水力噴砂噴嘴損傷試驗(yàn)及分析

杜衛(wèi)剛，陶嘉陽(yáng)，鮑永強(qiáng)，馬妍，陳星，謝夢(mèng)春

1.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司 天津分公司（天津 300457）2.中海油田服務(wù)股份有限公司 中東公司（天津 300457）3.中海油管服務(wù)股份有限公司 鉆井事業(yè)部（天津 300457）

水力噴砂射孔壓裂是一種集射孔、壓裂和隔離于一體的新型儲(chǔ)層增產(chǎn)改造技術(shù)[1]，一趟管柱可以實(shí)現(xiàn)多段儲(chǔ)層改造，與常規(guī)射孔壓裂工藝相比較，射孔深度大、孔眼周圍無(wú)壓實(shí)帶，且由于高速射流可實(shí)現(xiàn)自封隔，不需要對(duì)已壓開的其他井段進(jìn)行封堵，壓裂作業(yè)快速高效[2]，是提高低滲油藏增產(chǎn)、開發(fā)的重要手段。

水力噴砂射孔壓裂工藝中，水力噴嘴是射孔工具的核心部件，在整個(gè)施工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，將噴嘴前的高壓流體轉(zhuǎn)換為噴嘴出口的高速流體，實(shí)現(xiàn)切割套管和儲(chǔ)層的作用。由于射孔磨料、壓裂液、支撐劑均需以較高壓力和排量通過(guò)噴嘴，進(jìn)入地層和裂縫中，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中噴嘴沖蝕嚴(yán)重、內(nèi)部流道變形、噴嘴脫落，嚴(yán)重降低噴嘴的沖蝕切割能力[3],對(duì)壓裂施工的順利進(jìn)行以及施工效果產(chǎn)生很大的影響。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工噴嘴的損壞情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)噴嘴的損壞一般有三種情況：噴嘴從噴槍本體脫落、噴嘴出口單方向切割嚴(yán)重?fù)p壞，噴嘴本體擴(kuò)徑等現(xiàn)象。噴嘴的損壞原因比較復(fù)雜，主要的失效原因是磨損，磨損的主要方式包括微切削、微變形、疲勞和擴(kuò)散等[4]。影響磨損程度的主要原因有噴嘴的材料本身性能、噴嘴加工設(shè)計(jì)參數(shù)、噴嘴安裝位置、流經(jīng)噴嘴磨料參數(shù)、射流流體參數(shù)等。程新穎通過(guò)研究結(jié)果表明,圓弧形噴嘴的射流質(zhì)量?jī)?yōu)于常用的錐直形噴嘴,通過(guò)對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,可有效提高噴嘴射流質(zhì)量[5],崔璐等通過(guò)計(jì)算結(jié)果表明,噴砂射孔時(shí),下游噴嘴的顆粒含量大于上游噴嘴的顆粒含量,下游噴嘴入口區(qū)域的沖蝕損傷更為嚴(yán)重[6]，史懷忠等通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明在排量3 m3/min、砂比10%的工況下,噴嘴內(nèi)壁的破壞形式以微切削和疲勞損傷為主,噴嘴出口處脆性破壞明顯，噴嘴直徑及噴嘴質(zhì)量與磨蝕時(shí)間具有明顯的線性關(guān)系[7]。

從現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用的角度考慮，在基于對(duì)噴嘴磨損因素分析的基礎(chǔ)上，為了提高水力噴砂射孔施工效率以及噴嘴的使用壽命，模擬現(xiàn)場(chǎng)施工，重點(diǎn)驗(yàn)證磨料類型、射流壓力、安裝方式，施工參數(shù)等因素對(duì)噴嘴磨損情況的影響。通過(guò)對(duì)影響噴嘴壽命的因素進(jìn)行分析總結(jié)，以期為現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 噴嘴噴施試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)流程

水力噴砂噴嘴失效原因論證流程如圖1 所示，模擬現(xiàn)場(chǎng)施工流程。首先施工液體經(jīng)過(guò)混砂裝置和磨料混合經(jīng)高壓泵加壓產(chǎn)生高速混合液，混合液經(jīng)過(guò)高壓管線到達(dá)水力噴砂射孔工具，從噴嘴射出切割套管，實(shí)現(xiàn)水力噴砂射孔。整個(gè)試驗(yàn)流程裝有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)。為了更好驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)采用相同的噴嘴，不考慮噴嘴本身材料屬相及設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖1 水力噴砂射孔壓裂施工噴嘴失效原因論證流程圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 壓裂橇

