水刀随着油田开发的不断深入，油气井含水上升、产量递减，开发难度增大。对因固井质量差或油水同层、油层小而薄的井，不宜实施常规射孔和压裂改造增产；对污染堵塞严重的低渗透油井，常规射孔作业和压裂改造难以取得满意效果。为了解决这类油井的增产问题，进行有效的挖潜作业，提高油藏最终采收率，磨料射流射孔是一种可选择的油井增产方法【25-27]。磨料射流是20世纪80年代初发展起来的切割破岩新技术，它是通过喷嘴喷射高速磨料工作液，高效切割金属和岩石材料。磨料射流射孔是利用地面压裂车将混有一定浓度石英砂的水砂浆打压，通过油管泵送至井下，水砂浆通过井下射孔工具的喷嘴喷射出高速射流，射穿套管和近井地层，创造出一定直径和深度的射孔孔眼，从而疏松近井地层，增加近井地层渗透率，提高油井产量和压裂改造效果。

   在井下喷砂射孔是先切割套管（延性材料），然后切割近井地层岩石（脆性材料）。

    1．水力喷砂切割套管

    在井下水力喷砂射孔初期，水射流夹带石英砂颗粒垂直冲击套管表面。根据冲蚀磨损理论，在砂粒入射能量大到足以使套管表面产生塑性变形的情况下，套管表面冲蚀的典型形状是唇形压坑。在压坑附近的亚表层中形成应变层，一部分材料被挤压到坑四周形成凸起唇缘。

    石英砂粒一般具有负前角，法向冲击难以一次切削材料，只能推挤材料或犁沟材料而变形，产生凸起或唇缘。每种材料都具有一定的延伸极限，当砂粒一次或多次冲击使材料变形且变形程度超过材料允许的延伸极限后，便会在材料表面产生裂纹，相当于粒子对套管表面的“锻造”过程。反复锻打挤压变形导致材料呈片状脱落，表现为压坑一形唇锻打一剥落的变形磨损机理。同时，在冲蚀坑内，飞溅返回的砂粒反复以小冲击角切削，形成犁沟。

    影响水力喷砂射孔切割套管的因素主要有：砂粒冲击速度、砂粒含量、砂粒磨料性质和套管材料性质。砂粒的冲击速度取决于喷射压力及喷嘴直径等因素，反映了砂粒的冲击动能。试验表明，冲蚀量或冲蚀深度通常与冲击速度的1. 5-4.0次方成正比，砂粒含量反映单位时间内砂粒的冲击密度和频率，取决于单位时间砂粒供给量。砂粒磨料性质包括砂粒密度、硬度、粒度、圆球度等，中等粒度(0. 4-0. 8mm)的磨料比细与粗两种磨料的效果更好。套管材料性质主要体现在局部抗冲击变形能力，屈服强度是一个重要指标。其他影响因素还包括冲击角度、喷距、流体特性等。

    2．水力喷砂切割岩石

    水力喷砂切割穿透套管后即直接冲蚀切割水泥环和近井地层岩石。水力喷砂对岩石这种脆性材料的冲蚀机理远比对套管这种延性材料复杂得多。某些研究已经揭示了磨粒冲击脆性材料的破坏形式是产生赫兹锥状裂纹、径向裂纹和横向裂纹的形式。冲击初期，强大的冲击载荷产生的拉应力将首先在岩石表面引起环状的赫兹锥形裂纹。然后，随着接触力的增加，砂粒冲击的正下方将产生塑性变形，切向应力分量引起一系列垂直于冲击表面的径向裂纹。在冲击的后期，砂粒开始卸载并离开岩石时，残余应力会形成一系列近似平行于冲击表面的横向裂纹。这些横向裂纹延伸到岩石表面，引起破碎屑或称破碎坑。在中等压力(50MPa)下，砂粒的冲击速度将大大超过使岩石破碎的极限速度，因而可有效切割和破碎岩石。在砂粒冲击岩石产生裂纹的同时，水流在水楔压力作用下挤入裂纹，起到延伸和扩展裂纹的附加作用，从而增强冲蚀破碎能力。

    影响水力喷砂射孔切割破碎岩石的因素主要有：流体参数、工作参数、磨料特性和岩石特性。

    流体参数的影响受压力（或喷射速度）和喷嘴直径控制。切割岩石深度随压力的增加近似线性增加，存在一个临界门限压力，低于门限压力就不能再切割岩石。较大的喷嘴直径能增加切割深度，因为磨料射流的有效速度增加。

    工作参数的影响表现为冲击角度及供砂量的影响。最佳冲击角度可取80。，尽可能减小切割面的弯曲，增加垂直作用在深度方向上的分力。应根据最大切割深度、喷嘴磨损、成本等综合考虑合适的供砂速率，以体积浓度在5%-10%为宜。

    磨料特性参数的影响主要体现在对砂粒硬度、粒度、类型、圆度等的影响。硬度的影响是指磨粒抵抗因冲击力而破碎的能力，基本要求是磨粒的“硬度”应高于切割岩石的硬度。磨粒的粒度应以中等粒度(0. 4-0. 8mm)为好。对大多数磨料，有锐角的颗粒切割效果比球状颗粒好，而对于石英砂，球状颗粒反而切深大，这是因为球状砂粒抵抗冲击破碎的能力强。岩石特性参数中，抗拉强度、断裂韧性、杨氏模量对水力喷砂切割深度的影响最明显。相反，对纯水射流切割影响较大的岩石参数，如渗透率和粒径等对喷砂切割影响不明显。

