水力切割模擬水合物儲層成孔特性試驗

廖華林，王鄂川，董林，牛文龍，牛繼磊，戴子健，閆傳梁

(1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室，山東青島，266580；2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島，266580；3.中國石油集團海洋工程有限公司，北京，100028)

天然氣水合物是重要的潛在高效清潔油氣接替能源，是未來全球能源發(fā)展的戰(zhàn)略方向[1-3]。中國南海天然氣水合物儲層埋深淺、滲透性差，屬于泥質(zhì)粉砂儲層。提高單井產(chǎn)能和開采效率仍是天然氣水合物商業(yè)化開發(fā)的主要目標之一。2020年，我國海域天然氣水合物第二輪試采取得重大突破，證實水平井鉆采技術(shù)能有效提高產(chǎn)氣規(guī)模[4-5]。在水合物資源開采的研究過程中，高文爽等[6-7]結(jié)合高壓水射流法與熱效應(yīng)的作用，提出高壓熱射流開采法。在利用高壓射流切割天然水合物的同時，熱激水合物以提高其分解率達到了高運輸速率、高熱能利用率的效果。周守為等[8-9]提出水合物射流破碎固態(tài)流化開采技術(shù)，并于2017年在我國成功實施。針對海底高壓水射流作用下天然氣水合物沉積物的破碎效果與破碎機理，楊林等[10-11]運用物模與LS-DYNA 有限元程序?qū)ρ蜎]狀態(tài)下高壓水射流對海洋天然氣水合物沉積物破碎過程進行實驗研究和數(shù)值分析，研究了射流速度、噴嘴直徑、靶距和入射角度等參數(shù)對含水合物沉積物沖蝕體積的影響。王國榮等[12-14]分析實際工程中影響水合物射流破碎效率的因素，認為選取合理的采掘破碎工藝參數(shù)和噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)是實現(xiàn)海洋天然氣水合物藏固態(tài)流化商業(yè)化開采的關(guān)鍵因素之一。李根生等[15-16]提出了利用空化射流鉆徑向水平井和篩管完井一體化方法開采深海淺層天然氣水合物的新思路。

相對純水射流破巖，水力噴射切割可以在地層中形成大直徑孔道，并且孔道不容易被堵塞，有一定的壓裂效應(yīng)和造縫功能，進而提高地層滲流面積，達到增產(chǎn)的作用。通過水力噴射切割進行儲層改造是提高天然氣水合物開采產(chǎn)量潛在方案。然而，加砂水射流作用下水合物儲層的成孔規(guī)律及成孔機制尚不清楚。為此，本文通過地面模擬水力噴射切割模擬水合物儲層試驗，分析了噴射壓力、噴嘴直徑和加砂體積分數(shù)等對套管及模擬水合物儲層割縫形態(tài)、成孔特征與破壞形式的影響，以期為水力噴射水合物儲層改造提供試驗依據(jù)。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

圖1所示為天然氣水合物水力割縫試驗?zāi)M裝置。由圖1可見：模擬水合物水力割縫試驗裝置主要包括模擬噴射裝置、上下移動導(dǎo)軌、前后移動導(dǎo)軌、控壓設(shè)備、調(diào)砂罐、高壓泵組和水箱等。噴射裝置主要是水力割縫噴槍主體、噴嘴安裝套，上下導(dǎo)軌和前后導(dǎo)軌組成，在牽引裝置的作用下，可準確控制移動速度和距離；調(diào)砂罐用于精確調(diào)節(jié)含砂體積分數(shù)，鋼板模擬套管，厚度可以根據(jù)需要選取。

圖1 模擬水合物水力割縫試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of jet cutting simulated hydrate reservoir

1.2 試件制備

根據(jù)水合物沉積物的強度和孔隙度等特性數(shù)據(jù)，將一定量的粉細砂、黏土、方解石和黏合劑按不同的比例配制。制作不同強度的試件，通過力學(xué)性能[17-19]與物性測試，確定不同試件的抗壓強度、孔隙度和滲透度等參數(shù)。對比測試結(jié)果與水合物沉積物特征參數(shù)，選定合適的混配比例試件作為模擬地層試樣的依據(jù)，然后制成水力噴射切割試驗所用的試件，試件直徑為380 mm，如圖2所示。

圖2 制作的試件Fig.2 Samples used in tests

1.3 試驗方法

按圖1安裝好噴槍、導(dǎo)管、噴頭體及噴嘴等部件，并將安裝好的噴射工具置于試件端部，調(diào)好噴嘴方位與位置，連接地面設(shè)備與管線。啟動設(shè)備，先通入清水進行試壓。試壓后注入攜砂流體進行水力割縫試驗。

