流体机械

序号	试验变量
1^#	金刚砂	10	60	20	20	0
2^#	金刚砂/石英砂/陶粒	10	60	20	20	0
3^#	金刚砂	3，4，6，8，10，12	60	20	20	0
4^#	金刚砂	10	40，60，80，100	20	20	0
5^#	金刚砂	10	60	15，20，25，30，35	20	0
6^#	金刚砂	10	60	20	15，20，25，30，35	0
7^#	金刚砂	10	60	20	20	0，5，10，15，20，25
8^#	金刚砂	10	60	15，20，25，30，35	10，15，20，25，30	0

序号	试验变量
1^#	金刚砂	10	60	20	20	0
2^#	金刚砂/石英砂/陶粒	10	60	20	20	0
3^#	金刚砂	3，4，6，8，10，12	60	20	20	0
4^#	金刚砂	10	40，60，80，100	20	20	0
5^#	金刚砂	10	60	15，20，25，30，35	20	0
6^#	金刚砂	10	60	20	15，20，25，30，35	0
7^#	金刚砂	10	60	20	20	0，5，10，15，20，25
8^#	金刚砂	10	60	15，20，25，30，35	10，15，20，25，30	0

喷射压力/MPa	极限喷射距离/cm	最大成孔时间/min
10	24.7~29.2	27.95
15	28.6~34.3	26.30
20	32.5~34.7	26.78
25	34.7~37.5	27.15
30	39.2~42.5	27.67

喷射压力/MPa	极限喷射距离/cm	最大成孔时间/min
10	24.7~29.2	27.95
15	28.6~34.3	26.30
20	32.5~34.7	26.78
25	34.7~37.5	27.15
30	39.2~42.5	27.67

高压磨料射流冲蚀储气库区老井落鱼成孔特征研究

高玮 ¹^,² , 黄中伟 ¹ , 武晓光 ¹ , 高清春 ² , 姚建蓬 ² , 赵炎 ²

流体机械 | 试验研究 2025,53(4): 1-8

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流体机械 |试验研究 2025 , 53 (4) : 1 -8

高压磨料射流冲蚀储气库区老井落鱼成孔特征研究

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高玮¹^,², 黄中伟¹, 武晓光¹, 高清春², 姚建蓬², 赵炎²

作者信息

¹深层地热富集机理与高效开发全国重点实验室中国石油大学（北京），北京 102249

²中国石油长城钻探工程有限公司，北京 100101

作者简介:

高玮（1977），男，工学硕士，高级工程师，研究方向为水平井、侧钻井钻完井工程技术及复杂老井修井工程技术，通信地址：100101北京市朝阳区安立路101号中国石油长城钻探工程有限公司，E-mail：gwei.gwdc@cnpc.com.cn。

Perforation characteristics of lost fish in old gas storage wells by high‑pressure abrasive jet erosion

Wei GAO¹^,², Zhongwei HUANG¹, Xiaoguang WU¹, Qingchun GAO², Jianpeng YAO², Yan ZHAO²

Affiliations

¹State Key Laboratory of Deep Geothermal Resources，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China

²CNPC Great Wall Drilling Engineering，Beijing 100101，China

出版时间: 2025-04-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.001

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摘要

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针对储气库区落鱼型老井的落鱼水眼有效封堵问题，建立了针对落鱼水眼封堵的高压磨料射流冲蚀射孔封井方法，进行了高压磨料射流冲蚀落鱼钻杆试验研究，以开孔时间和成孔直径为评价指标，分析了射流参数和磨料参数对开孔性能的影响，获得了不同射流压力下磨料射孔的极限喷距图版。结果表明，不同类型磨料的成孔效率不同，磨料的冲蚀破坏能力：金刚砂>陶粒>石英砂，推荐选用硬度较大的金刚砂作为施工磨料；相同射流压力条件下，磨料粒径和磨料体积分数影响开孔效果，推荐工程上采用40~60 目的磨料颗粒，磨料体积分数为6%~8%；减小喷距、增大泵压是提高射孔效率和效果的关键；随着喷射角度的增大，冲蚀效率下降，实际作业中喷射角度建议不超过25°；磨料射流的冲蚀成孔效果随喷距增加而降低，存在极限喷距，预测了10~30 MPa喷射压力下，极限喷距应在24.7~42.5 cm之间；在采取上述措施的前提下，高压磨料射流可在2~4 min射穿⌀127 mm的钻杆本体，10~12 min射穿钻杆接头，成孔直径为11~26.9 mm。研究结果验证了高压磨料射流冲蚀落鱼开孔技术的可行性，可为储气库落鱼型复杂老井封堵提供理论和方法指导。

