水力切割技术研究报告第一章前言1.1 研究目的及意义针对延长油田初次衰竭开发，二次注水开发，采收率低于同类油田。
随着油田的开发，呈现问题越来越多，如油井单井产液量低，含水率高，长期开发过程中，砂粒运移至油井近井地带，造成渗流阻力增大，产量降低；水井吸水剖面不均匀，同层内注入水沿微裂缝或层理较为发育的部位向前推进，层间注入水沿渗透率较高的层推进，从而水驱波及范围小，并且由于注入水水质不达标，造成注水井近井地带污染或形成水垢，因此注水过程中，注入压力高，出现注不进去的现象，若提高注水压力，又容易使微裂缝开启，出现水窜。
本次研究主要在于解决以上油田开发中存在的注水采油问题，通过对水力切割技术的研究，以获得一项油水井增产增注的改造技术，调整吸水剖面，提高注水效果，解除油井近井地带的污染、堵塞等问题，形成有利于油气水渗流的通道，降低渗流阻力，从而提高油井产液量。
水力切割技术，在国内最早始于辽宁工程技术大学与俄罗斯矿山学院合作，引进的一项增产改造技术，是在传统的水射流基础上，在水中加入少量磨料颗粒，通过泵车泵入井底，流体通过井下割缝工具后，形成高速射流，在水流和磨料高速冲击下，金属套管、水泥环和地层岩石由于受到巨大的打击力而破坏，同时作业过程中，割缝工具自行自上而下移动，穿透套管，最后在近井带形成一条宽约20mm，缝高200mm，缝深1200mm的缝，从而改善近井带的流体流动情况，达到增产增注的目的。
该项技术的研究在一定程度上，能够应对油田开发过程中出现的油水井注不进、采不出问题，为油田开发中保持稳产、提高采出程度提供了方法。
1.2 研究进展水力切割技术实际上是在纯水中加入磨料颗粒，形成固-液两相射流，由于加入的磨料颗粒量少，因此在形成射流过程中，磨料颗粒可以获得与水流相同的高速，而在相同的流速下，磨料颗粒对材料的打击力是纯水流的2.8倍，可以较快的切割开材料，因此采用磨料射流优于纯水射流对油水井的改造，水力切割施工结束后，可将套管、水泥环、岩层进行切开，并形成一定规模的缝。
1996年俄罗斯岩石力学及矿山测量研究院佩图霍夫院士研制成功一种设备，采用在油层部位对井筒切割一对互成180°与井轴线对称的宽12一15mm、高180mm、深1000mm的狭长深缝，射流工作压力35MPa，以每分钟5mm的走行速度割开套管，可在岩层中切开深1000mm的深槽。
1998年初，辽宁工程技术大学经过改进设计，在俄方设备、设计思想的基础上经过修改，将割缝设备试制成功。
进行了地面试验和实际割缝试验，割缝后的油井产量增加1倍以上，有效期两年。
这不仅可以解决因堵塞造成近井地层渗透率下降，而且还可以使井周高应力区应力重新分配而得到松弛，从而减轻压实效应产生的渗透率低下，没有第二次堵塞的问题。
目前为止已经为大庆、胜利、河南、中原等油田提供井下割缝的专用工具进行油井、水井的割缝施工，包括各油田自行进行施工的井数在内，大庆、胜利、辽河、中原、河南、吉林、华北、长庆等油田施工井数至2003年为止超过三百余口井，并开发了用于4寸油井施工的割缝工具，施工后产油量及注水量一般为施工前的2倍，只有个别井因其他原因增产效果不明显，稳产时间一般在两年以上。
成功率高，只需借用油田的压裂设备即可施工；成本低、操作简单，不会出故障，而且已经被推广应用在极薄油层、多层套管油层代替射孔及进行油井的深穿和井下扩孔。
1.2.1 割缝工具的研究进展水力喷砂割缝工具主要由三部分组成：移动器、复位器、喷枪。
移动器控制喷枪在施工时产生一定自上而下的移动速度，复位器在完成一组割缝后恢复到位。