為了研究噴射壓力、含砂體積分數(shù)和噴嘴直徑等參數(shù)對地層水力孔眼切割深度、尺寸和孔眼形態(tài)等的影響，模擬水合物試樣的水力切割試驗設(shè)置多組進行對比。試驗采用清水作為攜砂工作液，工作液含砂體積分數(shù)為4%～12%，噴射壓力分別為15，20，25 和30 MPa，用于探究噴射壓力對模擬水合物成孔特性的影響。噴嘴直徑分別取4，5，6和7 mm，工作液的流動速度可以通過噴嘴直徑和噴射壓力確定。此外，前期預(yù)實驗中確定了切割試驗中含砂體積分數(shù)在6%～7%范圍內(nèi)成孔效果較好，因而試驗中選擇含砂體積分數(shù)為6%。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 孔眼形態(tài)

由于高壓射流對靶件的沖擊力及沖蝕作用，試驗條件下靶件內(nèi)模擬儲層部分形成孔眼。不同試驗條件下形成孔眼形態(tài)各異，差別很大。根據(jù)孔眼幾何特性和表面性質(zhì)，水力切割模擬水合物試樣形成的孔眼可分為不規(guī)則沖蝕、側(cè)向擴孔、沖蝕擴孔、規(guī)則擴孔、破碎和空腔等類型，如圖3所示。

由圖3可知：小排量或者孔眼延伸遠端，高壓射流對靶件作用小，靶件內(nèi)流場比較均勻，孔眼形狀比較規(guī)則，容易出現(xiàn)規(guī)則沖蝕型；較大排量或孔眼延伸近端，靶件中存在薄弱面或者微小裂縫，高壓水射流的壓裂作用大，孔眼壁破壞使沖蝕不均勻，沖刷加劇，主要表現(xiàn)為不均勻擴孔，且孔壁比較光滑，即側(cè)向擴孔和沖蝕擴孔型；高壓射流進入延伸遠端后，沖擊力下降，流體的沖蝕作用占主導(dǎo)，加之孔壁脆性較大，出現(xiàn)裂縫的擴展及延伸，但是裂縫的沖刷程度不大，多表現(xiàn)出不規(guī)則擴孔；高壓射流在靶件根部沖擊力較強，沖蝕作用顯著，根部出現(xiàn)劇烈破壞進而發(fā)生破碎及掉塊現(xiàn)象，孔眼內(nèi)流場更加混亂，孔眼延伸能力急劇下降，孔徑迅速擴大，又使得流場紊亂，孔眼根部幾乎被掏空，遠端也出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，表現(xiàn)出破碎及空腔。

圖3 水力切割下孔眼形狀分類Fig.3 Classification of hole shapes after jet cutting

綜合考慮增產(chǎn)和孔眼穩(wěn)定性的需求，水合物儲層水力切割需要優(yōu)選工作參數(shù)，減少工作液對于孔眼的過渡沖蝕，避免出現(xiàn)不可控制的擴孔和破碎。因而，在進行水合物儲層水力割縫時作業(yè)時，要充分地分析靶點區(qū)域地質(zhì)概況，特別是裂縫、孔洞等薄弱層的發(fā)育情況，盡量選擇孔眼延伸能力強的潛力區(qū)域，避開不符合要求的薄弱層，減少井壁坍塌及孔眼深度較小等問題發(fā)生[20-22]。

2.2 孔周裂縫

由于流體的沖蝕和流體對孔眼的增壓作用，在孔眼形成過程中出現(xiàn)裂縫，如圖4所示。由圖4可見：大裂縫數(shù)目較少，主要是由流體泄流及沖刷形成。徑向小裂縫密布于孔眼周圍，數(shù)目較多，主要是由于成孔過程中高速返流增壓致裂作用形成；裂縫的形成可增大儲層的泄流面積，提高了儲層流體的滲流能力，有利于天然氣水合物儲層的增產(chǎn)[23-24]。

圖4 水力割縫形成的裂縫Fig.4 Fractures around hole after jet cutting

2.3 砂粒沉積

水力割縫過程中，工作液中的砂粒與成孔過程中產(chǎn)生的沉積物碎屑在流體出口處堆積，形成明顯的砂粒架橋，如圖5所示。由圖5可知：形成的砂橋位于裂縫擴展前緣，起到部分微壓裂的效果，提高了地層滲透率并增強了擋砂作用，有利于開采過程中天然氣水合物的增產(chǎn)；而地層碎屑在無法反排到地面的條件下會在裂縫中形成沉積，堵塞微小縫網(wǎng)，造成儲層的滲透率降低，不利于天然氣水合物的開采。