    1．实验设备

    根据试验要求，自行设计并研制的一整套实验设备主要包括射流箱、围压罐、加砂罐（高压）等。图16 - 44是实验设备的组成简图。本实验所采用的喷嘴为硬质合金喷嘴。

    2．岩样研制

    针对于实验的要求，制作了水泥砂岩样。经测试，决定主要采用1:2和1:3砂灰比的岩样。

    为了便于观察试验结果，采用多段式岩样。共制作了60块岩样，岩样长为20cm，直径16. 5cm。

    3．实验过程

    用岩样架夹紧分段式岩样使其间隔尽量减小。在第一段岩样射穿后，连续喷射第二段岩样。实验共包括常压下和围压下2大类，常压下实验于射流箱中完成；围压部分在围压罐中完成。由调压阀实现压力的调节，排量的变化是指在压力不变时，不同喷嘴内径下的流量变化。排量的改变由调节喷嘴尺寸实现。

    1．压力的影响

    曲线可以看出，随着压力的升高破碎深度明显增加，且根据对岩样的观察可以看出孔径也随着压力的升高而明显变大。在试验过程中还发现当压力越高时，第一块岩样破裂的可能性越大，而且发生破裂后，由于碎块之间相互碰撞、摩擦而呈球状。

    2．排量的影响

    随着排量的增加，射孔深度显著增加。很明显，当排量由153L/min增加到213L/min时，尽管压力下降了10MPa，但破碎深度却相差不大。

    根据对岩样的观察，当用大排量低压力来进行射孔时，所射出的孔径明显变大，且破碎情况有所改善，基本上没有大的碎块产生，另外，孔中基本没有残留砂粒堆积。

    3．磨料的影响

    在同样压力和排量的情况下，石榴石的冲击深度要比石英砂的冲击深度大的多。这主要是因为石榴石的硬度较大且带棱角。根据已经得到证实的切割理论，磨料的切割能力随硬度的增加而增加，而且对于像石榴石这样的硬度较大的磨料带棱角的要比不带棱角的切割能力大的多。

    本试验还发现：磨料的重复切削和射孔效果有很大关系。经试验得出：当孔洞清洁性好时，不仅磨料的冲击深度会加深，且达到相同射孔深度所需的时间也大大降低。

    4．磨料浓度的影响

    在一定的压力和排量下存在着一个最佳磨料浓度，而且随着压力的增高其最佳磨料浓度也相应增加。最佳浓度值范围为6%-8%。试验表明，磨料的最佳浓度值与磨料性质，切割材料的性质以及水力喷砂射流的水力能量等因素有直接关系。

    5．粒度的影响

    射孔深度没有随着磨料直径的增加而相应的持续增加，相反在增加到一定程度后反而有下降趋势。这表明存在着一个最佳的磨料粒度值。本试验条件下粒度值为0.4-0.6。

6．围压的影响

在其他的条件完全相同时，有围压时的射孔深度要大大降低。例如围压为8.5MPa时，射孔深度从无围压时的23. 4cm迅速减少到9cm。

    7．岩性的影响

 岩性对水力喷砂射流射孔能力有较大的影响。

    1．磨料射流射孔方案设计

磨料射流射孔除了需考虑以上7个参数的影响之外，现场施工还需设计喷射排量、喷射时间、喷射层段、喷枪数目、喷射工作液、喷射管柱强度6个参数。

工作液不仅要求具有一定的携砂能力，是沿程阻力较小的液体．并且要特别重视对油层的保护工作。黏度应要求达到20～40MPa／。以上，以保证携砂性能。

    推荐的施工配方如下：稠化剂HPG浓度为0.2% -0.5%；防膨剂KCI浓度为1%～2%或DTE 0.2%-0. 3%。必要时可以加入杀菌剂、破乳剂等。

喷枪位置的准确程度对于喷砂射孔是至关重要的，同时由于管柱承受较高的内压，管柱强度的校核是极为重要的。油管柱的伸长（即射孔管柱）主要包括虎克伸长、螺曲效应伸长、鼓胀伸长、温度效应伸长，所以应进行井筒温度场、压力场、油管柱受力分析计算。

    2．施工工序

    (1)通井检查套管是否破损；

    (2)洗井2周，用防膨液替出井筒内液体；

    (3)下人喷枪及施工管柱；

    (4)进行磁定位校深，保证喷枪下到正确位置；

    (5)安装满足要求的井口，井口要用绷绳加固；

    (6)接好地面管线，走泵试压合格后，打开油管和套管闸门，

    (7)前置液试喷，根据试喷情况可现场调整施工排量；

    (8)携砂液喷砂射孔；

    (9)顶替携砂液出井筒；

    (10)必要时可以在顶替干净后关环空对产层进行高压挤注增产。

    (11)关油、套管闸门，施工结束。

    3．现场试验及结果分析

现场共试验10口井11井次，包括胜利油田施工6口井，四川超深、中深气田施工2口井，广西雷公油田施工2口井、3井次，现场取得了较好的应用效果，其中川孝93井是目前完成的国内外最深的水力喷砂射孔井。根据现场施工试验，喷砂射孔能在目的层喷出清洁渗流通道，能够降低破裂压力5-10MPa，射孔位置误差小于0.1m，对于油井的生产起到了很好的增产作用。磨料射流射孔现场应用结果分析。

该技术可用于：不宜压裂井的射孔增产；低渗透地层改造；水力喷砂割缝增产；定向水刀喷射压裂改造；喷砂处理水泥塞和坚硬地层。