辽宁工程技术大学张永利等人研制的早期喷枪结构如图1所示，在水压作用下，喷枪随同有关部件向下移动，其向下移动速度由移动器中上下活塞之间的液压油通过安装在活塞上的溢流阀流向上活塞上部空间的速度而决定。
当停止输人高压水流时，受压的复位弹簧伸长，喷枪受弹簧弹力复位上行，在上活塞空间的油流回原来的空间。
由于高压水流的喷射，使喷枪内的喷嘴磨损较快，早期的喷枪上只带一个喷嘴，喷嘴磨损后就不能继续作业，割缝效率低。
图1 割缝工具结构示意图后来，辽宁石油勘探局工程院王辅升等人对该装置进行了改进，一，由于早期割缝工具在移动过程中不是匀速移动的，割缝形态不能达到预期的效果，因此设计了地面匀速送进绞车，主要由滚筒、涡轮涡杆减速器、电磁调速电动机和电磁刹车灯组成，该装置可实现无极调速控制喷枪匀速送进；二，实现多级喷嘴设计，克服一个喷嘴效率低，多次起下割缝工具更换喷嘴的缺点，该多级喷嘴由喷射体、喷嘴、内滑套、钢球等组成，结构见下图所示，有上下两级，共8个喷嘴，交错布置，施工过程中可投入钢球剪断销钉推动内滑套下行，以更换喷嘴。
从而减少了起下管柱次数；三，设计水力扶正器和套管接箍探测器，以保证喷射过程中管柱的稳定和喷射工具的准确定位，提高喷射施工效果。
图2 多级喷嘴割缝工具而矿场应用较多的还是在早期割缝工具结构上，改进喷嘴，增加为上下两级，8个喷嘴，交错布置，其下部移动器沿用了早期的移动器控制割缝过程中的喷嘴移动，割缝一次完成后，通过上提割缝工具至上段设计割缝位置继续施工。
图3 割缝工具结构示意图1-喷枪；2-复位器；3-移动器水力割缝工具中实现喷嘴自行自上而下移动切割成缝的是移动器，移动器的核心部分为安装在活塞上的溢流阀。
只有当油腔的油压随工作压力达到一定值时，溢流阀才自动开启，这时油经溢流阀从下油腔流至上油腔，当低于一定工作压力时，阀即自动关闭。
喷枪移动速度即切割速度就是由油流通过阀的流量来决定的。
根据割缝工具结构尺寸设计，当工作压力为30～35MPa 时，下油腔内的压力即溢流阀进口处的油压为10MPa，而上油腔内的压力即出口压力接近于0，进出口压差达10MPa，而流量仅为24～26ml/min.溢流阀是将刻有相同平面螺纹的铜质底板及塑料圆片的一面相对而放，然后用螺钉锁紧，结构较为简单。
因为油在平面螺纹中流动是流动速度极小的非达西渗流流动。
在这种情况下，流体与固体之间相互作用的大小决定了流体的流动速度，而且有一个初始压力梯度。
当q>0时： ()k p Lq γμ-= ；q=0时：p L γ≤ 式中：q 为流量；μ为流体粘性系数；k 为系统渗透率；p 为进出口的压力差；L 为流过长度；γ为初始压力梯度。
只有压力差达到γ 值后，渗流才能开始，压力低于γ，渗流停止，因此γ也称为溢流阀的阀值。
下图是石油大学孙卫娟所设计的溢流阀，其技术参数为：割缝设备在 30～35MPa 压力下，变压器油所受的压力10MPa ，即溢流阀的压力10MPa ，在此压力下，溢流阀的流量为24～26ml/min ，它的开启压力为 5 MPa 。
由于溢流阀的渗流通道极为细小，任何固体杂质都可能使它产生堵塞，因此除了在移动器安装过程中需特别注意保持变压器油和油腔的干净外，还要在阀的底端安装多层过滤网，以保证其通道的畅通，即保证整个割缝设备运行的可靠性和稳定性。
图4 溢流阀结构图1.2.2 割缝机理的研究进展由前所述，水力切割也即是固-液两相流切割，工业上广泛称其为磨料射流切割，其实质上是一样的，与其他工业上的应用所不同的是所用割缝设备有所区别。
