護(hù)套式壓裂噴砂器的研制與應(yīng)用

劉海龍，張 鵬，郭 雄，趙云峰，張 勇，海沙爾，董小衛(wèi)

1中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院 2中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司

0 引言

中國非常規(guī)油氣資源豐富，具有很大的開發(fā)潛能。非常規(guī)油氣由于具有儲層致密、物性差和豐度低等特點，采用常規(guī)開采技術(shù)無法達(dá)到有效開發(fā)的目的，直井分層壓裂是實現(xiàn)非常規(guī)油氣藏均勻充分改造、提高油氣井產(chǎn)量的主要措施之一[1-6]。其中油管封隔器+壓裂噴砂器管柱具有工藝簡單、施工成本低、機(jī)械封隔效果好等優(yōu)點，是國內(nèi)外常用的直井分層壓裂管柱技術(shù)。該管柱主要由封隔器、噴砂器、水力錨、安全接頭等工具組成，通過投球自下而上依次開啟各級噴砂器進(jìn)行分層壓裂[7-9]。隨著油田勘探開發(fā)的深入，儲層物性逐漸變差，壓裂施工排量和加砂量不斷增大，高速攜砂液對噴砂器、壓裂管柱和油層套管的沖蝕磨損日益嚴(yán)重，甚至造成噴砂器斷脫、壓裂管柱落井和套管破損等事故，極大地影響了施工安全和井筒完整性[10-11]。

針對上述問題，國內(nèi)外對噴砂器固液兩相流沖蝕磨損規(guī)律進(jìn)行了研究。王尊策等人[12-13]提出材料沖蝕的微觀切割理論和沖蝕變形磨損理論，較好地解釋塑性材料的沖蝕；同時，研究了壓裂液含砂濃度、粒徑等因素對壓裂管道沖蝕磨損的影響，基于多相流模型和沖刷磨損模型預(yù)測壓裂管柱擴(kuò)徑結(jié)構(gòu)的磨損規(guī)律；趙云婷、楊浩、劉躍寶[14-16]等建立了沖蝕模型，并將沖蝕模型應(yīng)用到CFD得到的流場中，借助Fluent中的散相模型，計算噴砂器結(jié)構(gòu)在不同速度下及含砂量下的最大沖蝕磨損量。目前國內(nèi)外應(yīng)用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究方法，開展了對噴砂器沖蝕機(jī)理的研究，但對如何提高噴砂器的抗沖蝕性能研究較少。本文設(shè)計了一種護(hù)套式壓裂噴砂器，攜砂液從噴砂口噴出后經(jīng)過護(hù)套轉(zhuǎn)向平行進(jìn)入井筒，減小了對套管的直接沖蝕；通過分析噴砂器內(nèi)部流體分布情況，對關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，同時優(yōu)選了表面強(qiáng)化處理工藝，提高了噴砂器本體抗沖蝕性能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，護(hù)套式壓裂噴砂器由上接頭、中心管(含噴砂孔)、滑套、護(hù)套、彈性爪和下接頭等部分組成。滑套通過剪釘固定在中心管上封堵噴砂孔，同時將彈性爪和下接頭連接在一起。工作時通過油管連接壓裂底閥、封隔器、噴砂器、水力錨等工具下入井中，提放油管或油管打壓坐封封隔器，進(jìn)行第一層壓裂作業(yè)；然后油管內(nèi)依次投入對應(yīng)尺寸的球到滑套上，油管憋壓剪斷剪釘，球推動滑套下行漏出噴砂孔，此時壓裂液通過噴砂孔噴出至護(hù)套轉(zhuǎn)向后進(jìn)入上部層段進(jìn)行壓裂作業(yè)；施工完成后上提油管可將噴砂器上接頭、中心管和護(hù)套提出，對剩余管柱魚頂進(jìn)行沖砂清洗后再下入專用打撈工具撈出下部管柱，可防止壓裂沉砂造成砂埋管柱風(fēng)險。

圖1 護(hù)套式壓裂噴砂器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 關(guān)鍵部位優(yōu)化設(shè)計

利用ANSYS有限元分析軟件對噴砂器進(jìn)行建模分析，由于噴砂器在壓裂過程主要起到為壓裂提供過液通道的作用，在壓裂過程中，投球打開滑套，壓裂液轉(zhuǎn)向上層，因此選擇噴砂孔上部分建立模型，如圖2所示。利用FLUENT軟件中的離散相模型、沖蝕磨損模型，對噴砂器的內(nèi)部流場及內(nèi)外壁的磨損規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，分析噴砂器易被沖蝕磨損的可能部位和沖蝕磨損規(guī)律，如圖3所示。理想情況下，兩噴砂孔過液流速均勻，兩側(cè)磨損部分基本呈對稱分布，不會出現(xiàn)明顯的偏磨。在噴砂器噴砂孔出口處和護(hù)套底部壓裂液流動渦量最大，產(chǎn)生漩渦最多，這是因為在噴砂孔出口處，壓裂液的流動狀態(tài)發(fā)生改變，在噴砂孔出口處壓裂液的流速和方向發(fā)生變化，高速流渦量增大，容易在護(hù)套底部和噴砂孔出口處發(fā)生較嚴(yán)重的沖蝕。

