水力噴射工具失效原因分析

陳 誠

（川慶鉆探長慶井下隴東項(xiàng)目部，甘肅 慶城 745113）

水力噴射分段壓裂是集射孔、壓裂、隔離一體化的增產(chǎn)措施，專用噴射工具適合分段、分層作業(yè)，無需機(jī)械封隔，準(zhǔn)確造縫、有效隔離、一趟管柱多段壓裂。

1 水力噴射的原理

水力射孔是根據(jù)動(dòng)能—壓能轉(zhuǎn)化原理，利用高壓水射流沖擊巖層，當(dāng)高速水流沖擊接觸到巖石后速度突然降為0，其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為水壓能，引起巖層破碎應(yīng)力，繼續(xù)沖擊則達(dá)到射孔的目的。為了提高射孔的效率，在水流中加入砂粒，利用砂粒來沖擊、切割巖石，這大大提高了沖擊破碎效果。由于流體中含有石英砂，高速流動(dòng)的含砂流體可以輕易射穿套管，然后以較高速度沖擊破碎油氣儲(chǔ)層巖石，形成多個(gè)一定直徑和深度的噴射孔道。

2 水力噴射壓裂工具的判斷

水力噴射壓裂工具的結(jié)構(gòu)組成由導(dǎo)向絲堵、眼管、單流閥、封隔器和噴射器組成。在水力噴射壓裂過程中容易失效的工具是噴射器、封隔器和單流閥。

圖1

2.1 噴射器的判斷

在排量一定的情況下，通過節(jié)流壓差來判斷噴射器是否完好。噴射器的噴嘴由于在使用后磨損導(dǎo)致出口截面積變大，噴射出的液體流速達(dá)不到要求，無法產(chǎn)生有效的沖擊力去射穿套管、破碎油氣儲(chǔ)層巖石，而導(dǎo)致壓裂不成功。

Q=εφAPV20，Q=CdAPV20

Ap：噴嘴橫截面積

定義噴嘴的流量系數(shù)Cd=εφ，其物理意義是實(shí)際流體流過噴嘴的流量與理想流體流過噴嘴的流量之比。其值小于1，也小于等于噴嘴的速度系數(shù)。

上式表明，當(dāng)d變大時(shí)ΔP變小，當(dāng)ΔP遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常范圍時(shí)可以判斷為噴射器失效。

2.2 封隔器的判斷

在施工開始前（除水平井第一段），在給予一定的排量，能滿足封隔器坐封的條件下，關(guān)閉套管，若壓力迅速上升，到達(dá)25MPa，停泵，壓力無明顯下降，穩(wěn)壓5min，則封隔器有效工作。若壓力上升緩慢，且能持續(xù)注入液體，或停泵后壓力迅速下降，則封隔器失效。

2.3 單流閥的判斷

當(dāng)起泵反沖，返出排量受泵車泵入排量影響較小或無影響，泵壓較大，此時(shí)無法通過單流閥建立有效循環(huán)，可判斷單流閥失效。

3 水力噴射工具失效原因分析

3.1 噴射器失效原因分析

噴射器失效的主要表現(xiàn)是磨損、沖蝕和脫落。

噴射器失效主要是由于噴嘴內(nèi)流體處于湍流狀態(tài)，所以砂粒具有較大的橫向速度，與噴嘴內(nèi)表面形成碰撞、沖蝕；液體和砂粒通過噴嘴射向套管后反濺，沖蝕噴射器本體；在壓裂完成后，放噴時(shí)，地層流體快速流出，液體攜帶砂粒高速?zèng)_擊噴射器本體；水平井反沖時(shí)需要更大的排量，單流閥失效時(shí)，液體經(jīng)過噴嘴時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的節(jié)流壓差，導(dǎo)致噴嘴脫落。

3.2 封隔器失效原因分析

封隔器失效的主要表現(xiàn)是膠筒破損、斷裂。

封隔器失效主要是由于封隔器坐封在套管接箍上，施工時(shí)油管來回伸縮蠕動(dòng)；壓后調(diào)整鉆具時(shí)，封隔器周圍沉砂卡封，超過正常懸重10kN以上多次活動(dòng)鉆具；在下鉆過程中未控制下鉆速度；在壓裂過程中，部分地層由于無法形成有效裂縫，需向地層擠入酸或前置液封隔器長時(shí)間在高壓狀態(tài)下工作；在噴砂射孔壓裂時(shí)，管柱受壓力影響，至使管柱伸長水力射孔位置下移，施工完成后管柱收縮，放噴時(shí)，地層流體快速流出，液體攜帶砂粒高速?zèng)_蝕封隔器本體，導(dǎo)致封隔器損壞。

3.3 單流閥失效原因分析

單流閥失效的主要表現(xiàn)是鋼球卡死。

單流閥失效主要是由于單流閥設(shè)計(jì)不合理球座錐度小，施工時(shí)受高壓影響，鋼球卡死在球座上。

4 控制措施

（1）噴射器失效的控制措施：應(yīng)取得套管數(shù)據(jù)，調(diào)整噴點(diǎn)位置避開套管接箍；噴砂射孔按設(shè)計(jì)時(shí)間施工；在放噴初期時(shí)，按要求裝油咀放噴；大排量反循環(huán)洗井時(shí)，壓力不超過15.0MPa；采用環(huán)空加砂油管補(bǔ)液的方式壓裂，減少噴嘴的過砂量。

（2）封隔器失效的控制措施：在下鉆過程中控制下鉆速度小于0.5m/s；大型壓裂施工結(jié)束后，應(yīng)關(guān)井1h以上，在放噴初期時(shí)，按要求裝油咀放噴；大排量反循環(huán)洗井；上提鉆具時(shí)，若懸重異常升高1-3kN時(shí)應(yīng)下放鉆具進(jìn)行沖洗后再進(jìn)行起鉆。

（3）單流閥失效的控制措施：使用大錐度和大直徑鋼球的單流閥球座。

5 結(jié)論和建議

水力噴射壓裂技術(shù)是結(jié)合水力射孔和水力壓裂技術(shù)的新型增產(chǎn)措施。本文通過現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，來分析判斷壓裂工具失效原因，得出以下結(jié)論：

（1）合理的放噴制度對延長工具壽命至關(guān)重要，壓裂施工結(jié)束后，應(yīng)關(guān)井1h以上，等待地層閉合，防止地層吐砂。在放噴時(shí)，根據(jù)壓力，按要求更換4-6-8-10-12mm油咀，進(jìn)行放噴，當(dāng)壓力低于5MPa時(shí)，排量在800L/min以上反循環(huán)洗井，壓力不超過15.0MPa。

（2）取得套管數(shù)據(jù)，調(diào)整噴點(diǎn)位置避開套管接箍，噴點(diǎn)在套管接箍以下2-3m為最佳，避免造成射孔效果不好。

（3）在下鉆過程中控制下鉆速度小于0.5m/s；上提鉆具，若懸重異常升高1-3kN時(shí)，下放鉆具進(jìn)行沖洗徹底后再進(jìn)行起鉆。避免操作不當(dāng)損傷封隔器。

（4）噴槍上下、井口接抗沖蝕短節(jié)，能有效的預(yù)防油管被沖蝕。

（5）套管加砂減少了噴射器噴嘴的過砂量，降低了噴嘴的磨損，有效的延長了噴射器的使用壽命。

（6）建議提高套管的鋼級(jí)強(qiáng)度。