储气库救援井磨料水射流管外开窗试验研究

任宪可 郭爽 赵昌明 张强 王国强 车阳 李敬彬

基金项目：国家自然科学基金项目“高温高压多级压裂管柱振动诱发封隔器蠕动失封机理研究”（52374034）；黑龙江省自然科学基金项目“储气库注采管柱流致振动与屈曲机理及其调控研究”（LH2020A001）；中国石油天然气股份有限公司课题“低成本高效智能工程技术研究”（2023ZZ22-5）。

任宪可，郭爽，赵昌明，等.储气库救援井磨料水射流管外开窗试验研究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

针对井筒不完整和存在落鱼的废弃事故老井出现井下封堵困难和气窜问题，如何实现有效封堵已成为老井改造储气库的关键。为此开展了储气库救援井磨料水射流钻杆成孔试验。试验结果表明：随着喷射距离的增大，单位时间内钻杆成孔深度显著减小；随着喷射压力的增大，钻杆成孔所需的时间缩短；钻杆成孔所需的最佳磨料质量分数为6%～ 8%，磨料粒径分布在40～60目范围内，可实现较好的破坏效果。通过正交试验分析认为，钻杆成孔的极限喷距随着喷射压力的增大而增大，隨着喷射距离增大而减小；为缩短作业时间，应调整参数为高喷射压力（＞25 MPa）和短喷射距离（＜20 cm）。所得结论可为现场作业提供技术借鉴。

储气库；救援井；落鱼封堵；磨料水射流；喷砂射孔；参数优化

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 R&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

储气库技术是将天然气经过压缩机压缩以后，注入到枯竭的气（油）藏、地下盐穴溶腔或其他地质构造中的一种储气措施［1］。我国目前主要采用枯竭油气藏型储气库，其具有封闭性好、安全可靠、注入气利用率高和建库周期短等优点［2］。然而，枯竭油气藏型储气库建库仍面临密封性不高的问题，特别是对于废弃事故老井，因井筒不完整可能导致气体泄漏，产生安全事故，因此安全有效封堵是老井改造建库的重要环节。

目前，国内储气库老井封堵遵循“由地面到地下，由井口至井筒，先测试后封堵”的处理原则［3-5］。主要的封堵技术与工艺有丢手报废封隔器挤注封堵技术、套管段铣技术、老井产层和井筒注水泥浆封堵技术及“多级封堵、逐级试压、带压候凝”工艺等［6-9］。其中，丢手报废封隔器挤注封堵技术主要通过在射孔层段应用封隔器对气层进行分隔，实现对气层分层、带压候凝；套管段铣技术通过专用锻铣、扩径工具对固井质量不合格井段套管和水泥环锻铣、扩径，重塑盖层；老井产层和井筒注水泥浆封堵技术主要应用于低孔低渗储层，一般采用超细水泥浆体对储层实现有效封堵。上述技术与工艺应用于存在落鱼的井筒，一般需对井底落鱼进行打捞，暴露待封堵层。

虽然上述技术与工艺已经成熟，但其封堵均建立在老井井筒完整的基础上，对于井筒不完整和存在落鱼的废弃事故老井不适用。因此，对落鱼孔眼的有效封堵成为废弃事故老井改造储气库的关键问题。针对以上难题与挑战，研发了针对井下落鱼孔眼封堵的救援井磨料水射流管外开窗技术。该技术是一种集救援井钻井、磨料水射流开窗成孔和注水泥为一体的井下落鱼孔眼封堵技术，通过远距离定向射孔，一次性射开多层、多孔，形成规则良好的流体通道，对储气库井下落鱼孔眼封堵具有良好的适用性。其中，磨料水射流是实现该技术的核心工序之一，直接决定了作业的成败。

为此，笔者以救援井井下落鱼靶件-钻杆为研究对象，开展储气库救援井磨料水射流管外开窗试验研究，进行喷射距离、喷射压力、喷射角度、磨料类型、磨料质量分数及磨料粒径等工艺参数对磨料水射流钻杆开窗成孔的影响分析，进一步开展不同喷射压力和喷射距离下的交叉试验研究，实现工艺参数组合的优化。

任宪可，等：储气库救援井磨料水射流管外开窗试验研究

1  磨料水射流管外开窗试验

1.1  试验原理

由水力学的动量-冲量定律可知，当高压泵将携带磨料（通常是石英砂）的液体从特制的喷嘴喷出时，液体的压力势能转换为动能，表现为液体速度的升高，当该含砂流体与钻杆接触时，其速度在很短时间内变为0，此时含砂射流以冲量做功，由此产生了磨料水射流技术［10］。图1为磨料射流冲蚀靶件节割穿透示意图。

实际应用中，将磨料水射流定向开窗工具下入预定层位，在高压高速携砂液注入条件下，借助该工具将压力能转化为动能，利用高速流体冲击钻杆，实现对钻杆的定向开窗成孔［11］。