圖2 護(hù)套噴砂器有限元模型

圖3 護(hù)套噴砂器內(nèi)流體流動軌跡

通過對流體分布規(guī)律的模擬，見圖4所示，發(fā)現(xiàn)壓裂液在油管內(nèi)流動均勻，噴砂孔出口處壓裂液主要集中在護(hù)套上端，壓裂液體積分?jǐn)?shù)達(dá)到98%，這因為在滑套下端和噴砂孔出口處流體流動情況復(fù)雜，渦流嚴(yán)重，在該部分分布較多的漩渦，漩渦處壓裂液流速不連續(xù)，壓裂砂隨壓裂液流動時沖量增大，從而加速壓裂滑套的中心管和護(hù)套底部的沖蝕。

圖4 護(hù)套噴砂器內(nèi)流體分布圖

根據(jù)上述分析結(jié)果，在噴砂器噴砂口外部設(shè)計了楔形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，如圖5所示。由圖5可以看出，改變了攜砂壓裂液對護(hù)套和中心管的沖蝕角度，降低了流體渦量，減緩了壓裂液對護(hù)套和中心管的沖蝕速率。

圖5 噴砂器噴砂口外部楔形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)示意圖

通過模擬，采用直角結(jié)構(gòu)護(hù)套最大沖蝕速率為6.78×10-6kg/m2·s-1，而采用導(dǎo)流結(jié)構(gòu)最大沖蝕速率為2.19×10-6kg/m2·s-1，降低約三分之二，如圖6、圖7所示。

圖6 直角結(jié)構(gòu)噴砂器沖蝕云圖

圖7 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)噴砂器沖蝕云圖

2 表面強(qiáng)化處理工藝研究

為進(jìn)一步提高噴砂器抗沖蝕性能，調(diào)研對比了4種材料表面強(qiáng)化處理工藝，見表1所示，綜合考慮表面硬度、處理層厚度、加工難度成本等因素，優(yōu)選出合金鋼表面滲碳淬火作為噴砂器中心管和護(hù)套表面的強(qiáng)化處理工藝。滲碳工藝是將低碳鋼或低合金鋼置入滲碳爐中，加入具有活性的滲碳介質(zhì)，加熱到900～950 ℃的單相奧氏體區(qū)，保溫足夠時間后，使?jié)B碳介質(zhì)中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層，從而獲得表層高碳，心部仍保持原有成分，可以提高表面硬度和耐磨性，同時心部仍保持較好的韌性。高級滲碳鋼滲碳后變形量大，尤其是中心管內(nèi)表面及開孔處變形量大，導(dǎo)致中心管內(nèi)表面與滑套無法配合密封，且兩端螺紋無法連接。為此設(shè)計了專門的加工工藝，通過反復(fù)試驗確定了合理的加工余量，首先將粗加工的零件進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，然后再使用特殊的鉆頭和磨具對密封面和螺紋處進(jìn)行精加工。

表1 不同表面強(qiáng)化處理工藝對比表

根據(jù)護(hù)套式壓裂噴砂器使用的工況，優(yōu)選了高級滲碳鋼20CrMnTi作為中心管和護(hù)套的基體材料。20CrMnTi[17]是一種低碳合金鋼，工藝性能較好，鍛造后以正火來改善其切削加工性，具有較高的機(jī)械性能，經(jīng)過滲碳淬火低溫回火后，其機(jī)械性能的抗拉強(qiáng)度≥1 100 MPa、屈服強(qiáng)度≥850 MPa、延伸率≥10%、斷面收縮率≥45%，沖擊韌性≥680。此外，該低碳鋼還具有較好的淬透性，由于該低碳鋼中所含的Ti元素的影響，對過熱不敏感，故在滲碳后可直接降溫淬火，并且滲碳速度較快，過渡層較均勻。對熱處理后的工件進(jìn)行檢測，其檢測結(jié)果見表2、圖8。

如表2所示，20CrMnTi工件經(jīng)滲碳處理后，由于不同深度滲碳量的差別，其硬度隨著檢測深度增大而減小，表面最大硬度可達(dá)HV800以上，且硬度超過HV550的滲層厚度可達(dá)1 mm左右，可以滿足噴砂器大排量、長時間的抗沖蝕需求。

表2 20CrMnTi滲碳管體表面硬度檢測結(jié)果

圖8 表面滲碳硬化層金相顯微組織圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用

截止2022年，該噴砂器已在新疆油田現(xiàn)場應(yīng)用300余口井，施工成功率100%。最大施工排量4.5 m3/min，最大加砂量51 m3，見表3所示。

表3 不同護(hù)套式壓裂噴砂器現(xiàn)場應(yīng)用典型井施工統(tǒng)計表

與常規(guī)護(hù)套式噴砂器相比，采用楔形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和表面滲碳淬火強(qiáng)化處理后，噴砂器抗沖蝕性能明顯提高，有利于實現(xiàn)直井大規(guī)模充分改造同時保證壓裂管柱安全，見圖9所示。

圖9 不同護(hù)套式壓裂噴砂器使用后對比

4 結(jié)論

(1)采用楔形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以改變攜砂液對工具表面的沖蝕角度，降低流體渦量，進(jìn)而減小對工具的沖蝕速度。

(2)合金鋼表面滲碳淬火強(qiáng)化工藝具有表面硬度高、硬化層厚度大、易加工、成本低等特點，是一種提高井下工具抗沖蝕性能的有效手段。

(3)研制的護(hù)套式壓裂噴砂器能夠滿足直井大規(guī)模分層壓裂需求，可以顯著提高壓裂管柱安全性同時有效降低攜砂液對套管的直接沖蝕損傷。