旋轉噴槍噴嘴參數(shù)優(yōu)選研究

曹海燕

（中國石化中原油田分公司石油工程技術研究院，河南濮陽457001）

旋轉噴槍是一種新型井下水力噴射工具，工作時連接在射孔槍下端，以旋轉噴射的方式強力清洗射孔后的炮眼，也可用于旋轉清洗套管內壁［1-3］。 眾多科技工作者研制了各具特色的井下旋轉射流清洗工具，如吉林油田的水力噴射解堵器［4］、江漢機械研究所的旋轉射流除垢工具［5］、中國石油大學（北京）的旋轉射流多孔噴嘴［6］等，其旋轉射流部分均設置在工具的底端，下部無法連接其它工具，而現(xiàn)有的射孔槍只能連接在管柱末端。 為解決此矛盾，設計了一種兩端設有連接接頭的旋轉噴槍工具，可分別連接輸送管柱和射孔槍。

1 旋轉噴槍原理

旋轉噴槍主要由中心管、旋轉套、減阻套和下接頭組成（見圖1）。 中心管的下端與下接頭螺紋密封連接，旋轉套和減阻套套裝在中心管上；噴嘴設置在旋轉套上，包括直噴噴嘴和動力噴嘴。 入井時，中心管的上端與投送管柱連接，下接頭與射孔槍串連接。 工作時，由于中心管和旋轉套之間采用徑向非接觸式密封［1］，漏失量極小，所以井口泵送的液體主要從直噴噴嘴和動力噴嘴處流出，作用在動力噴嘴上的液流形成旋轉扭矩促使旋轉套旋轉，通過直噴噴嘴的液流形成較大射流沖洗力清洗孔眼和套管內壁。 由此可見，旋轉噴槍的設計核心是動力噴嘴和直噴噴嘴的尺寸參數(shù)。

圖1 旋轉噴槍結構

2 水力學理論計算

噴嘴的孔眼大小不僅影響射流噴出速度，還影響噴嘴處管內外壓差，該壓差與連續(xù)油管內的摩阻壓降損失疊加影響整個管柱的承壓能力，所以通過水力學理論確定連續(xù)油管型號及最大施工排量后，初步設定滿足施工要求的直噴噴嘴和動力噴嘴的孔眼直徑及數(shù)量。

2.1 確定連續(xù)油管型號及最大施工排量

連續(xù)油管的型號及地面施工排量直接影響施工摩阻壓降損失ΔP， 而現(xiàn)場作業(yè)要求連續(xù)油管最大工作壓力70 MPa，可通過計算對比確定出合適的連續(xù)油管型號及地面施工排量，PTT 和QT 連續(xù)油管制造廠家推薦摩阻壓降損失ΔP 計算公式如下：

式中，f 為摩阻因子；L 為連續(xù)油管長度，m；ρ 為液體密度，kg/m3；v 為管內液體速度，m/s；D 為連續(xù)油管內徑，m。

根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)有的連續(xù)油管型號， 施工排量范圍0.3～0.6 m3/min， 按照普光氣田連續(xù)油管施工長度6 000 m 計算得到摩阻壓降損失（見表1）。

按照現(xiàn)場作業(yè)要求連續(xù)油管最大工作壓力70 MPa 的要求， 從表1 的計算結果可以得出?31.75 mm 和?38.1 mm 型號的連續(xù)油管不能用于施工作業(yè)，?44.45 mm 連續(xù)油管最大施工排量為0.35 m3/min，?50.8 mm 連續(xù)油管最大施工排量為0.5 m3/min。

2.2 確定噴嘴孔眼直徑

噴嘴的直徑與施工排量和出口速度有關：

其中，Q 為地面施工排量，m3/min；Cd為噴嘴流量系數(shù)， 取值0.85；d當量為噴嘴當量直徑，mm；v 為噴嘴出口速度，最小取值150 m/s。 計算得到允許施工排量0.3～0.5 m3/min 范圍下噴嘴當量直徑取值（見表2）。

