水力噴射壓裂工具存在問題及完善

錢國全，儲明來，陳碧波

（中石化江蘇油田工程院，江蘇揚州225009）

水力噴射壓裂工具存在問題及完善

錢國全，儲明來，陳碧波

（中石化江蘇油田工程院，江蘇揚州225009）

水力噴射壓裂技術(shù)是集水力射孔、壓裂、封隔一體化的增產(chǎn)改造新技術(shù)，井下工具是該技術(shù)成功實施的關(guān)鍵。江蘇油田利用該技術(shù)已經(jīng)壓裂44口井、89段，成功率達96.7%。對于不成功的井，或技術(shù)實施成功、中途遇到異常的井，對井下工具進行重點分析，總結(jié)工具的磨損規(guī)律，對滑套密封不嚴(yán)、噴嘴磨損嚴(yán)重、保護蓋板脫落、本體外表反濺傷害嚴(yán)重、施工壓力異常等情況進行舉例分析，結(jié)合理論研究，提出工具改進措施，有效提高了工具的使用壽命和水力噴射壓裂的成功率。

水力噴射；噴砂射孔；壓裂；噴槍；現(xiàn)場應(yīng)用

為了提高油田的開發(fā)效益，最大限度發(fā)揮油藏的開發(fā)潛能，江蘇油田引進了水力噴射分段壓裂技術(shù)，該技術(shù)是集水力射孔、壓裂、隔離一體化的新型增產(chǎn)改造技術(shù)，無需機械分隔就可以實現(xiàn)準(zhǔn)確定點造縫，能夠一趟管柱壓裂多段目的，節(jié)省作業(yè)時間，降低作業(yè)風(fēng)險等優(yōu)點[1]。該技術(shù)首先利用磨料（石英砂）射流進行噴砂射孔，然后再泵入壓裂液及支撐劑實施壓裂，所需液體均通過噴嘴噴射進入地層及裂縫，因此，對井下工具會產(chǎn)生不可避免的磨損，嚴(yán)重時可導(dǎo)致噴嘴脫落、本體刺漏等情況發(fā)生，影響該技術(shù)的順利實施。針對井下工具磨損原因及規(guī)律，通過改進工具的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，提高工具的使用壽命和水力噴射壓裂的成功率。

1 水力噴射井下工具結(jié)構(gòu)

噴槍是實現(xiàn)水力噴射壓裂的最關(guān)鍵部件，它是由噴槍本體、鑲嵌在本體上的多個錐形流道噴嘴和用于抵抗射流返濺及保護噴嘴的防濺塊等部件組成（見圖1）。噴嘴分布在上下兩個平面120°沿圓周均布。噴槍內(nèi)置由剪切銷釘固定的滑套，當(dāng)壓裂其他層段時，滑套處于封堵噴嘴的狀態(tài)；當(dāng)需要壓裂此層段時，只需投入壓裂用球，加壓剪斷銷釘后滑套下行，噴嘴開啟，球與球座密封，堵住向下流道。噴砂射孔階段，油套環(huán)空處于開啟狀態(tài)，液體自環(huán)空返回地面；噴射壓裂階段，由環(huán)空泵注的基液隨同油管內(nèi)噴射的攜砂液一起通過射孔孔道進入地層。

圖1 水力噴射壓裂工具示意圖

2 在現(xiàn)場應(yīng)用中遇到的問題分析及改進

2.1 噴嘴磨損原因分析及改進

噴嘴是水力噴射壓裂工具的核心部件，是能量轉(zhuǎn)換的工具，不僅要滿足噴射的要求，還要盡可能的減小節(jié)流壓差以減弱流體對噴嘴的磨蝕[3]。目前，江蘇油田已經(jīng)使用水力噴射壓裂工具89段，噴嘴534只，其中噴嘴完全脫落1只，嚴(yán)重損壞3只，圓柱段直徑擴大5%以上的13只，余下的517只噴嘴的圓柱段直徑擴大量都在5%以內(nèi)，占總使用噴嘴數(shù)量的96.8%（見圖2）。