磨料射流对金属套管岩层的切割，之前仅见到张永利将井下割缝射流视为自由射流而对金属套管和岩层切割所进行的初步研究，实际上，由于磨料射流在八十年代末就开始广泛的在很多工业部门得到了应用，因而很多学者分别从本部门的实际需要出发，进行了大量的实验研究，通过对实验数据的整理，得到了对不同的类型材料、不同厚度进行切割允许的切割速度和需要的射流压力。
A.I.Momber 等就收集了从1989年至1999年不同学者提出的经验公式达数十种之多，公式中考虑的工况参数也不相同，所有公式都是对后混砂的磨料射流，采用不同比例的水喷嘴直径与磨料喷嘴直径的情况得出的，用以确定切割一定厚度的不同材料的切割速度和射流压力。
薛胜雄等在其所著的《高压水射流技术与应用》一书中，从大量的磨料射流切割的实际应用中收集了一些工况参数，列成表供相同材料切割的参考。
Ansari 等对于岩石也举出了一些例子。
但是所有的上述公式和参数都是不同的学者根据本单位的需要，对本部门经常切割的材料采用不同的实验途径所得到的，而且都是在自由射流切割条件下取得的，所用的靶距、切割速度或一次切割的深度也不相同，因而带有很强的经验性，没有普遍参考的意义，只能在切割厚度相近的相同材料选择切削速度或对一定切削速度切割深度下，选择其他射流切割参数，有一定参考意义。
对于水射流作用下的材料失效或破坏的机理。
1961年Singh 和Harman提出了应力波说，即由于射流打击在材料上产生的应力波造成材料的破坏，Leach 和Waiker提出了射流切割深度与声速的公式，认为材料的破坏是射流打击力产生的。
Farmer 和Atrewell、Daniel 和Rowlands通过实验作了进一步验证，经过理论推算及实验，认为只有射流压力超过了20倍的材料抗拉强度才会破坏。
Powell 和Simpom、Bieniawski等根据岩石存在大量微裂隙，因而认为岩石失效是在射流压力下裂隙扩展的结果，提出应以普遍的Griffith 准则作为裂纹失稳，也即材料破坏的判据。
1975年cooley通过试验以抗压强度作为裂纹的定量关系式。
但是在井下割缝中射流是非自由射流，即在射开套管后对岩层切割时射流是在缝隙中流动对岩层进行切割，该文仍将其视为自由射流。
同时对于冲击金属套管的作用力是所有撞击材料的总打击力，不是单个颗粒接触材料时的打击力，显然与实际有较大的差距。
除此之外还未见到磨料射流对金属套管及岩层作用以及在磨料作用下金属套管和岩层在磨料射流作用下破坏机理的研究失稳扩展的依据，认为切割岩石射流工作压力应为岩石抗压强度的10 倍。
Foreman等认为岩石在射流作用下的破坏是与渗入裂纹中产生的水作用有关。
Crow还提出了射流经过切削面由于张力产生的气穴作用造成岩石破坏，而Rehbinder在研究射流切割机理中发现，材料在射流作用下的破坏是在射流直径外圈开始的，并得出在1 .81倍射流直径处，材料颗粒上将产生最大拉应力，在这拉应力作用下，材料可能失效。
此外还有如Bresee 和Crist Dellx 和Heilhecker 等提出了一些说法，在此不一一介绍。
但都是在试验基础上，以一些假设作为前提提出的，由于试验方法条件不同，考虑问题的着重点及对试验结果的分析认证方面的差异，因而这些学说都有局限性。
实际上材料在射流作用下破坏机理是复杂的，是射流对材料所产生的多种作用而产生的破坏，总的来说，普遍认为材料在射流作用下破坏主要是以下几种作用引起的。
（1）射流与材料接触的打击力、打击压力；（2）材料在射流作用下产生的应力波；（3）射流产生的水锤作用；（4）材料在射流作用下产生的气蚀作用；（5）射流作用在材料表面产生的水楔作用；（6）在射流压力脉动下产生的疲劳破坏。