圖5 成孔過程中的砂粒及碎屑沉積Fig.5 Particles and detritus deposition during hole forming

2.4 割縫形態(tài)

試驗過程中通過牽引裝置可控制噴槍的移動速度和距離，以模擬井下切割過程。隨著噴槍以一定速率移動，在套管上形成一定寬度和長度的割縫?？p寬受噴嘴直徑、噴射壓力和加砂體積分數(shù)的影響，而縫長由牽引裝置移動長度確定。

圖6所示為套管和模擬水合物儲層割縫形狀。試驗過程中噴嘴直徑分別為5 mm 和6 mm，噴射壓力為25 MPa，含砂體積分數(shù)為6%。由圖6可知：套管割縫表面凹凸不平，套管的割縫形態(tài)受切割時間和噴嘴直徑的影響。同時，主縫前端會出現(xiàn)“啄狀”形態(tài)割縫，這是由割縫初始階段含砂流體沖擊力和噴嘴移動速度共同作用導(dǎo)致。此外，套管附近孔眼形態(tài)近似為橢圓形，并且跟隨割縫延伸不斷擴展，模擬水合物儲層內(nèi)表面同樣凹凸不平。

圖6 套管和模擬水合物儲層割縫形狀Fig.6 Schematic diagram of slut form of casing and simulated hydrate reservoir

圖7所示為噴嘴直徑對套管割縫形態(tài)的影響，噴嘴直徑分別為4，5，6 和7 mm，試驗過程中噴射壓力為25 MPa。不同噴嘴直徑下，含砂流體的速度不同，造成割縫形態(tài)各異。整體上，割縫隨著噴嘴移動不斷延伸，割縫邊緣呈現(xiàn)鋸齒狀，并不光滑。由于噴射開始時，縫眼尚未完全形成，開始端出現(xiàn)偏離主縫的不規(guī)則切割形態(tài)。

圖7 噴嘴直徑對套管割縫形態(tài)的影響Fig.7 Effect of nozzle diameter on slot form of casing pipe

3 水力切割水合物儲層成孔機制

3.1 孔眼尺寸的影響因素

保持含砂體積分數(shù)為6%不變，改變噴射壓力，觀測試件中孔眼形態(tài)的變化。圖8所示為噴射壓力對割縫孔深和孔徑的影響。由圖8可知：孔眼深度隨著噴射壓力增大而增加，孔眼直徑隨著噴射壓力增大先增加后減?。划攪娚鋲毫?5 MPa，含砂體積分數(shù)為6%時，孔眼深度和孔徑最大。

圖8 噴射壓力對切割孔眼尺寸的影響Fig.8 Effect of jetting pressure on cutting hole size

圖9所示為水力割縫下孔眼深度與噴嘴直徑的關(guān)系。由圖9可知：隨著噴嘴直徑增加，孔眼深度先增加后減小；在泵壓25 MPa，含砂體積分數(shù)為6%的條件下，5 mm噴嘴的切割深度最深。

圖9 噴嘴直徑對切割孔眼深度的影響Fig.9 Effect of nozzle size on cutting hole depth

綜上所述，水力割縫實驗中，針對割縫深度和孔眼尺寸，存在優(yōu)化參數(shù)組合。本實驗條件下，當噴射壓力為25 MPa，噴嘴直徑為5 mm，含砂體積分數(shù)為6%，可形成深度約92 cm、最大直徑約為14 cm、最小直徑10 cm 的橢圓形孔眼，其割縫效果最好。

3.2 割縫寬度與形態(tài)影響因素

割縫寬度受到噴射壓力和噴嘴直徑的影響。當含砂體積分數(shù)為6%，噴射壓力為25 MPa時，套管的縫寬與噴嘴直徑的關(guān)系如圖10(a)所示。采同不同噴嘴直徑時，套管割縫形態(tài)基本相似，而割縫寬度隨噴嘴直徑增大而增加，當噴嘴直徑由4 mm 增加至7 mm 時，割縫寬度由0.9 cm 增大到1.3 cm。

套管割縫寬度隨噴射壓力的變化與其隨噴嘴直徑的變化相反，如圖10(b)所示。套管割縫寬度隨著噴射壓力增大而近似線性減小，當噴射壓力由15 MPa 升至30 MPa 時，5 mm 噴嘴的套管割縫寬度由13.0 mm 降至9.0 mm，6 mm 噴嘴的套管割縫寬度由14.0 mm降至10.5 mm。