圖2 不同損傷程度噴嘴示例

噴嘴的腐蝕是以高速磨料粒子對噴嘴的沖蝕和管壁反濺傷害為主，磨損擴徑和疲勞損壞是噴嘴失效的主要形式。提高噴嘴的噴射效率，減少噴嘴對射流的損耗，降低噴嘴壓降和提升噴嘴材質(zhì)，是降低噴嘴磨損的根本辦法。通過對比不同結(jié)構(gòu)噴嘴的性能參數(shù)，得出最優(yōu)的噴嘴結(jié)構(gòu)為流線形或等變速形噴嘴，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以加工，因此在等變速形噴嘴的基礎(chǔ)上發(fā)展出錐直型噴嘴，舍棄了一些性能參數(shù)，但仍可以達到噴砂射流的要求。錐直型噴嘴的內(nèi)流道是錐形收縮段加圓柱形段，圓柱段流道內(nèi)徑相同，其截面收縮系數(shù)為1，這樣噴嘴的流量系數(shù)就等于速度系數(shù)，從而提高了噴嘴的流量系數(shù)和能量轉(zhuǎn)換效率；一定長度的圓柱流道，可使磨料得到更充分的加速，從而提高射流的沖擊力[6]。

為了提高噴嘴的耐磨性，在常用的合金、陶瓷、金屬等材料中優(yōu)選。為避免噴嘴在工作中受砂粒沖擊而發(fā)生顯微切削磨損，應(yīng)選用硬度較高的材料，但材料硬度高的噴嘴更加容易出現(xiàn)疲勞斷裂和脆性斷裂，所以還需要材料具有較好的韌性。目前水力噴射壓裂技術(shù)中用來制備噴嘴的材料主要是硬度高而韌性好的硬質(zhì)合金鋼。

2.2 保護蓋板沖蝕原因分析與改進

保護蓋板是設(shè)計在噴嘴外部，保護噴嘴不被反濺的高速流體傷害的保護措施，也是現(xiàn)場使用中出現(xiàn)脫落、損壞現(xiàn)象最多的部件，保護蓋板的損壞直接導(dǎo)致噴嘴暴露在高速流體反濺傷害范圍內(nèi)，加速了噴嘴的沖蝕，大大降低了工具的使用壽命，更為嚴(yán)重的是，脫落的保護蓋板可能直接卡等扶正器等位置，造成卡管柱事故。據(jù)統(tǒng)計，在已經(jīng)使用的89段水力噴射壓裂工具中，有32段出現(xiàn)過個別保護蓋板脫落或損壞現(xiàn)象，特別集中出現(xiàn)在未加改進之前。

在前期設(shè)計中，噴嘴的保護蓋板主要通過專用膠粘貼在工具本體表面，但專用膠的性能容易受外部使用環(huán)境的影響，特別對耐酸性和耐溫性要求較高，保護蓋板脫落比例高，后期不斷改進蓋板結(jié)構(gòu)，增加固定措施，現(xiàn)在發(fā)展出一體化蓋板，大大降低了保護蓋板的損壞率，提高噴嘴和整體管柱的安全性。

2.3 工具本體磨損原因分析

工具本體的腐蝕磨損和保護蓋板的磨損相似，都主要是由于高速射流的反濺傷害造成。在已使用的水力噴射壓裂工具中，工具本體大都存在深淺不一的損傷，在設(shè)計時已經(jīng)考慮本體損傷和承壓要求，材料優(yōu)選為35CrMo，工具內(nèi)外表面滲氮處理，深度0.8 mm～1.2 mm，進一步提高其耐沖蝕性能，目前沒有出現(xiàn)本體刺漏事故。

