸受到嚴(yán)格限制，即其外形尺寸需要盡可能小，但從水力參數(shù)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，希望其外形尺寸盡可能大。針對(duì)塔河油田的實(shí)際情況，結(jié)合徑向水平井工藝要求，設(shè)計(jì)加工2種尺寸旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴，其中為了保證破巖直徑，兩噴嘴的葉輪葉片扭轉(zhuǎn)角度均設(shè)置為360°，具體尺寸見(jiàn)表1。開(kāi)展大型地面物模試驗(yàn)，研究旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖特征，并分析了噴距、砂比、加旋截面積等因素對(duì)旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴破巖效果的影響規(guī)律。

表1 旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴尺寸Tab.1 Nozzle size of swirling abrasive jet mm

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)地點(diǎn)：新疆某壓裂基地。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)備清單見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備清單Tab.2 List of experimental equipment

混砂車(chē)與儲(chǔ)液罐相連，3輛泵車(chē)通過(guò)五通閥一端與混砂車(chē)相連，一端與試驗(yàn)裝置相連（見(jiàn)圖5），儀表車(chē)用來(lái)測(cè)量并記錄壓力、排量、砂比等信息?？紤]到徑向水平井技術(shù)在硬質(zhì)灰?guī)r儲(chǔ)層中應(yīng)用時(shí)易發(fā)生因巖屑返排困難而導(dǎo)致的砂卡等風(fēng)險(xiǎn)，本次試驗(yàn)采用碳酸鈣作為磨料，出現(xiàn)意外時(shí)，可通過(guò)波段注酸的方式解卡。壓裂液和磨料通過(guò)混砂車(chē)混合均勻，并泵入泵車(chē)，經(jīng)泵車(chē)增壓后進(jìn)入噴嘴，進(jìn)而完成噴射破巖。試驗(yàn)時(shí)，首先采用壓裂液清洗管線，然后調(diào)制預(yù)定壓力，此時(shí)控制混砂車(chē)將磨料添加到高壓流體中，噴射一定時(shí)間后，停止供砂，繼續(xù)泵液直至所有磨料泵出為止，然后停泵完成試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)情況及時(shí)調(diào)整試驗(yàn)方案，試驗(yàn)采用的巖樣尺寸較大，噴距需要吊車(chē)進(jìn)行調(diào)整，因此較難保證噴距的準(zhǔn)確性，且在模擬連續(xù)鉆進(jìn)時(shí)，難以保證巖樣同心成孔。本試驗(yàn)的主要目的是研究旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖成孔的可行性以及相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律，較為準(zhǔn)確的規(guī)律研究可在改進(jìn)室內(nèi)試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接示意Fig.5 Connection diagram of equipment on site

2.2 試驗(yàn)巖樣

采用塔河奧陶系硬質(zhì)灰?guī)r露頭作為試驗(yàn)巖樣，其抗壓強(qiáng)度151.45 MPa、抗拉強(qiáng)度8.79 MPa、抗剪強(qiáng)度67.36 MPa。考慮到旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴許用排量較小，而壓裂車(chē)最低排量較大，故現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用三通接頭連接2個(gè)噴嘴，解決排量問(wèn)題同時(shí)大幅度提高了試驗(yàn)效率，通過(guò)移動(dòng)巖樣和管線調(diào)整噴距。噴嘴垂直于巖樣表面，一次可試驗(yàn)2組。

2.3 試驗(yàn)方案

為研究旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖特征及關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律，主要研究了噴距、砂比、過(guò)流截面積等因素，此外，開(kāi)展了連續(xù)鉆進(jìn)成孔試驗(yàn)研究；設(shè)置清水試驗(yàn)組作為對(duì)照，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 各試驗(yàn)組次參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameter setting of each experimental group

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖特征

試驗(yàn)首先開(kāi)展純水力噴射破巖試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示，旋轉(zhuǎn)水射流僅能在巖石表明形成較淺的印記，而無(wú)法有效破巖成孔。由圖6可知，旋轉(zhuǎn)磨料射流能夠有效破碎碳酸鹽巖，形成較大直徑規(guī)則孔眼，且壁面光滑，本試驗(yàn)中2個(gè)噴嘴形成的孔眼直徑均在70 mm左右，滿足徑向水平井增產(chǎn)增透需求；但同時(shí)觀察到在孔眼中間存在錐形凸起，這是由于旋轉(zhuǎn)磨料射流能量多集中在距射流軸線一定距離的圓環(huán)內(nèi)，射流沖擊到巖石表面時(shí)，沖擊圓環(huán)表面內(nèi)巖體軟弱面因強(qiáng)度低而首先被沖蝕掉，從而使巖石顆粒裸露形成圓錐面。同樣觀察到在32 mm噴嘴破巖成孔中，錐形凸起最高端距巖石原始表面有一定高度，由此可推斷，在連續(xù)送進(jìn)條件下，中間錐形凸起會(huì)被旋轉(zhuǎn)磨料射流破除，不會(huì)影響鉆進(jìn)。

圖6 第1，2組試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of first and second experimental group