关键词

储气库 / 老井 / 落鱼 / 磨料射流 / 成孔

Abstract

收起

To address the effective sealing of lost fish boreholes in old wells within gas storage zones，a high‑pressure abrasive jet erosion perforation method was developed.Experimental studies on abrasive jet erosion of lost fish drill pipes were conducted，with perforation time and hole diameter as evaluation indicators.The effects of jet parameters and abrasive parameters on perforation performance were analyzed，and the maximum standoff distance diagrams under different jet pressures were obtained.Results show that different abrasives exhibit varying perforation efficiencies：silicon carbide>ceramic particles>quartz sand，with silicon carbide recommended for its higher hardness.Under the same jet pressure，abrasive particle size （40~60 mesh） and volume fraction （6%~8%） significantly affect perforation quality.Reducing standoff distance and increasing pump pressure are critical for improving efficiency.Erosion efficiency decreases with increasing jet angle （not exceeding 25°）.Abrasive jet perforation effectiveness declines with standoff distance，with maximum standoff distances predicted between 24.7~42.5 cm at 10~30 MPa.The method can perforate ⌀127 mm drill pipe bodies in 2~4 minutes and tool joints in 10~12 minutes，creating holes of 11~26.9 mm diameter.This study validates the feasibility of high‑pressure abrasive jet erosion for lost fish perforation，providing theoretical and methodological guidance for sealing complex old wells in gas storage.

Key words

gas storage / old wells / lost fish / abrasive jet / perforation

引用本文

高玮, 黄中伟, 武晓光, 高清春, 姚建蓬, 赵炎. 高压磨料射流冲蚀储气库区老井落鱼成孔特征研究. 流体机械, 2025 , 53 (4) : 1 -8 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.001

Wei GAO, Zhongwei HUANG, Xiaoguang WU, Qingchun GAO, Jianpeng YAO, Yan ZHAO. Perforation characteristics of lost fish in old gas storage wells by high‑pressure abrasive jet erosion[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (4) : 1 -8 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.001

正文

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0　引言

收起

储气库是天然气产业关键基础设施，其对保障国家能源安全和国计民生作用重大。枯竭油气藏型储气库是我国主要建库类型，具有封闭性良好、建库周期短、注入气利用率高等特点^［1-4］。然而，随着我国天然气需求的增长和储气库建设总体规划的持续推进，规划建库区域内大量废弃老井破坏了地质体的完整性，对储气库的建设和安全运营构成了潜在的安全风险。开展废弃老井的科学高效治理对加快我国储气库建设意义重大。

弃置性永久封堵是废弃老井治理的主要方式^［5-6］。废弃老井封堵施工难度大^［7］，特别是落鱼型废弃老井，由于落鱼长期深埋井下，鱼顶丢失，无法实施打捞作业，其内部水眼成为未来储库内天然气泄漏的重大隐患，亟需开发有效封堵落鱼水眼及井眼环空的方法与技术。

目前，国内储气库落鱼型废弃老井封堵方法一般是利用磁导向^［8］、几何导向^［9］、射孔^［10］等技术完成对落鱼的探测、逼近、伴行和环空导通，并通过定点挤注封堵剂的方式实现治理。然而，传统的火工射孔技术作用于井下落鱼开孔效果不理想。为此，提出了利用高压磨料射流冲蚀落鱼开孔的技术思路，如图1所示。利用射流加速磨料固体颗粒，持续冲击落鱼，实现冲蚀开孔。磨料射流技术^［11-12］是在水射流中混入磨料颗粒而形成固液两相射流，具有成孔直径可控、效率高等技术优势。