同時在已使用的工具中發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)射孔完井，并且地層膠結(jié)較為疏松或天然裂縫較為發(fā)育的井中，工具本體的傷害可能會集中在一個點上，并會同時伴隨壓力施工偏低的現(xiàn)象。分析認為：此類沖蝕是由于噴嘴的高速射流沖擊進入地層孔眼后，由于孔內(nèi)的增壓效應(yīng)[5]，部分射流繞過地層或天然裂縫并由套管原有射孔返回環(huán)空，從而對油管或噴槍本體產(chǎn)生了二次沖蝕。因此，在已經(jīng)進行過常規(guī)射孔的老井中實施水力噴砂射孔，不僅要注意對噴槍本體的防護，還要加強對與之相連的油管耐沖蝕防護，以免油管被刺穿。

2.4 滑套損傷原因分析及改進

在已經(jīng)使用的89段工具中，僅有1次滑套損傷現(xiàn)象，但有4次球座（包括單向閥）不密封現(xiàn)象，分析認為滑套的損傷主要因為球與球座不密封，造成壓裂液沖刷球座形成溝槽，導(dǎo)致更加不密封的惡性循環(huán)。球與球座不密封情況也有可能因為球座上有死油等雜物造成。

為了解決密封性的問題，改進滑套球座的結(jié)構(gòu)，使之與球形成面密封。為了防止球座沖蝕嚴(yán)重，在球座表面鍍一層耐磨材料。為了保證滑套打開后的動態(tài)密封，將銷釘槽設(shè)計在下密封槽的上部，防止銷釘剪斷后，將密封膠圈刮破。同時對于死油較多的井，在壓裂前洗井，防止球座有污垢。

2.5 壓裂時壓力異常情況分析及應(yīng)對措施

（1）滑套無法打開，或打開時壓力變化不明顯：常見原因有球沒有坐封，或者銷釘提前剪斷。球沒有坐封很可能球座上存在異物，曾在韋8平2井由于壓裂泵車密封鋼圈掉入油管內(nèi)，造成球無法坐封現(xiàn)象。剪切銷釘由于存在材料的誤差，每換一批材料時，進行一次剪切試驗，以達到剪切壓力的準(zhǔn)確，目前沒有發(fā)生過剪切銷釘提前剪斷的情況。

（2）噴砂射孔時，異常高壓：最常見原因是噴嘴孔眼堵塞。噴嘴的壓降與噴孔總面積的平方成反比，以常見的6個6 mm的噴嘴組合為例，在2.5 m3/min排量下，如果一個噴嘴被堵死，壓降將會上升17 MPa[9]。江蘇油田有一口壓裂井，其他工具的塑料標(biāo)簽紙進入油管，堵住一只噴嘴，造成施工時異常高壓。

（3）噴砂射孔時，異常低壓：球座密封不嚴(yán)，或者噴砂時間長，噴嘴直徑擴大甚至脫落。

（4）噴砂壓裂時，異常高壓：除去地層原因外，套管沒有被射開或者由于管柱蠕動造成[10]。因此在下工具時，應(yīng)避開套管接箍位置；噴砂射孔階段的排量壓力與噴砂壓裂階段的排量壓力保持一致，以防壓力波動造成管柱伸長量的變化。

（5）噴砂壓裂時，異常低壓：地層松軟或存在裂縫，或者老井已經(jīng)射孔完井，造成近井地帶循環(huán)連通。

3 結(jié)論

（1）實施水力噴射壓裂時，噴嘴的磨損主要由高速磨料造成的，保護蓋板和工具本體的損傷主要在噴砂射孔階段，由高速射流在套管內(nèi)壁上的反濺造成。

（2）在膠結(jié)疏松且已射孔的老井中實施該技術(shù)時，高速磨料射流有可能進入地層后，再由相鄰的射孔孔眼返回井筒，對井中的油管或噴槍外表面形成二次沖蝕。

（3）加強施工管理，防止異物等進入井筒，造成人為異常。

（4）隨著現(xiàn)場對壓裂段數(shù)、加砂規(guī)模等需求的不斷增加，對井下工具壽命的要求也隨之提高，研究結(jié)果可為現(xiàn)場施工和今后水力噴射壓裂工具進一步改進提供實際參考。

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TE934.2

A

1673-5285（2016）01-0027-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.01.007

2015－11-27

錢國全，男（1987-），工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）石油工程專業(yè)。