壓裂橇為2000 型三柱塞泵，最高工作壓力85 MPa，其主要作用為液體加壓，產(chǎn)生滿足施工壓力、排量要求的高壓水射流。

1.2.2 混砂橇

混砂橇用于將液體和石英砂或陶粒、添加劑（液體或固體）按一定比例均勻混合，可向施工中的壓裂橇以一定壓力泵送不同比例、不同黏度的液體進(jìn)行噴砂射孔、壓裂施工，由發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，最大排量12 m3/min。

1.2.3 數(shù)據(jù)采集橇

數(shù)據(jù)采集橇配有2 套采集系統(tǒng)，可采集施工壓力、瞬時(shí)排量、砂量、砂濃度等32組施工數(shù)據(jù)，1套施工現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程操作壓裂泵，具有施工控制、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、分析能力。

1.2.4 工具組合

高壓工具組合采用兩種結(jié)構(gòu)工具，一種為螺旋噴槍，6 個(gè)噴嘴為360°螺旋分布，另一種為水平噴槍，6噴嘴在一個(gè)平面內(nèi)相間60°。同時(shí)準(zhǔn)備管線過(guò)濾網(wǎng)、水力錨、專用夾持裝置等工具。

2 試驗(yàn)過(guò)程、結(jié)果及分析

2.1 磨料類型

采用20～40目、40～60目石英砂和陶粒分別進(jìn)行測(cè)試，共分為4組，統(tǒng)一進(jìn)行相同的壓力、排量、砂濃度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果兩兩對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同樣目數(shù)的石英砂和陶粒，石英砂對(duì)噴嘴的磨損大于陶粒，這是因?yàn)槭⑸盀椴灰?guī)則形狀，在撞擊噴嘴時(shí)，由于接觸面積小應(yīng)力大，更容易對(duì)噴嘴造成破損，而陶粒為接近球狀外結(jié)構(gòu)，對(duì)噴嘴的磨損較小，說(shuō)明越尖銳、不規(guī)則的對(duì)噴嘴的磨損更大。

對(duì)比20～40 目、40～60 目的石英砂和陶粒的兩組測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，20～40目的磨料對(duì)噴嘴的損傷大于40～60 目的磨料，這是因?yàn)榱叫r(shí)，其本身具有的沖擊力較小，對(duì)噴嘴的撞擊磨損較小，而粒徑大的沖擊力大，能夠?qū)娮毂砻嬖斐筛蟮膫Α?/p>

在壓力排量不變，逐步提高砂濃度后發(fā)現(xiàn)40～60 目的磨料比20～40 目的磨料對(duì)噴嘴的磨損更明顯，這是因?yàn)樵谏皾舛纫欢ǖ那闆r下，粒徑大的磨料，磨料數(shù)量少，從噴嘴噴出時(shí)撞擊磨損噴嘴內(nèi)壁的磨料數(shù)量少于粒徑小的磨料，噴嘴磨損較小。但當(dāng)砂濃度逐漸提高以后，20～40目陶粒下的噴嘴磨損上升緩慢，40～60 上升迅速并趨于緩和，砂濃度與噴嘴的磨損沒有直接的比例關(guān)系，砂濃度較大時(shí)磨損極為嚴(yán)重，與李智等的研究一致[8]。

2.2 泵注壓力

在砂比5%和排量1 m3/min的情況下，使用石英砂作為切割磨料，泵注壓力逐漸的提高，通過(guò)視頻監(jiān)控計(jì)量割開139.7 mm（5?″）套管的時(shí)間。統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 水力噴砂射孔射開139.7 mm（5?″）套管時(shí)間數(shù)據(jù)

從表1 可以看出隨著泵壓的提高，割開套管的時(shí)間逐漸縮短，但泵壓對(duì)射孔效果并沒有明顯的縮小，但對(duì)噴嘴的沖擊效果明顯加大,這與張軍等人的總結(jié)一致，高排量高壓力會(huì)對(duì)噴嘴壽命造成影響[9]?？紤]到噴嘴的壽命和現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，泵壓不宜過(guò)高，達(dá)到射孔壓力稍大即可。

