提高水力噴槍噴嘴施工效率方法探討

張 軍 楊德勇 段 凱 閆玉東 孫建平 田小鈞

（1.川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西西安 710021；2.長慶油田公司工程監(jiān)督處，陜西西安 710021）

長慶區(qū)域底水油藏水平井?dāng)?shù)量逐年增多，水平井施工的關(guān)鍵工具噴槍受各種因素的影響，經(jīng)常在噴砂射孔和噴射壓裂1～2 段后，噴槍噴嘴均出現(xiàn)不同程度的損壞［1］，造成現(xiàn)場起管柱更換噴槍，增加了施工成本和延長了施工周期。

1 噴嘴損壞原因分析

通過對2010—2011 年38 套施工1～2 段損壞噴槍的分析研究，發(fā)現(xiàn)噴嘴損壞的位置位于噴嘴本身及噴嘴周圍0.03 m 范圍內(nèi)，槍體上出現(xiàn)缺噴嘴、噴嘴擴(kuò)徑、槍體刺穿等現(xiàn)象（見圖1）。

圖1 損壞噴槍的照片

對水力噴射壓裂管柱所受外力分析，發(fā)現(xiàn)噴槍損壞的動力來自2 個方面：一是通過噴嘴的含砂噴射液的磨損和沖擊［2-4］；二是高速射流液的回壓。據(jù)此分析造成噴嘴損壞的原因有以下3 點(diǎn)。

（1）噴嘴損壞多數(shù)發(fā)生在第1 次噴射施工，損壞原因是磨損和沖擊。38 套損壞量中50%的噴槍是在第2 次噴射施工時噴射壓力達(dá)不到要求更換的（圖1a、c、d）。

（2）經(jīng)過噴嘴的砂量超過60 m3，磨損和回壓損害嚴(yán)重，主要是噴嘴擴(kuò)徑和回流液切割掉噴嘴，達(dá)不到噴射壓差要求，無法繼續(xù)使用，占損壞量的45%（圖1b）。

（3）組裝噴槍時，對噴嘴和槍體連接部位沒有進(jìn)行嚴(yán)格的密封處理，高壓下連接部位發(fā)生液體滲漏，導(dǎo)致含砂液將噴嘴刺掉，占損壞量的5%（圖1e）。

根據(jù)入井工具加工要求，噴嘴是選用特殊材質(zhì)制造的［5］，槍體表面進(jìn)行了熱處理工藝，組裝噴槍時進(jìn)行了嚴(yán)格密封處理。如果加強(qiáng)出廠檢驗，可以完全杜絕組裝引發(fā)的噴槍損壞問題。排除以上損壞因素，影響最大的和最直接的是噴射施工工藝。從施工設(shè)計和現(xiàn)場噴嘴使用的每個工藝環(huán)節(jié)入手，尋求解決噴嘴利用率低的問題。

2 噴射施工排量設(shè)計

2.1 第1 段噴射施工排量設(shè)計

長慶區(qū)域大部分水平井采用?139.7 mm 套管完井，在儲層與井筒之間有水泥環(huán)和套管，噴砂射孔需要的最低能量是將上覆巖石作用下的這層阻擋射開，即噴射開地層存在地面泵車提供一個臨界噴射壓力和臨界排量參數(shù)。

在生產(chǎn)實(shí)踐中通過提高地面壓裂泵車的輸出排量和壓力（即水馬力）來實(shí)現(xiàn)噴槍在井底的射流壓力和水功率［6］。根據(jù)理論分析與礦場試驗，噴射過程中的噴射速度、噴射深度之間存在如下關(guān)系［1，7-8］

根據(jù)地面模擬礦場水力噴射實(shí)驗［1-2］結(jié)果可知，單槍?6.5 mm 噴嘴在7%～8%的磨料液噴射速度達(dá)到117.19 m/s、噴射壓力6.85 MPa 時，才開始對P110 套管進(jìn)行噴射切割。長慶區(qū)域水平井垂直井深1 950～2 100 m，作用在水平段任一處的靜液柱壓力在20 MPa 左右，噴嘴外噴射流體承受的壓能為26.85 MPa。