2.4.2 噴距對(duì)旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖效果影響

保持其他試驗(yàn)參數(shù)不變，減小噴距，開(kāi)展噴距對(duì)旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖效果影響規(guī)律研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。對(duì)比可知，隨著旋轉(zhuǎn)磨料射流噴距的增加，其破巖直徑增加，分析認(rèn)為噴距與旋轉(zhuǎn)磨料射流擴(kuò)散程度相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，隨著噴距的增加，射流擴(kuò)散更加充分，故而破巖直徑更大。但考慮到噴距越大，旋轉(zhuǎn)磨料射流能量耗散嚴(yán)重，射流破巖成孔能力變?nèi)?，故旋轉(zhuǎn)磨料射流噴射破巖噴距存在最優(yōu)值。為既能保證形成滿足徑向井工藝需求的孔眼直徑，又能保證射流破巖成孔能力，需要進(jìn)一步研究噴距對(duì)旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖效果影響規(guī)律，以便取得較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

圖7 第3，4組試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of the third and fourth experimental group

2.4.3 砂比對(duì)旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖效果影響

保持其他試驗(yàn)參數(shù)不變，增大砂比，開(kāi)展砂比對(duì)旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖效果影響規(guī)律研究。由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著砂比的增大，旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖成孔直徑大大增加，其中砂比7.57%下，28 mm噴嘴破巖直徑達(dá)115 mm，相較于砂比3.5%，增加58%。分析認(rèn)為砂比與旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖能力相關(guān)，砂比提高使得射流外圍本不具備破巖能力的區(qū)域產(chǎn)生破巖效果，故而砂比提高可增大射流有效沖擊面積、形成大直徑孔眼。但考慮到管線及噴嘴由于磨料磨損等導(dǎo)致其使用壽命縮短等問(wèn)題，砂比不易過(guò)大。綜合各影響因素，考慮現(xiàn)場(chǎng)工藝要求，建議砂比控制在5%以內(nèi)。

2.4.4 噴嘴加旋截面積對(duì)旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖效果影響

相同試驗(yàn)條件，噴嘴加旋截面積不同，破巖成孔直徑不同。由試驗(yàn)結(jié)果可知，噴嘴加旋截面積增大，破巖直徑減小，各組試驗(yàn)條件下減小幅度不同，其中第2組減小幅度最小，為4%；第4組減小幅度最大，為22%。同時(shí)觀察到32 mm噴嘴中心錐形凸起較短，而28 mm噴嘴中心凸起接近巖石表面（見(jiàn)圖6）。分析認(rèn)為28 mm噴嘴磨料漿體加旋更加劇烈，使射流擴(kuò)散更加充分，故而導(dǎo)致射流破巖直徑更大，與此同時(shí)其中心流量較少，從而產(chǎn)生接近巖樣表面的錐形突起。通過(guò)對(duì)比2種不同加旋截面積噴嘴破巖效果，可知噴嘴加旋截面積減小，更利于形成大直徑孔眼，但存在錐形凸起過(guò)高的問(wèn)題。

2.4.5 連續(xù)送進(jìn)下旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖效果

為驗(yàn)證連續(xù)送進(jìn)條件下，旋轉(zhuǎn)磨料射流能否有效破碎錐形凸起，在第2組試驗(yàn)基礎(chǔ)上，將噴距調(diào)整為0，進(jìn)行噴射破巖試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示?？芍B續(xù)送進(jìn)條件下，旋轉(zhuǎn)磨料射流可有效破碎錐形凸起，但由于噴距變化較大，且不能保證孔眼與噴嘴同心，造成大塊巖屑。分析認(rèn)為噴距的突變（直接由5 cm降到0），使得旋轉(zhuǎn)磨料射流不能逐層破碎錐形凸起，進(jìn)而產(chǎn)生大直徑巖屑。認(rèn)為實(shí)際連續(xù)送進(jìn)過(guò)程可逐層破碎錐形凸起，不會(huì)產(chǎn)生大直徑巖屑，且由于井眼的限制，可保證同軸。

3 結(jié)論與建議

（1）旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散性較好，存在第一擴(kuò)散角與第二擴(kuò)散角；試驗(yàn)中采用的噴嘴外徑為32 mm，噴距100 mm時(shí)，其擴(kuò)散直徑達(dá)到58 mm，已能夠滿足徑向井噴射破巖成孔的要求。

（2）在本文條件下旋轉(zhuǎn)磨料射流的擴(kuò)散性隨葉片扭轉(zhuǎn)角度增大而增大，但扭轉(zhuǎn)角度過(guò)大時(shí)，射流中心流體較少，可能會(huì)導(dǎo)致中心破巖效果變差。因此，葉輪葉片扭轉(zhuǎn)角度存在最優(yōu)值。

（3）旋轉(zhuǎn)磨料射流可有效破碎硬質(zhì)灰?guī)r，其成孔直徑大且規(guī)則，壁面光滑，中心存在凸起，噴距為5 cm時(shí)，破巖直徑達(dá)70 mm。

（4）對(duì)旋轉(zhuǎn)磨料射流而言，在一定范圍內(nèi)，噴距越大，成孔直徑越大；砂比增加可大大提高射流破巖直徑，但同時(shí)會(huì)加速噴嘴磨損；噴嘴加旋截面積越小，射流加旋越劇烈，破巖直徑越大。

（5）連續(xù)送進(jìn)條件下，旋轉(zhuǎn)磨料射流可有效破碎錐形凸起，可連續(xù)破巖成孔，充分證明旋轉(zhuǎn)磨料射流可高效破碎硬質(zhì)灰?guī)r，建議針對(duì)其鉆速及噴距控制開(kāi)展進(jìn)一步研究。