提高水力噴槍噴嘴施工效率方法探討

張 軍 楊德勇 段 凱 閆玉東 孫建平 田小鈞

（1.川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業(yè)公司，陜西西安 710021；2.長慶油田公司工程監(jiān)督處，陜西西安 710021）

長慶區(qū)域底水油藏水平井數量逐年增多，水平井施工的關鍵工具噴槍受各種因素的影響，經常在噴砂射孔和噴射壓裂1～2 段后，噴槍噴嘴均出現(xiàn)不同程度的損壞［1］，造成現(xiàn)場起管柱更換噴槍，增加了施工成本和延長了施工周期。

1 噴嘴損壞原因分析

通過對2010—2011 年38 套施工1～2 段損壞噴槍的分析研究，發(fā)現(xiàn)噴嘴損壞的位置位于噴嘴本身及噴嘴周圍0.03 m 范圍內，槍體上出現(xiàn)缺噴嘴、噴嘴擴徑、槍體刺穿等現(xiàn)象（見圖1）。

圖1 損壞噴槍的照片

對水力噴射壓裂管柱所受外力分析，發(fā)現(xiàn)噴槍損壞的動力來自2 個方面：一是通過噴嘴的含砂噴射液的磨損和沖擊［2-4］；二是高速射流液的回壓。據此分析造成噴嘴損壞的原因有以下3 點。

（1）噴嘴損壞多數發(fā)生在第1 次噴射施工，損壞原因是磨損和沖擊。38 套損壞量中50%的噴槍是在第2 次噴射施工時噴射壓力達不到要求更換的（圖1a、c、d）。

（2）經過噴嘴的砂量超過60 m3，磨損和回壓損害嚴重，主要是噴嘴擴徑和回流液切割掉噴嘴，達不到噴射壓差要求，無法繼續(xù)使用，占損壞量的45%（圖1b）。

（3）組裝噴槍時，對噴嘴和槍體連接部位沒有進行嚴格的密封處理，高壓下連接部位發(fā)生液體滲漏，導致含砂液將噴嘴刺掉，占損壞量的5%（圖1e）。

根據入井工具加工要求，噴嘴是選用特殊材質制造的［5］，槍體表面進行了熱處理工藝，組裝噴槍時進行了嚴格密封處理。如果加強出廠檢驗，可以完全杜絕組裝引發(fā)的噴槍損壞問題。排除以上損壞因素，影響最大的和最直接的是噴射施工工藝。從施工設計和現(xiàn)場噴嘴使用的每個工藝環(huán)節(jié)入手，尋求解決噴嘴利用率低的問題。

2 噴射施工排量設計

2.1 第1 段噴射施工排量設計

長慶區(qū)域大部分水平井采用?139.7 mm 套管完井，在儲層與井筒之間有水泥環(huán)和套管，噴砂射孔需要的最低能量是將上覆巖石作用下的這層阻擋射開，即噴射開地層存在地面泵車提供一個臨界噴射壓力和臨界排量參數。

在生產實踐中通過提高地面壓裂泵車的輸出排量和壓力（即水馬力）來實現(xiàn)噴槍在井底的射流壓力和水功率［6］。根據理論分析與礦場試驗，噴射過程中的噴射速度、噴射深度之間存在如下關系［1，7-8］

根據地面模擬礦場水力噴射實驗［1-2］結果可知，單槍?6.5 mm 噴嘴在7%～8%的磨料液噴射速度達到117.19 m/s、噴射壓力6.85 MPa 時，才開始對P110 套管進行噴射切割。長慶區(qū)域水平井垂直井深1 950～2 100 m，作用在水平段任一處的靜液柱壓力在20 MPa 左右，噴嘴外噴射流體承受的壓能為26.85 MPa。

根據能量守恒定律，噴射射流液從油管內通過噴嘴將壓能轉化為動能，大部分用來切割套管、水泥環(huán)和地層巖石，還有一部分能量用來克服靜液柱壓力產生的阻力和回流液對射流液的阻力［9-10］。即噴嘴外臨界噴射速度Vth=地面實驗臨界噴射速度+V ′+ V ″。

根據式（3）計算得到噴槍外射流液克服靜液柱壓力產生的速度損失V′=10 m/s。根據式（4）計算得到回流液對射流液的阻力產生的速度損失V″=5 m/s。因此噴槍外射流液進行切割的臨界噴射速度Vth=132.19 m/s。