1.2  试验装置与材料

试验装置采用自主研发的高压磨料射流综合试验系统，如图2所示。

该试验系统主要由混砂单元、动力单元、作业池单元、岩样夹持单元、数据采集与控制单元、液体循环单元等6部分组成，可以完成清水、磨料浆体等不同射流介质下的射流试验，具备完善的液体循环系统，且作业池单元具有沉淀分离功能，可实现清水和磨料循环使用。该试验系统最大射流压力70 MPa，排量350 L/min，喷射距离1 000 mm，淹没度500 mm，磨料质量分数30%，磨料目数24目。

1.3  试验方案

试验采用控制变量试验方法。磨料水射流射孔的影响因素较多，经过分析比较，选取了6个主要参数研究其对射孔效果的影响规律，具体包括：喷射压力、磨料种类、磨料粒径、磨料质量分数、喷射角度、喷射距离。如表1（序号1～序号6）所示。在其他条件不变的情况下，分别改变其中某一个参数的取值，测试其射孔效果。最后，通过正交试验（表1序号7）所示参数，分析在喷射时间（1～2 min）内，喷射压力和喷距同时变化下钻杆冲蚀成孔深度的變化规律。

2  试验结果分析与讨论

2.1  喷射距离

在井下作业过程中，喷嘴到钻杆凸面间的喷射距离将会直接影响钻杆开窗成孔的效果［12］。试验过程将钻杆按照0°位置摆放，选用60目金刚砂磨料，磨料质量分数保持在10%，射流喷射压力为20 MPa。通过持续喷射试验，得到不同喷射距离下钻杆成孔深度随喷射时间的变化曲线，结果如图3所示。

由图3可知，随着喷射距离的增大，单位时间内钻杆成孔深度显著减小，较短的喷射距离可以获得极佳的冲蚀成孔效果。当喷距为15 cm时，喷射时间2 min钻杆成孔深度即可达到钻杆壁厚，即将7.85 mm钻杆穿透；而当喷距为35 cm时，在20 min的长时间喷射过程中，最终钻杆成孔深度仅为3.22 mm，不足钻杆壁厚的1/2。通过对试验采集点进行线性拟合，预测35 cm喷距下穿透钻杆所用时间为48.2 min。而在实际应用时，射流射孔时间一般控制在15～30 min为宜。故认为射流喷射钻杆成孔的极限喷距应在30～35 cm间。为了直观地认识这一规律，图4给出了成孔深度随喷射时间变化的宏观形态。

图5定量表征了钻杆成孔时间与射流喷射距离的数学关系。通过对不同喷射距离下的成孔最大时间进行统计和回归拟合处理，认为钻杆的成孔时间与射流喷射距离间服从幂指函数关系，即有：

T=9.736 65×10-5·H3.483 18（1）

式中：T表示钻杆成孔最长时间，min；H表示射流喷射距离，mm。

2.2  喷射压力

射流喷射压力是磨料水射流管外开窗技术中重要的工艺参数之一，压力的改变会影响到其他工艺参数的变化［13］。依据伯努利方程原理，喷射压力的增大将会直接导致射流流速的提升，进而加速射流中的磨料粒子冲蚀靶件，形成更为显著的宏观破坏。为了探究射流喷射压力对钻杆开窗成孔效果的影响，在保持喷射距离为20 cm和其他参数不变的条件下，改变射流喷射压力为10、15、20、25和30 MPa，得到图6所示的钻杆成孔深度随喷射时间的变化曲线。

由图6可知，钻杆成孔深度随着喷射时间的延长而增大，射流喷射压力越高，钻杆被磨料射流开窗成孔的速度也会越高，即单位射流喷射时间内的成孔深度越大［14］。同时，还能观察到随着喷射压力的逐步提高，钻杆开窗成孔的深度变化趋于缓慢，相较于由10 MPa增长至15 MPa，25 MPa与30 MPa下的成孔深度规律相似。这是高压磨料射流在钻杆孔眼内部存在剧烈扰动所导致的［15］。

2.3  喷射角度

钻杆落鱼与射流喷嘴间的几何位置具有一定的随机性［16］。为此，有必要探究不同喷射角度下的钻杆开窗成孔特性。在前期试验的基础上，选择射流压力20 MPa、喷距20 cm的初始条件开展试验，磨料参数与前期研究保持一致，探究钻杆成孔深度随喷射角度变化的试验规律，结果如图7所示。

由图7可知，不同喷射角度下的钻杆成孔深度随时间的曲线变化趋势呈现显著的相似性。这是试验中射流喷距、压力和磨料参数保持相同所导致的，即动力源和能量相似。不同的是，随着喷射角度的增大，单位时间内的钻杆成孔深度逐渐降低，且穿透钻杆所需的时间逐步延长。这是因为在大的喷射角度下，钻杆倾斜程度提高，射流在管体中的路径不再垂直于钻杆凸面，故喷射路径也在增大，且由于钻杆材料的非均质性，射流在狭长的路径中所遇阻力提高，延长了冲蚀成孔的时间。