根據(jù)能量守恒定律，噴射射流液從油管內(nèi)通過噴嘴將壓能轉(zhuǎn)化為動能，大部分用來切割套管、水泥環(huán)和地層巖石，還有一部分能量用來克服靜液柱壓力產(chǎn)生的阻力和回流液對射流液的阻力［9-10］。即噴嘴外臨界噴射速度Vth=地面實(shí)驗臨界噴射速度+V ′+ V ″。

根據(jù)式（3）計算得到噴槍外射流液克服靜液柱壓力產(chǎn)生的速度損失V′=10 m/s。根據(jù)式（4）計算得到回流液對射流液的阻力產(chǎn)生的速度損失V″=5 m/s。因此噴槍外射流液進(jìn)行切割的臨界噴射速度Vth=132.19 m/s。

此外，射流液通過噴嘴產(chǎn)生的壓力損失Δp″和施工相關(guān)參數(shù)有如下關(guān)系［10］

利用臨界噴射速度，由式（5）和式（1）求得通過噴嘴的壓力損失Δp″=3.31 MPa。根據(jù)能量守恒定律，由式（6）求得單噴嘴的速度損失Va=2.45 m/s。

全部噴嘴的速度損失Vb為14.7 m/s。水力噴射切割要求的最小速度V0=Vth+Vb=146.89 m/s。根據(jù)式（1）求得的臨界噴射施工排量Q=1.755 m3/min，式（2）求得噴射深度L=0.044 5 m。

長慶區(qū)域水平井鉆井基本采用?215.9 mm 鉆頭，從套管到儲層的阻擋層厚度為0.045 8 m。由于環(huán)空膠結(jié)水泥強(qiáng)度較P110 套管低，所以實(shí)際噴射長度大于0.044 5 m。當(dāng)?shù)孛鎳娚渑帕窟_(dá)到1.8 m3/min時，此時求得的噴射深度L =0.045 7 m。因此，利用1.8 m3/min 的噴射排量完全可以射開阻擋層連通油氣層。確定第1 段的噴射排量為1.8 m3/min。

同時，現(xiàn)場實(shí)踐證明，對?6.5 mm 噴嘴單槍克服各種阻力射開水泥環(huán)和套管的厚度需要的最低噴射壓力為26.8 MPa（噴射孔時若低于此噴射壓力噴射后大多數(shù)層段壓不開）。

2.2 第1 段噴射排量現(xiàn)場噴射壓裂試驗

根據(jù)對噴射臨界排量的計算，采用1.8 m3/min進(jìn)行第1 段噴射施工試驗，控制噴射壓力26.8～29 MPa，現(xiàn)場試驗3 口井21 段水平段，在每口井第2段噴射前檢查噴嘴時發(fā)現(xiàn)壓力仍然能夠維持在27 MPa 以上。第3 口井（5 段）第4 段噴射孔施工中途增加排量幅度太大，導(dǎo)致一個噴嘴憋掉，進(jìn)行了更換噴槍管柱作業(yè)。通過總結(jié)成功的19段噴射壓裂試驗，獲得以下幾點(diǎn)認(rèn)識。

（1）通過合理降低設(shè)計噴射排量，降低噴射液噴射速度，減小了含砂液高速通過噴嘴時對噴嘴的沖擊和磨損；降低了從切割點(diǎn)返回的含砂液速度和回壓，減小了回流液對噴嘴及槍身的沖擊，起到了保護(hù)噴嘴和槍體的作用。

（2）噴射時含砂射流液高速通過噴嘴產(chǎn)生的熱量對噴嘴進(jìn)行加熱，降低排量破壓時噴嘴在施工液體環(huán)境中冷卻，相當(dāng)于在噴嘴內(nèi)表面進(jìn)行了表面淬火處理，增加了硬度和耐磨性。

（3）噴射過程要保持壓力26.8～32 MPa 范圍內(nèi)。在達(dá)到噴射規(guī)定排量前，每次排量增加幅度不宜超過0.2 m3/min，防止猛增排量增大噴射壓差損壞噴嘴，造成施工失敗。

