磨料射流切割金属套管机理研究于鸿椿\刘勇2（。中国石油大学，山东东营2570612贵州省六盘水煤夏机械厂，贵州六盘水553402）材料。通过分析磨料射流切割金属套管的机理，认为磨料颗粒在水射流携带下，与被切割材料相接触，由于接触面积小，可以产生极高的接触剪应力，使接触区域破碎成微粒从母体上脱落，从而实施切割，并根据弹性力学中接触理论建立了力学模型。该模型的建立有助于提高磨料射流油井割缝关键技术的试验认识，为井下切割参数的设计提供可靠依据。
刖言磨料射流一般是在水射流中混入磨料颗粒而形成的，从而极大地提高了射流切割的性能：在同样的工作压力下，磨料射流能切割水射流不能切割的材料，即切割同样的材料时磨料射流可以大幅度降低工作压力。自1983年美国首先研制磨料射流切割设备，对钢化玻璃板进行切割后，该技术受到广泛关注，现己广泛应用于航天、航空、机械、冶金等国民经济各部门，对高硬度合金钢、陶瓷、合成纤维等难以切割的材料进行切割111. 1996年年末，我国石油行业以石英砂作磨料，通过混砂车与水均匀混合，经压裂车加压送至井下喷头，通过喷头上一对互成180*的喷嘴形成磨料射流，同时自动向下移动，切开金属套管，在油层中造成较长深缝，油井周围地层由于应力集中产生的压密效应得以部分解除，提高了近井地层渗透性，油井产量一般提高1倍以上，目前己在大庆、胜利、辽河、中原、河南、长庆等油田进行推广。磨料射流技术目前己应用于井喷管口的切割、井下断铣套管、开窗口等作业，具有效率高、安全等突出优点。围绕磨料射流切割金属工艺参数选择，提高切割效率和效果，己进行了大量的实验研究，但是根据探索磨料射流切割的机理建立相应的力学模型的研究，还刚刚起步。
1磨料射流切割金属套管的机理射流对金属的切割，实质上是金属材料在射流作用下的破坏。目前关于材料在水射流作用下破坏的研究较多，可以归纳如下：①射流的打击力作用；②水楔作用；③气蚀破坏作用；④射流脉冲载荷引起疲劳作用。上述作用在材料破坏中同时起作用，但在不同工况条件下，上述作用所处的地位不同，普遍认为射流的打击力作用产生的应力超过金属材料的强度是重要的121.一般金属材料抗剪强度远低于抗拉、抗压强度，金属材料的破坏形式是剪切破坏。因此，可以得出磨料射流切割金属套管的机理：在磨料射流中的磨料颗粒在水射流的挟持下与材料接触，颗粒以每秒数百米的速度冲击材料而突然停止，因而产生的冲击力很大，而磨料颗粒一般近似为圆形，与材料表面的接触面积很小，因而在接触区域产生的接触应力很大，当磨料颗粒与材料接触产生的接触剪应力超过接触剪强度时，发生破坏，微粒从材料本体上剥落，出现凹陷累积，从而使金属材料在磨料射流作用下破坏和被磨料射流切割成缝。
2磨料射流切割金属套管实验研究根据大量实验和实践，在油井套管割缝时，磨料射流的工作压力一般为35MPa但工作压力降至25MPa时，也能将金属套管割开13.如根据Powell和Simpon所提出的金属材料在水射流作用下的破坏，射流工作压力需超过材料的20倍，才能产生破坏。油井金属套管材料是35CiMo，抗拉强度达到948MPa，割缝所用的磨料密度为2此，磨料射流对材料打击力仅为相同工作压力水射流的2 8倍，即工作压力为25MPa的磨料射流的工作压力相当于70MPa纯水射流的工作压力，远小于35CiMo的抗拉强度。根据有关实验，工作压力为400MPa的水射流只能使软金属的箔片产生裂纹141.因此，从材料在水射流作用下破坏引伸出来的材料在磨料射流作用下破坏，主要也是磨料射流*大冲击力的作用。实验研究表明由于磨料密度大，使材料可以在低于水射流工作压力下发生破坏，但是磨料射流工作压力可以比水射流工作压力降低十余倍的原因，还有待于进一步进行研究。
