径向射流地面模拟喷射靶心制作与可行性研究

王尔钧，魏安超，马磊，许发宾（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057）

李蔚萍，舒福昌，向兴金，鲍荣，肖加敏（荆州市汉科新技术研究所，湖北荆州 434000）

径向射流技术是目前世界上开发老油田、提高低渗透油藏采收率和采油速度的最有效的措施之一［1］。径向射流钻孔的工作原理是基于水动力学的动量－冲量定律，当高压流体通过喷嘴时，液流的压强被喷嘴转换为动量，以高速射流射出，而冲击目的物。此时，动量在瞬时被转换为冲量，在冲击力作用下底层岩石被剥蚀破损［2］。该技术能够增加原井眼的泄流半径，进而达到增产增注的目的。为了论证工艺设备和喷射液的适应性，往往需要在地面做大量的模拟喷射试验，在消化吸收该技术的基础上，笔者提出了径向射流地面模拟喷射靶心的制作方法，为了验证喷射靶心的可行性，同时为下一步开展现场试验提供依据，进行了径向射流地面模拟试验。

1 径向射流技术破岩机理分析

径向射流技术引起岩石的破坏主要是通过水楔作用，当水楔形成的拉应力与剪应力超过岩石的抗拉和抗剪的极限强度时就会在岩石中形成裂隙。裂隙初步形成和交会后，水射流将进入裂隙的空间，在裂隙尖端产生拉应力集中，使裂隙迅速发展和扩大，致使岩石破裂，形成圆柱状冲击坑或漏斗坑。也可把射流对岩石的冲击力看作准静态的集中力，大小等于射流的滞止压力，作用于半无限弹性体上，以弹性强度理论为基础，将岩石的抗拉、抗压、抗剪强度作为岩石破碎的判据，当射流冲击在岩石上产生的应力超过岩石的强度时，岩石将发生破坏。准静态破碎理论定性地说明了水射流冲击岩石产生的应力场性质，它假设岩石在射流冲击下的应力分布与半空间弹性体受集中载荷作用下的应力分布相似。在冲击区正下方某一深处将产生最大剪应力，冲击接触区边界产生拉应力，虽然射流冲击产生的压应力达不到岩石的抗压强度，但拉应力与剪应力却分别超过了岩石的抗拉和抗剪极限强度，导致岩石发生破坏。

2 API靶心制作及可喷性评价

2.1 API靶心组成及规格

API靶心由API A级水泥、粒径在16～30目的API RP56砂子（见图1）及石膏（质量比为1∶2∶0.52）混合而成，靶心采用in（1in＝2.54cm）PVC管和200L塑料桶内灌注成型，制作过程严格按照SY／T 5108—2006《压裂支撑剂性能指标及测试推荐方法》进行。

图1 16～30目API RP56砂子

表1 API靶心抗压强度评价

2.2 API靶心制作

按照API靶心组成要求，制作API靶心，并在常温下水封养护一定时间，利用BJQD－1混凝土强度检测仪和YE－300液压式压力试验机检测不同养护时间靶心强度，测试结果见表1。

由表1可知，靶心的抗压强度随着养护时间的延长而增强，在28d达到了45.6MPa，继续延长养护时间，抗压强度基本不变。由此可见，API靶心常温水封养护的最佳时间为28d，靶心基本达到最大抗压强度，也满足模拟地层强度的需要。

2.3 API靶心地面模拟喷射试验

采用清水进行了地面模拟喷射试验，试验条件及现象见表2。从喷射结果来看，即使喷射压力高达41.38MPa，也只能喷孔出3个小孔。API靶心的可喷性较差，作为径向射流技术地面模拟喷射靶心不具可行性。

表2 API靶心地面模拟喷射试验

3 含土API靶心制作及可喷性评价

3.1 含土API靶心快速制作方法

在API靶心无法满足模拟喷射的情况下，添加膨润土，模拟地层具有一定的黏土含量，制作含土API靶心。试验方法：将水泥、砂子和土按比例混合（总重为600g），加入适量水，搅拌均匀后倒入5cm×5cm×5cm的钢模中装好，然后放入双温强度养护箱（容积53cm×38cm×32cm）中，加水使钢模全部浸泡在水中，在80℃下恒温养护24h，取出晾干即可测强度。

3.2 含土量对含土API模具靶心强度的影响

图2 清水地面模拟喷射API靶心外观

室内设计了不同含土量的API模具靶心（水泥与砂子的质量比为1∶2），测试其抗压强度来考察含土量对API模具靶心强度的影响，结果见图3。由图3可以看出同等条件下，含土质量分数越大，靶心强度越小。

3.3 水泥和砂子质量比对含土API模具靶心强度的影响

通过室内测定不同水泥和砂子质量比下API模具靶心的抗压强度，来考察水泥和砂子对API模具靶心强度的影响，结果见表3。由表3可以看出，同等条件下，砂子比例越大，靶心抗压强度越小。

图3 不同含土量下靶心的抗压强度曲线

表3 水泥和砂子比例对API模具靶心强度的影响

3.4 加水量对含土API模具靶心强度的影响

通过室内测定加不同量的水下API模具靶心的抗压强度，考察加水量对API模具靶心强度的影响，结果见图4。由图4可以看出，同等条件下，水量偏多或偏少，靶心强度都减小。

图4 加水量对靶心抗压强度的影响

3.5 含土API靶心组成确定

通过前面的条件摸索，最终确定了抗压强度在15～25MPa范围的含土API靶心基本组成，结果见表4。

表4 含土API靶心的最佳组成配方

4 API靶心渗透性特征

根据优选出的API靶心组成配方，压制API岩心，并在同样条件下养护好后，进行渗透率测定。从表5的测定结果来看，虽然不同组成的API岩心抗压强度差异较大，但其渗透率差异不大，API靶心渗透率只有0.07mD，而含土API靶心渗透率则均小于0.001mD。由此看来，含土API靶心和API靶心一样，均无法满足地层孔渗特征的模拟要求。

表5 不同API靶心的渗透率

5 结论与认识

1）试验确定API靶心常温水封养护最佳时间为28d左右。

2）通过模拟靶心制作与强度测定，确定了抗压强度在15～45MPa范围的靶心组成。

3）结合模拟喷射效果不难看出，水泥胶结API靶心虽然可做出强度差异，但孔渗太小，无法模拟地层孔渗特征，不利于径向射流技术发挥其真正的破岩作用，其用作地面模拟喷射不具可行性。

［1］李根生，牛继磊，刘泽凯，等.水力喷砂射孔机理研究 ［J］.石油大学学报（自然科学版），2002，26（2）：31～35.

［2］李根生，沈忠厚 .高压水射流理论及其在石油工程中应用研究进展 ［J］.石油勘探与开发，2005，32（1）：96～99.