图8是对不同射流喷射角度下的成孔时间进行了回归拟合。成孔时间与喷射角度间满足一种正相关的线性变化关系，这种线性变化由射流的运动轨迹直接导致。

2.4  磨料类型

试验过程中保持射流参数不变，对比探究了石英砂、陶粒支撑剂和金刚砂3种不同磨料种类下钻杆成孔深度的变化规律，结果如图9所示。

由图9可知，金刚砂磨料的钻杆成孔效果要显著优于陶粒支撑剂和石英砂。这是由于金刚砂相较于其他磨料具有锋利的棱角，且硬度较大，不易破碎；其与钻杆凸面接触过程中接触面积小，压力大，更具破坏能力。另一方面，金刚砂的密度要高于陶粒支撑剂和石英砂，因此射流加速后具有更大的动能。

2.5  磨料质量分数

图10是金刚砂磨料质量分数为3%、4%、6%、8%、9%和10%时，钻杆成孔深度在不同喷射时间内的变化规律。

由图10可知，在喷射时间4 min内，当磨料质量分数在6%～8%时，钻杆成孔深度要显著大于其他质量分数下的结果，磨料质量分数越低，钻杆成孔所需的时间越长。通过本试验，可以确定6%～8%为冲蚀钻杆成孔所需的最佳磨料质量分数。

2.6  磨料粒径

在现场作业中发现，磨料颗粒直径越小，其质量和在液相中的受力面积越小，因而磨料颗粒获得的动能越少，对靶件的冲击破坏效果也会降低。为此，选择40、60、80和100目4种不同目数的金刚砂磨料，并配置了质量分数6%的高压磨料射流开展钻杆开窗成孔试验，射流的喷射压力保持在20 MPa，喷距为20 cm。图11为不同金刚砂目数下的钻杆成孔深度随喷射时间的变化曲线。

由图11可知：40目的金刚砂磨料可在最短的时间内完成对钻杆的开窗成孔；随着磨料目数的增大（粒径减小），钻杆开窗成孔的速率在逐渐减小。这是因为当保持磨料质量分数一定时，磨料粒径越小，单位时间内质量较轻的磨料颗粒数量越多，而磨料颗粒的动能和磨料质量正相关，故小粒径的磨料颗粒获得的动能越少。

3  参数优化

在单变量影响因素试验研究的基础上，进一步开展了不同喷射压力和喷射距离下的交叉试验，试验组数为5×5=25组，喷射距离为15 、20 、25 、30 和35 cm，喷射压力为10 、15 、20 、25 和30 MPa，保持其他射流和磨料参数不变［17］。分析在喷射时间（1～2 min）内，喷射距离和喷射压力同时变化下的钻杆成孔深度的变化规律，结果如图12所示。

由图12可知：在喷射時间1～2 min的变化过程中，高喷射压力（＞17.5 MPa）和短喷射距离（＜25 cm）条件下，钻杆在不到1 min内其成孔深度可以达到壁厚值，实现钻杆的穿透（见图12a和图12c）；在高喷射压力（＞17.5 MPa）和长喷射距离（＞25 cm）条件下，预计在2～3 min内可以实现钻杆的穿透（见图12b和图12d）。由单变量试验结论可知，钻杆成孔深度随着喷射压力增大而增大，随着喷射距离增大而减小，故这种试验条件下成孔难度进一步增大，预计喷射成孔时间也会更长。因此，从单位时间内的成孔深度变化规律来看，建议工程中应用高喷射压力进行磨料水射流钻杆开窗成孔作业。

4  结论及建议

（1）随着喷射距离的增大，单位时间内钻杆成孔深度显著减小，较短的射流喷射距离可以获得极佳的开窗成孔效果；射流喷射压力越高，单位射流喷射时间内的成孔深度越大；随着喷射角度的增大，单位时间内的钻杆成孔深度逐渐降低，且穿透钻杆所需的时间逐步延长。

（2）磨料的破坏能力随其密度和硬度的增大而增大；增加磨料质量分数可以提高单位时间内磨料冲击靶件的次数，但超过一定数值时，反而会影响冲蚀钻杆成孔的效果；磨料粒径过大和过小都不利于钻杆开窗成孔。

（3）开展了不同喷射压力和喷射距离交叉影响下的磨料水射流钻杆开窗成孔试验，建议工程中应用高喷射压力进行磨料水射流钻杆开窗成孔作业。

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第一任憲可，高级工程师，生于1983年，2003年毕业于东北石油大学工程力学专业，现从事磁寻向钻井、钻井提速工具及老井处置等方面的研究工作。地址：（102206）北京市昌平区。email：renxianke@cnpc.com.cn。

2023-12-22

王刚庆