磨料射流的突出点即水射流含有磨料颗粒，由于磨料颗粒的作用，磨料射流在切割同样金属材料时可以大幅度降低射流工作压力。油井套管割缝使用的磨料射流一般仅混入质量比为5%、粒径为0.5 ~0.8mm的石英砂，在两相流理论中称之为稀疏固液两相流，磨料颗粒速度与流体流速可以视为相等。当磨料射流作用于金属材料表面时，材料表面受到射流中的磨料颗粒的撞击，使材料表面产生了微小的凹陷斑点。当磨料射流冲击被切割材料表面时，与材料表面接触的射流断面上同时有许多的磨料颗粒与材料相接触，因而在与射流接触的区域内充满了由于磨料颗粒与材料接触产生的应力而形成的凹坑。在磨料射流连续的冲击下，不断产生新的凹坑，凹坑连续并加深。如果射流静止不动将形成孔，孔径比射流接触材料时断面面积稍大；如果射流移动将形成长缝，缝宽比射流接触材料时断面的直径稍宽。在将磨料射流冲击金属材料时，可以见到材料表面被磨料冲击出现的麻点和凹陷，与相同工作压力水射流冲击的情况不同。
3磨料射流切割金属套管的力学模型为提高磨料射流油井割缝关键技术的试验认识，模拟井下施工条件，经理论分析和修正，建立磨料射流切割金属的力学模型，即建立金属材料在磨料射流作用下的力学模型。笔者主要对磨料颗粒与金属材料接触产生的接触压力和接触应力的分为复杂，须采用弹性力学的方法研究。
磨料颗粒与油井金属套管的接触，相当于圆球与内圆柱面的接触问题。当2个物体相互接触时，起初接触于一点或一条线，随着传递压力加，物体因2个球体的接触，局部变形后形成为1个很小的接触面。根据2个物体的具体形状，接触面可以为不同形状，如果为2个球体其接触面为圆形，由于*初接触处变形*大，可见此处的接触压力也一定*大，在接触面周边上，由于两接触物体刚刚接触上，故在周边上压力为零。以压强p表示接触面上任意一点接触压力的强弱程度，在接触面中心点压强*大，以表示，根据赫兹理论，接触压力在接触面上按半个椭球面规律分布，接触面大小、形状及pm*数值，决定于接触物体传递压力和接触物体在接触处曲率及接触物体的材料性质（弹性模量和泊松比）接触物体上，在接触中心处，材料接近处于三向等压状态，材料在这种应力状态下难以产生塑性变形，故能承受很高的压力而不发生流动。对于钢材来说，可以达到3500~4000MPa而不发生流动，此*大压力等于*大接触应力。即2个球之间的*大接触压力由弹性理论151可得：卜x其中，k，= =当2个球体互相接触，根据理论分析，在大球距接触面为0. 47R2处与接触平面平行的平面上和小球距接触面为0.47R，处与接触平面平行的平面上存在着*大接触剪应颗粒弹性模量，MPa；h为泊松系数；及为材料的弹性模量，MPa；为泊松比；为磨料颗粒与材料接触时的作用力，N.当磨料射流对金属套管进行切割时，金属套管的内壁系圆柱面，将其视为以圆柱直径R2为半径的球面，即将R2改为负，因而可以得到磨料颗粒布浦研究。喊接触压力和接触应力的分布*套规相接触时产生的*大接触剪应施。cnki.net只要求出颗粒与金属材料接触时的作用力，代入公式（3）计算出的*大接触剪应力大于材料的接触剪应力，金属材料即发生破坏，即磨料射流在此工作压力下，可以对该金属材料进行切割。
F是磨料射流冲击材料时磨料颗粒对材料的总的打击力，与磨料射流撞击材料时速度有关，其总打击力包括磨料颗粒及水的总打击力在内，根据动量定理可得磨料对材料总打击力为：由于很难了解到接触材料表面磨料颗粒总数，但可以通过以下步骤求得每个颗粒对材料的打击力。若射流中磨料流体与材料接触断面为A则单位面积磨料作用于被切割材料的力为Pu2，磨料颗粒投影面积为nR2，因而得单个磨料颗粒对被切割材料的作用力为：井下割缝磨料射流是应用圆形喷嘴，其直径为D虽然在井下进行切割，空间是有限的，但与井下固体边界有相当的距离，射流是水与磨料颗粒混合物，速度很高，因而是圆形断面固液两相自由紊动射流。