2.3 剩余水平段噴射施工方法

根據(jù)以上3 口井的現(xiàn)場試驗總結(jié)：在水平井第2～6 段施工時，采用1.8～2.0 m3/min 噴砂射孔，達(dá)到能射開阻擋層即可，不追求設(shè)計要求的高排量（噴射采用高排量，加砂則采用小砂量低排量），噴射壓力保持27～30 MPa；在第7～8 段施工時，由于噴嘴已擴(kuò)徑（磨損），適當(dāng)增加噴射排量，噴射壓力保持26.8～30 MPa；若壓力低于26.8 MPa 就要繼續(xù)提高排量。當(dāng)排量增加達(dá)到3.6 m3/min 時，噴射壓力仍低于26.8 MPa 就要起出管柱更換噴槍。

3 結(jié)論

通過利用水力噴射臨界排量和壓力，合理設(shè)計噴射排量和壓力，2012 年在長慶區(qū)域52 口8～12 段小砂量水平井的作業(yè)中優(yōu)勢明顯，單井施工減少了1～2 趟更換噴射壓裂管柱作業(yè)，降低了勞動強(qiáng)度和施工成本，提高了生產(chǎn)時效。建議后期對噴嘴內(nèi)壁和噴嘴外周圍0.03 m 范圍內(nèi)的噴槍本體上進(jìn)行抗磨和抗沖擊處理，進(jìn)一步提高噴嘴和噴槍的使用壽命。

符號說明：

Q 為噴射排量，m3/min（公式（6）中取單位為L/s）；n 為噴嘴數(shù)，個；d 為噴嘴直徑，mm；V0為噴射速度，m/s；F ′，F(xiàn) ″為噴射切割力，N/m2；L 為噴射深度，m； Vth為臨界噴射速度，m/s；ρ 為噴射流體密度，g/cm3；ΔVp為噴射孔時由于回流導(dǎo)致的速度損失，m/s； A 為噴嘴總面積，mm2；Δp″為壓裂液過噴嘴前后的壓降，MPa；C 為噴嘴流量系數(shù)，一般取0.9；m 為噴射流體的質(zhì)量，kg；V ′為克服靜液柱壓力產(chǎn)生的速度損失，m/s；t 為碰撞時間，s；V ″為回流液對射流液的阻力產(chǎn)生的速度損失，m/s；Va為通過噴嘴的速度損失，m/s。

［1］ 李憲文，陳生圣，趙文軫.水力噴砂射孔壓裂噴嘴的損傷試驗與分析［J］.石油礦場機(jī)械，2009，38（2）：42-46.

［2］ 付鋼旦，李憲文，任勇，等.水力噴砂射孔參數(shù)優(yōu)化室內(nèi)實(shí)驗研究［J］.特種油氣藏，2011，18（3）：97-99.

［3］ 曲海，李根生，黃中偉，等.水力噴射壓裂孔內(nèi)壓力分布研究［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，33（4）：85-88.

［4］ 曲海，李根生，黃中偉，等.水力噴射壓裂孔道內(nèi)部增壓機(jī)制［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，34（5）：73-76.

［5］ 丁青山，薜啟龍，官偉，等.水力分段射孔壓裂噴射器試驗及應(yīng)用研究［J］.石油機(jī)械，2012，40（3）：96-99.

［6］ 田守嶒，李根生，黃中偉，等.水力噴射壓裂機(jī)理與技術(shù)研究進(jìn)展［J］.石油鉆采工藝，2008，30（1）：58-62.

［7］ 李根生，夏強(qiáng)，黃中偉，等.深井水力噴射壓裂可行性分析及設(shè)計計算［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（5）：58-62.

［8］ 牛繼磊，李根生，宋劍，等.水力噴砂射孔參數(shù)實(shí)驗研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2003，31（2）：14-16.

［9］ 夏強(qiáng)，黃中偉，李根生，等.水力噴射孔內(nèi)射流增壓規(guī)律試驗研究［J］.流體力學(xué)，2009，37（2）：1-5.

［10］ 曲海，李根生，樊永明，等.水力噴射壓裂工藝在?101.6 mm 套管井中的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2011，33（3）：55-57.