为了验证高压磨料射流冲蚀落鱼开孔技术的可行性，以储气库废弃老井典型的钻杆型落鱼为研究对象，开展了高压磨料射流冲蚀钻杆靶件的试验研究，以开孔时间和成孔直径为评价指标，探究高压磨料射流冲蚀钻杆成孔特性，分析不同磨料参数和射流参数对冲蚀成孔性能的影响，优选各参数的最优范围，建立施工参数图版。研究结果可为落鱼型老井有效封堵提供理论依据。

1　磨料射流冲蚀钻杆成孔试验

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1.1　试验材料

用⌀127 mm钻杆加工成管体和接头试验靶件。对钻杆材料进行单轴静力拉伸试验和扭转试验，测试获得平均抗拉强度为3 178.17 kN，平均抗扭强度为100.44 kN·m。

试验中采用陶瓷材质喷嘴，其内径为5 mm，外径为19.4 mm，总长度为16 mm，莫氏硬度9.36，显微硬度5 400~6 300 kg/m²。选择石英砂、金刚砂和陶粒3种磨料，并设计、加工了可调节角度的钻杆专用夹具。

1.2　试验设备

采用自主研发的高压射流综合试验系统^［13-14］，如图2所示。试验系统主要由混砂、动力、岩样夹持、数据采集与控制等单元组成，可以完成清水、磨料浆体等射流试验，最大射流压力70 MPa、排量350 L/min、喷射距离1 000 mm、淹没深度500 mm、磨料体积分数30%、磨料粒径24 目。

1.3　试验方案及步骤

试验方案如表1所示，共计8组、55次。设置1^#试验作为对照组，获得磨料射流冲蚀钻杆管体及接头的成孔特征随喷射时间的演化规律；通过2^#~4^#试验，研究磨料种类、体积分数、粒径对射流冲蚀成孔性能的影响；通过5^#~7^#试验，研究不同喷射距离、压力、角度对射流冲蚀成孔性能的影响；通过8^#试验探究不同喷射压力下的喷嘴极限喷距，形成工艺参数图版，为现场作业提供操作指导。

试验步骤如下：

（1）试验前检查系统各部件，清洗管线并进行压力测试，测试压力约为试验压力的1.2倍；

（2）固定钻杆靶件在夹持装置上，调整喷射距离，随后将作业池注满清水，实现淹没状态；

（3）打开试验系统，按要求设置磨料和射流参数，达到时间后停止；

（4）试验结束后关闭系统，导出试验数据，取出钻杆并拍照记录冲蚀孔径及孔深等参数；

（5）重复上述试验步骤，直至完成所有试验。

2　试验结果与分析

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2.1　磨料射流冲蚀成孔特性

通过1^#试验，得到钻杆靶件成孔深度随喷射时间的变化，如图3所示。

由于2类靶件冲蚀试验设定的射流参数和磨料参数一致，且钻杆管体和接头力学性质相同，因此，在2类靶件未喷穿之前，成孔深度随时间呈现线性增大，成孔速率近乎相同。然而，由于钻杆管体与接头壁厚的差异，导致射穿时间不同，钻杆管体4 min射穿，接头12 min射穿。

钻杆靶件成孔后持续喷射的10 min内，钻杆管体和钻杆接头的孔眼直径均呈现先增大后趋于稳定的变化，如图4所示，在保持相同的射流能量条件下，钻杆管体的孔径大于钻杆接头，有利于增大井下落鱼挤注封堵材料通道的过流面积。因此，现场施工中应避开钻杆接头位置开孔。

2.2　磨料参数的影响

磨料颗粒是钻杆冲蚀成孔的主要介质，磨料参数对射流喷射成孔效率起关键作用。针对磨料种类、磨料体积分数、磨料粒径对钻杆靶件成孔深度和孔眼直径的影响进行研究，优选了磨料种类和参数。

2.2.1　磨料种类

一般情况下，带棱角的磨料颗粒比不带棱角的磨料颗粒破坏能力大。磨料的冲蚀破坏能力随密度和硬度的增加而增加。密度的增加表明相同磨料颗粒数下的质量增大，假定射流参数不变，磨料颗粒获得的总动能增加，冲蚀破坏能力增强。硬度较大的磨料颗粒与钻杆凸面碰撞将会产生较小的变形，按照能量守恒原理，总能量损失较小。