此外，射流液通過噴嘴產生的壓力損失Δp″和施工相關參數有如下關系［10］

利用臨界噴射速度，由式（5）和式（1）求得通過噴嘴的壓力損失Δp″=3.31 MPa。根據能量守恒定律，由式（6）求得單噴嘴的速度損失Va=2.45 m/s。

全部噴嘴的速度損失Vb為14.7 m/s。水力噴射切割要求的最小速度V0=Vth+Vb=146.89 m/s。根據式（1）求得的臨界噴射施工排量Q=1.755 m3/min，式（2）求得噴射深度L=0.044 5 m。

長慶區(qū)域水平井鉆井基本采用?215.9 mm 鉆頭，從套管到儲層的阻擋層厚度為0.045 8 m。由于環(huán)空膠結水泥強度較P110 套管低，所以實際噴射長度大于0.044 5 m。當地面噴射排量達到1.8 m3/min時，此時求得的噴射深度L =0.045 7 m。因此，利用1.8 m3/min 的噴射排量完全可以射開阻擋層連通油氣層。確定第1 段的噴射排量為1.8 m3/min。

同時，現(xiàn)場實踐證明，對?6.5 mm 噴嘴單槍克服各種阻力射開水泥環(huán)和套管的厚度需要的最低噴射壓力為26.8 MPa（噴射孔時若低于此噴射壓力噴射后大多數層段壓不開）。

2.2 第1 段噴射排量現(xiàn)場噴射壓裂試驗

根據對噴射臨界排量的計算，采用1.8 m3/min進行第1 段噴射施工試驗，控制噴射壓力26.8～29 MPa，現(xiàn)場試驗3 口井21 段水平段，在每口井第2段噴射前檢查噴嘴時發(fā)現(xiàn)壓力仍然能夠維持在27 MPa 以上。第3 口井（5 段）第4 段噴射孔施工中途增加排量幅度太大，導致一個噴嘴憋掉，進行了更換噴槍管柱作業(yè)。通過總結成功的19段噴射壓裂試驗，獲得以下幾點認識。

（1）通過合理降低設計噴射排量，降低噴射液噴射速度，減小了含砂液高速通過噴嘴時對噴嘴的沖擊和磨損；降低了從切割點返回的含砂液速度和回壓，減小了回流液對噴嘴及槍身的沖擊，起到了保護噴嘴和槍體的作用。

（2）噴射時含砂射流液高速通過噴嘴產生的熱量對噴嘴進行加熱，降低排量破壓時噴嘴在施工液體環(huán)境中冷卻，相當于在噴嘴內表面進行了表面淬火處理，增加了硬度和耐磨性。

（3）噴射過程要保持壓力26.8～32 MPa 范圍內。在達到噴射規(guī)定排量前，每次排量增加幅度不宜超過0.2 m3/min，防止猛增排量增大噴射壓差損壞噴嘴，造成施工失敗。

2.3 剩余水平段噴射施工方法

根據以上3 口井的現(xiàn)場試驗總結：在水平井第2～6 段施工時，采用1.8～2.0 m3/min 噴砂射孔，達到能射開阻擋層即可，不追求設計要求的高排量（噴射采用高排量，加砂則采用小砂量低排量），噴射壓力保持27～30 MPa；在第7～8 段施工時，由于噴嘴已擴徑（磨損），適當增加噴射排量，噴射壓力保持26.8～30 MPa；若壓力低于26.8 MPa 就要繼續(xù)提高排量。當排量增加達到3.6 m3/min 時，噴射壓力仍低于26.8 MPa 就要起出管柱更換噴槍。

3 結論

通過利用水力噴射臨界排量和壓力，合理設計噴射排量和壓力，2012 年在長慶區(qū)域52 口8～12 段小砂量水平井的作業(yè)中優(yōu)勢明顯，單井施工減少了1～2 趟更換噴射壓裂管柱作業(yè)，降低了勞動強度和施工成本，提高了生產時效。建議后期對噴嘴內壁和噴嘴外周圍0.03 m 范圍內的噴槍本體上進行抗磨和抗沖擊處理，進一步提高噴嘴和噴槍的使用壽命。

符號說明：

Q 為噴射排量，m3/min（公式（6）中取單位為L/s）；n 為噴嘴數，個；d 為噴嘴直徑，mm；V0為噴射速度，m/s；F ′，F(xiàn) ″為噴射切割力，N/m2；L 為噴射深度，m； Vth為臨界噴射速度，m/s；ρ 為噴射流體密度，g/cm3；ΔVp為噴射孔時由于回流導致的速度損失，m/s； A 為噴嘴總面積，mm2；Δp″為壓裂液過噴嘴前后的壓降，MPa；C 為噴嘴流量系數，一般取0.9；m 為噴射流體的質量，kg；V ′為克服靜液柱壓力產生的速度損失，m/s；t 為碰撞時間，s；V ″為回流液對射流液的阻力產生的速度損失，m/s；Va為通過噴嘴的速度損失，m/s。

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