表1 不同工況下摩阻壓降損失

表2 不同施工排量下噴嘴的最大當量直徑

根據(jù)上述計算結果，初步設計旋轉噴槍的動力噴嘴的孔眼直徑為2 mm，數(shù)量4 個，直噴噴嘴的孔眼直徑為4 mm， 數(shù)量2 個， 計算當量直徑為6.93 mm， 符合表2 的要求， 施工排量在0.4～0.5 m3/min范圍內。

3 旋轉模擬實驗優(yōu)選動力噴嘴參數(shù)

旋轉噴槍的旋轉速度主要由動力噴嘴產生的旋轉力矩決定，與動力噴嘴的數(shù)量、孔眼直徑和相位角有關。 由于通過簡單的水力學理論計算得到的旋轉速度數(shù)據(jù)和實際差別可能很大，所以設計了旋轉模擬實驗及實驗裝置，通過加工不同參數(shù)的動力噴嘴的旋轉噴槍進行旋轉模擬實驗，根據(jù)實驗的結果來確定動力噴嘴的設計參數(shù)。

3.1 實驗裝置及實驗介紹

旋轉模擬實驗裝置主要由透明實驗套管及直立控制部件、旋轉噴槍提掛短節(jié)、槍身高度控制固定部件、接泵彎頭、盛水箱以及支架等組成（見圖2）。

實驗時，將裝置按圖示結構安裝完畢，接泵打壓模擬旋轉噴射，用MONARCH（蒙那多）PLT200 手持式轉速表測量旋轉套的轉速， 觀察記錄泵壓、排量、轉速。 更換旋轉噴槍或者不同噴嘴的旋轉套重復上述步驟，直至完成動力噴嘴的參數(shù)優(yōu)選。

3.2 實驗結果及分析

圖2 旋轉模擬實驗裝置

旋轉噴槍的旋轉速度主要取決于作用在動力噴嘴上的液流產生的旋轉力矩，即液流作用在動力噴嘴上的旋轉力和相位角產生的力臂的乘積，而旋轉力與動力噴嘴的孔眼直徑和數(shù)量相關，力臂與動力噴嘴的相位角相關。 根據(jù)上述關系，實驗中多次調整動力噴嘴的參數(shù)直至滿足現(xiàn)場應用要求（見表3）。

表3 旋轉實驗結果及分析

續(xù)表3 旋轉實驗結果及分析

第2、3、4 次實驗時，旋轉噴槍均是一開泵就實現(xiàn)旋轉，且轉速迅速穩(wěn)定下來。 從上表可以看出，轉速不僅隨著排量的增加而增大，而且隨著動力噴嘴的相位角的增大而增快。 并且2 個2.5 mm、40°相位角的動力噴嘴，2 個4 mm 的直噴噴嘴的旋轉噴槍在0.4 m3/min 排量下轉速基本在300 r/min 左右。所以優(yōu)選出動力噴嘴的參數(shù)為孔眼直徑2.5 mm、數(shù)量2、相位角40°。

隨后對該噴嘴參數(shù)的旋轉噴槍進行了清洗套管模擬實驗， 在透明套管內側涂抹0.5～1 mm 厚水泥，噴槍旋轉后水泥層被迅速沖掉（見圖3），滿足清洗管壁的要求。

圖3 清洗套管模擬實驗

4 現(xiàn)場應用

普光氣田P101-3 是第一口試驗井， 該井已投產井段成功實施了噴酸及兩級射孔作業(yè)，此次射孔槍的性能參數(shù)略低于投產時的射孔槍參數(shù)，施工時旋轉噴槍的噴射排量達0.2～0.45 m3/min， 措施前油壓10.8 MPa，日產氣27.42×104m3，措施后油壓12.3 MPa，日產氣27.48×104m3，有效降低了產出氣從地層流入井筒的阻力，初步驗證了旋轉噴槍對射孔炮眼的清洗效果，能夠滿足現(xiàn)場應用要求。