通过2^#试验，得到不同磨料时钻杆靶件成孔深度随喷射时间的变化，如图5所示（图中，虚线对应的深度为钻杆靶件的壁厚，虚线以上区域表示已经实现射穿，下同）。可以看出，金刚砂磨料的冲蚀成孔效果要显著优于陶粒和石英砂，这是由于金刚砂相较于其它磨料具有锋利的棱角，且硬度和密度高于陶粒和石英砂，冲蚀破坏能力更强。

3种磨料射流射穿钻杆靶件后孔眼直径随喷射时间的变化如图6所示。

从图中可以看出，最终成孔直径：金刚砂>陶粒>石英砂，这是因为射流呈喇叭状冲蚀钻杆靶件，磨料射流冲蚀钻杆后会反弹并继续冲蚀窗口外沿，当其他参数一致时，磨料冲蚀动能随质量的增加而增大，进而最终使得孔眼直径增大。但由于射流的扩散角一定，最终成孔直径趋于稳定。

2.2.2　磨料体积分数

增加磨料体积分数可以提高单位时间磨料冲击靶件的次数，当磨料体积分数超过一定数值时，一方面，射流流体运动阻力增大，磨料颗粒速度降低；另一方面，体积分数过大会加剧磨料间干扰，降低冲蚀成孔效果，因而存在最佳磨料体积分数区间。通过3^#试验，得到磨料体积分数对钻杆靶件冲蚀成孔深度的影响，如图7所示。在喷射4 min内，最佳成孔效果的磨料体积分数区间为6%~8%。

在6%~12%区间内，磨料体积分数对成孔后孔眼直径变化的影响较小，如图8所示。而当体积分数低于6%时，此时冲蚀钻杆的主导作用以磨料冲击破坏为主，因此，提高磨料体积分数对成孔直径影响显著。

2.2.3　磨料粒径

通过4^#试验，得到不同磨料粒径（40，60，80，100 目）时，钻杆靶件冲蚀成孔深度随喷射时间的变化，如图9所示。40 目金刚砂磨料可在最短时间内完成对靶体冲蚀成孔，主要是由于随磨料粒径增加，磨料动能显著增大，冲蚀破坏能力增强。

将不同磨料粒径的冲蚀成孔初始时刻分别定义为t₄₀，t₆₀，t₈₀和t₁₀₀，对不同磨料粒径下的成孔钻杆的孔眼进行了持续10 min的喷射，冲蚀孔眼直径随喷射时间的变化如图10所示。可以看出，冲蚀成孔后的孔眼直径随喷射时间的延长逐渐增大，最后趋于稳定。然而，随着磨料粒径的增大，冲蚀钻杆的扩径速率趋于稳定，结合钻杆成孔深度的变化规律，认为40~60 目粒径的磨料可实现较好的冲蚀成孔效果。

2.3　射流参数影响

射流性能参数对钻杆靶件冲蚀成孔效果起主导性作用^［15-18］，针对射流喷射距离、喷射压力和喷射角度对磨料射流冲蚀成孔性能的影响进行研究。

2.3.1　喷射距离

通过5^#试验，得到不同喷射距离（15，20，25，30，35 cm）时，钻杆靶件成孔深度随喷射时间的变化，如图11所示。可以看出，随着喷射距离的不断增大，单位时间内钻杆成孔深度显著降低。

如图12所示，利用数据统计和回归拟合，得知成孔时间T和喷射距离l之间符合幂函数关系，见下式：

T = 9.736 65 × 10 - 5 l 3 . 48

（1）

通过上述试验，再结合实际工程应用，推荐喷距在30~35 cm之间。

2.3.2　喷射压力

通过6^#试验，得到不同射流喷射压力（10，15，20，25，30 MPa）时，钻杆靶件成孔深度随喷射时间的变化，如图13所示。随着喷射压力的升高，高压磨料射流冲蚀破坏能力显著提升，且钻杆靶件冲蚀成孔的趋势相似、效率接近。这是由于受形成孔眼流体的阻滞作用和回流剪切作用的影响，在高压区域，高压磨料射流与孔眼内的能量交换更为显著，极大地消耗了射流的能量，弱化了射流冲蚀破坏能力的提升。通过试验数据的统计和回归拟合，得出钻杆成孔时间与喷射压力间满足负增长的指数函数关系，如图14所示。