其轴线上轴向速度即断面上*大轴向速度，沿程变化规律采用动量积分解16.所占的体积百分数；Pw为水的密度，kg/m3；u为射流喷出时速度，m为靶距，mm.将公式（5）和公式（6）代入公式（3）整理得磨料颗粒与材料相接触时的*大接触剪应力为：u可以根据喷嘴孔径和当时射流流量算出，也可以根据工作压力按u=44.77TP求得近似值。如采用现有工具在井下切割，靶距即喷嘴与套管内壁距离x=0.喷嘴半径D=4mm当压力为25MPa时，喷嘴口射流速度u，=223.8m4，代入公式（7）进行计算，*大接触剪应力t=1.45X106MPa，套管材料为35CiMo，抗拉强度为948MPa，金属接触剪应力强度一般约为抗拉强度的0.6倍，因而工作压力为25MPa时可以对套管进行切割。
近几年磨料射流油井割缝技术己在大庆、胜利、辽河、吉林、华北、中原、河南、长庆等油田进行了现场应用，而且还用于射孔不能穿透的双层套管井和无法进行射孔的极薄油层代替射孔，取得了良好的效果。各油田的部分油（水）井经过磨料射流割缝施工后，油井产量有所加，一般产1倍左右。表1列出了部分油（水）井应用该技术后的效果。
表1磨料射流油井割缝技术在各油田的施工效果序号油田井号割缝层位割缝对数施工前产油量（注水量）（t/d）施工后产油量（注水量）4t4）备注料射流作为一种新兴技术具有广阔的应用前景。
4结论（2）金属套管力学模型的建立可用于指导实⑴研究表明，磨料射流切割金属套管对套管际井下切割参数的设计，为各油田提供了割缝设的破坏机理有切割磨损和破坏磨损2种形式。磨备，并进行技术服务。（下转第96页）头+0165mm的1*单弯螺杆+MWD定位接头+ 0165mm无磁钻挺+ 127mm加重钻杆+加重钻杆+0178mm钻挺+0127mm斜坡钻杆。由于在进入水平段前方位井斜都己调整到较理想的状态，因此采用了滑动定向钻进控制钻速15，轨迹也在设计的范围内向前延伸。此时造斜率6.5* m钻进参数：钻压为90~ 120kN，排量为28L/s，泵压为14~15MPa通过MWD的井眼轨迹监控，钻至井深1160m，此时轨迹井斜角90.5*方位角为325*成功绕过曙1*37*036井，防碰井距为12 6m.此后只是由于MWD脉冲发生器被卡起钻一次，之后顺利钻至井8*方位角为3245*垂深为82286m，位移为666.38m.按照设计施工要求己钻达B靶点，电测后完钻。至此，在整个钻井施工中成功绕过4口防碰井，钻达目的层。设计与实际施工防碰情况见表3.表3设计防碰距与实际防碰距数据邻井防碰井段设计*近距离m实际*近距离/m曙卜37- 4安全钻进措施优化剖面设计，优选钻具组合，使井眼轨迹尽可能平滑，在此基础上更要保证与绕障井的安全距离。
在钻进过程中要保证勤划眼，在钻进过程中尽量采用复合式钻进方式。根据钻进井段的长短和摩阻力大小确定短起下钻的频率和幅度。合理调整钻井液性能，遇卡时采用少提多放大幅度活动钻具，严重时小排量开泵后缓慢提出。
在钻进过程中要始终坚持在钻井液性能发生变化，地层渗透性强，井壁出现较厚滤饼，井眼缩径时钻具不静止，钻井液不停止循环的原则。
施工前做好防碰分析，通过MWD等监测设备随时跟踪井眼轨迹，及时更换钻具组合，及时调整井眼轨迹161.钻进过程中根据地层特点选择钻头，及时更换钻头，防止发生掉牙轮事故。
5认识与结论在遇到多井防碰绕障时，施工前要邻井情况合理设计井身剖面，做好防碰分析。
防碰绕障要有精密的随钻测量仪器作为保证，本井将单弯螺杆和MWD配合使用，达到了精确控制的目的。
口井得益于钻具组合的优选和正确合理的操作和施工。
通过制定安全措施实现了本井的安全钻进。