2.3 安裝方式

試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)施工，采用現(xiàn)場(chǎng)常用244.475 mm（9?″）套管（鋼級(jí)P110，壁厚11.99 mm），管柱結(jié)構(gòu)（自下而上）：球座+噴槍+總成+連接頭+水力錨+油管。施工排量0.5～1.1 m3/min，砂液比5%，加砂6 min后，施工壓力由17 MPa下降到13.8 MPa，判斷噴砂工具異常，檢查后發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)噴嘴斷裂，如圖2 所示，套管上有3 個(gè)孔，更換噴嘴后再次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)緊貼套管壁的3 個(gè)噴嘴斷裂，另個(gè)3 個(gè)噴嘴良好。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于模擬試驗(yàn)采用吊車懸空進(jìn)行施工，與施工時(shí)井下有上千米的緩沖和幾十噸管柱的拖曳有很大區(qū)別，噴槍不居正，泵注脈沖及流體剪切帶動(dòng)管柱抖動(dòng)，導(dǎo)致橫向旋轉(zhuǎn)，碰撞套管壁，撞擊造成噴嘴脫落，同時(shí)噴槍表面有沖蝕，這與黃中偉等研究的反濺液體會(huì)對(duì)噴槍本體造成沖蝕一致[10]。為達(dá)到與井下相同效果，地面試驗(yàn)必須進(jìn)行管柱和噴槍地固定。

圖2 噴嘴斷裂圖

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，制作出夾持裝置，如圖3 所示，將套管靶件買入地下，中部套管用頂絲固定，噴砂工具頂部同樣固定。然后同樣工具組合試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程順利，結(jié)束后檢查噴槍完好，重復(fù)試驗(yàn)兩次，噴嘴依然完好，有輕微的擴(kuò)徑和磨痕，可以達(dá)到噴砂壓力要求還可繼續(xù)使用。試驗(yàn)證明，噴射工具晃動(dòng)、碰撞時(shí)造成噴嘴脫落和損壞的主要原因。因此在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)建議工具底部帶扶正器，工具頂部帶水力錨或扶正器，保證工具居中受力均勻。

圖3 套管靶件固定裝置

2.4 施工類型

根據(jù)直井噴砂射孔的壓力、排量、時(shí)間，增加水平井的模擬，合理的設(shè)計(jì)水平井噴砂排量和壓力，發(fā)現(xiàn)9個(gè)噴嘴在設(shè)計(jì)施工排量2.2 m3/min，噴嘴壓降在25～30 MPa 范圍在水平井施工中優(yōu)勢(shì)明顯，不僅比射孔時(shí)間縮短，噴嘴使用壽命更長(zhǎng)。

2.5 其他因素

在試驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)液體的固相含量，會(huì)影響噴嘴的使用壽命。設(shè)備中鐵銹、磨料中大顆粒碎渣、雜質(zhì)等很容易造成噴嘴暫時(shí)性堵塞，導(dǎo)致反向射流造成高頻撞擊效應(yīng)，噴嘴斷裂，特別是鐵銹，堵塞其中一個(gè)噴嘴后由于反向射流的作用力使得噴槍不居中受力不均，噴嘴硬度高，脆性高，如果與套管壁碰撞容易導(dǎo)致噴嘴斷裂、脫落。因此在高壓管線入口增加高壓過(guò)濾裝置，可以有效地過(guò)濾掉液體中的雜質(zhì)，防止噴嘴堵塞，如圖4所示。

圖4 高壓過(guò)濾裝置及其效果圖

因試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件有限，未考慮到圍壓對(duì)噴砂效果及噴嘴磨損的影響。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)圍壓對(duì)射孔及巖石穿透能力有很大影響，隨著圍壓的增加，水力噴砂射孔的深度逐漸降低。

3 結(jié)論及建議

1）水力噴砂射孔能力隨著壓力和排量的提高而提高，但到達(dá)一定壓力后提高緩慢，同時(shí)噴嘴磨損明顯增加，保證施工效果的情況下，因選取合適的壓力和排量，提高噴嘴使用壽命。

2）噴嘴磨損一般隨著磨料的硬度增加而增加，不規(guī)則磨料對(duì)噴嘴的磨損更嚴(yán)重，綜合考慮施工成本及材料來(lái)源等，石英砂作為磨料效果相對(duì)較佳。

3）噴砂工具的居中對(duì)噴嘴及工具壽命影響較大，現(xiàn)場(chǎng)建議使用扶正器、水力錨等工具避免噴射工具的晃動(dòng)及撞擊。

4）液體中的雜質(zhì)會(huì)堵塞噴嘴影響噴砂使用壽命，建議使用清潔液體并安裝過(guò)濾裝置。