2.3.3　喷射角度

通过7^#试验，得到不同喷射角度时，钻杆靶件成孔深度随喷射时间的变化，如图15所示。

随着喷射角度的增大，磨料射流冲蚀能力显著降低。这是因为，随着喷射角度增大，射流在管体中喷射路径也随之延长，射流在狭长的路径中流动阻力提高，因而冲蚀成孔的时间增加。

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，如图16所示。这是由射流的运动轨迹直接导致。

图17示出了喷射角度对钻杆孔眼直径的影响，孔眼直径随着喷射角度的增大而降低。

随喷射角度增加，磨料射流冲击到钻杆凸面的不均匀性增大，射流到达钻杆凸面不同位置的时间不同，局部能量不一致，高能区率先发生持续破坏，故导致了钻杆成孔形状和扩孔形状的不规则特点，如图18所示。

2.4　喷距极限预测

通过8^#试验，开展了不同喷射压力和不同喷射距离下的交叉试验，喷射距离分别为15，20，25，30，35 cm，喷射压力分别为10，15，20，25，30 MPa，得到了25个试验的成孔时间随喷射压力和喷距变化的样条预测插值二维图版，如图19所示。

根据图版预测结果，将成孔时间划分为4个区域（见图19）：①高速成孔区域，即喷射时间小于10 min，该区域主要由高喷射压力（>25 MPa）和小喷射距离（<20 cm）协同作用导致，成孔时间短，效果好；②低速成孔区域，喷射成孔时间预测在10~20 min，该区域主要由低喷射压力降低和喷射距离增加导致；③极限成孔区域，该区域主要为临界条件下的成孔参数配合区，短时间内难以实现对钻杆的冲蚀成孔；④未成孔区域，成孔时间大于30 min，冲蚀成孔无法满足工艺要求。

基于上述分析，最终得到了不同喷射压力和喷射距离配合下的成孔时间，如表2所示。

3　结论

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（1）金刚砂磨料的冲蚀成孔效果显著优于陶粒和石英砂，现场作业推荐选用硬度较大的金刚砂作为磨料；磨料体积分数6%~8%为最佳体积分数区间；磨料粒径在40~60 目，可实现较好的冲蚀开孔效果。

（2）喷射压力的增加、喷射距离的减小，都可显著提升磨料射流冲蚀开孔能力，预测在10~30 MPa喷射压力下，极限喷距应在24.7~42.5 cm之间，形成了工艺图版。

（3）随着喷射角度的增大，单位时间内的钻杆靶件成孔深度逐渐降低，成孔形状不规则，建议现场作业过程中喷射角度<25°。

参考文献

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文献

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排序方式：

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2025年第53卷第4期

102

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.001

接收时间：2024-11-01
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-04-30

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收稿日期：2024-11-01
修回日期：2025-02-25

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¹深层地热富集机理与高效开发全国重点实验室中国石油大学（北京），北京 102249

²中国石油长城钻探工程有限公司，北京 100101

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

序号	试验变量
序号	磨料种类	磨料体积分数/%	磨料粒径/目	喷射距离/cm	喷射压力/MPa	喷射角度/(°)
1^#	金刚砂	10	60	20	20	0
2^#	金刚砂/石英砂/陶粒	10	60	20	20	0
3^#	金刚砂	3，4，6，8，10，12	60	20	20	0
4^#	金刚砂	10	40，60，80，100	20	20	0
5^#	金刚砂	10	60	15，20，25，30，35	20	0
6^#	金刚砂	10	60	20	15，20，25，30，35	0
7^#	金刚砂	10	60	20	20	0，5，10，15，20，25
8^#	金刚砂	10	60	15，20，25，30，35	10，15，20，25，30	0