圖10 噴嘴直徑和噴射壓力對割縫寬度的影響Fig.10 Effect of nozzle diameter and jetting pressure on cutting slot width

圖11所示為水力割縫條件下模擬水合物儲層孔眼深度與套管割縫長度的關(guān)系曲線。試驗過程中，分別選用5 mm 和6 mm 的噴嘴，噴射壓力設(shè)置為25 MPa，含砂體積分數(shù)保持為6%。由圖11可知：孔眼深度隨套管割縫長度增大而減?。桓羁p長度越長，延伸能力變?nèi)?。這主要是射流的沖刷作用所致，套管上割縫長度越長，射流擴散流動容易，漫流速度降低，沖刷能力減弱，縫深越淺。

圖11 割縫長度對孔眼深度的影響Fig.11 Effect of cutting length on hole depth

3.3 成孔機制分析

圖12所示為采用3D建模方法重構(gòu)的割縫孔眼形態(tài)。由圖12可見：水力噴射切割作用下，模擬水合物儲層中形成近似橢圓錐體、表面凹凸不平的孔眼，并出現(xiàn)裂縫、凹坑及其他不規(guī)則形狀表面沖蝕現(xiàn)象。由于高壓射流的沖擊力及沖蝕作用，孔眼中某一部分會因高速返流沖刷作用出現(xiàn)擴孔、掉塊等現(xiàn)象。射流經(jīng)過割縫進入模擬水合物儲層內(nèi)部，在靶件中形成了不同形狀的孔眼。近端孔眼形成沖蝕空腔，孔眼直徑較大，而隨著孔眼深度增加，孔眼直徑逐漸縮小。

圖12 水力割縫條件下孔眼形態(tài)重構(gòu)Fig.12 Hole reconstruction with abrasive jet blasting

高壓水射流作用下，水合物儲層存在多種破壞形式，其成孔機制可描述為：

1)在初始打擊下，射流脈沖引起的彈性力在水合物沉積物中的沖撞、反射和干擾，造成水合物試件的拉伸、剪切破壞，形成破碎坑；高壓水射流的連續(xù)沖擊，導(dǎo)致水合物沉積物局部容易產(chǎn)生流變和裂縫；

2)射流長時間沖刷和剪切水合物沉積物表面，造成沉積物的軟化，顆粒剝離脫落；

3)水射流穿透和滲入促使裂隙擴展，加速了水合物沉積物的破壞與剝落；

4)在射流動壓作用下，水合物沉積物中孔隙水壓力增高，在張力作用下，孔隙介質(zhì)顆粒之間連接力減弱，加速了水合物沉積物的破壞過程；

5)射流返流沖刷引起側(cè)向擴孔效應(yīng)。

綜上，射流對水合物儲層的破壞作用影響因素多，過程復(fù)雜，不僅與水射流及沖蝕條件有關(guān)，而且與水合物儲層的物化性質(zhì)和力學(xué)特性等密切關(guān)聯(lián)。射流工作液的侵入和傳質(zhì)傳熱導(dǎo)致水合物分解及井周應(yīng)力的改變，對井壁穩(wěn)定性也會造成影響。

4 結(jié)論

1)水力噴射切割條件下，模擬水合物儲層呈現(xiàn)破碎、不規(guī)則沖蝕、擴孔、沖刷、側(cè)向裂縫等多種破壞形式，成孔機制比常規(guī)砂巖、煤巖的成孔機制更為復(fù)雜。當噴射壓力為25 MPa，噴嘴為5 mm，含砂體積分數(shù)為6%，可形成深度約92 cm，最大直徑約為14 cm，最小直徑10 cm 的橢圓形孔眼。

2)套管主縫前端出現(xiàn)“啄狀”形態(tài)割縫，方向與移動方向相反，這是由縫眼形成前噴射出的高速顆粒沖蝕套管壁導(dǎo)致；割縫寬度隨著泵壓增大而減小，隨著噴嘴直徑增大而增加。

3)水力割縫條件下，孔眼根部容易形成沖蝕空腔，砂粒會在裂縫和孔眼的擴展前緣位置形成架橋，受到工作液流動方向影響，碎屑的返排非常重要。

4)水合物儲層在射流作用下破壞過程非常復(fù)雜，主要受到射流的沖擊作用、動壓作用和反流沖刷的影響。在射流沖擊作用下水合物沉積物產(chǎn)生拉伸或者剪切破壞，形成破碎坑和局部微裂隙。在射流的持續(xù)滲入和返流沖刷作用下，裂縫不斷發(fā)育，孔眼持續(xù)擴大。