水力噴射工具失效原因分析

陳 誠

（川慶鉆探長慶井下隴東項目部，甘肅 慶城 745113）

水力噴射分段壓裂是集射孔、壓裂、隔離一體化的增產措施，專用噴射工具適合分段、分層作業，無需機械封隔，準確造縫、有效隔離、一趟管柱多段壓裂。

1 水力噴射的原理

水力射孔是根據動能—壓能轉化原理，利用高壓水射流沖擊巖層，當高速水流沖擊接觸到巖石后速度突然降為0，其動能轉化為水壓能，引起巖層破碎應力，繼續沖擊則達到射孔的目的。為了提高射孔的效率，在水流中加入砂粒，利用砂粒來沖擊、切割巖石，這大大提高了沖擊破碎效果。由于流體中含有石英砂，高速流動的含砂流體可以輕易射穿套管，然后以較高速度沖擊破碎油氣儲層巖石，形成多個一定直徑和深度的噴射孔道。

2 水力噴射壓裂工具的判斷

水力噴射壓裂工具的結構組成由導向絲堵、眼管、單流閥、封隔器和噴射器組成。在水力噴射壓裂過程中容易失效的工具是噴射器、封隔器和單流閥。

圖1

2.1 噴射器的判斷

在排量一定的情況下，通過節流壓差來判斷噴射器是否完好。噴射器的噴嘴由于在使用后磨損導致出口截面積變大，噴射出的液體流速達不到要求，無法產生有效的沖擊力去射穿套管、破碎油氣儲層巖石，而導致壓裂不成功。

Q=εφAPV20，Q=CdAPV20

Ap：噴嘴橫截面積

定義噴嘴的流量系數Cd=εφ，其物理意義是實際流體流過噴嘴的流量與理想流體流過噴嘴的流量之比。其值小于1，也小于等于噴嘴的速度系數。

上式表明，當d變大時ΔP變小，當ΔP遠遠小于正常范圍時可以判斷為噴射器失效。

2.2 封隔器的判斷

在施工開始前（除水平井第一段），在給予一定的排量，能滿足封隔器坐封的條件下，關閉套管，若壓力迅速上升，到達25MPa，停泵，壓力無明顯下降，穩壓5min，則封隔器有效工作。若壓力上升緩慢，且能持續注入液體，或停泵后壓力迅速下降，則封隔器失效。

2.3 單流閥的判斷

當起泵反沖，返出排量受泵車泵入排量影響較小或無影響，泵壓較大，此時無法通過單流閥建立有效循環，可判斷單流閥失效。

3 水力噴射工具失效原因分析

3.1 噴射器失效原因分析

噴射器失效的主要表現是磨損、沖蝕和脫落。

噴射器失效主要是由于噴嘴內流體處于湍流狀態，所以砂粒具有較大的橫向速度，與噴嘴內表面形成碰撞、沖蝕；液體和砂粒通過噴嘴射向套管后反濺，沖蝕噴射器本體；在壓裂完成后，放噴時，地層流體快速流出，液體攜帶砂粒高速沖擊噴射器本體；水平井反沖時需要更大的排量，單流閥失效時，液體經過噴嘴時會產生較大的節流壓差，導致噴嘴脫落。

3.2 封隔器失效原因分析

封隔器失效的主要表現是膠筒破損、斷裂。

封隔器失效主要是由于封隔器坐封在套管接箍上，施工時油管來回伸縮蠕動；壓后調整鉆具時，封隔器周圍沉砂卡封，超過正常懸重10kN以上多次活動鉆具；在下鉆過程中未控制下鉆速度；在壓裂過程中，部分地層由于無法形成有效裂縫，需向地層擠入酸或前置液封隔器長時間在高壓狀態下工作；在噴砂射孔壓裂時，管柱受壓力影響，至使管柱伸長水力射孔位置下移，施工完成后管柱收縮，放噴時，地層流體快速流出，液體攜帶砂粒高速沖蝕封隔器本體，導致封隔器損壞。

3.3 單流閥失效原因分析

單流閥失效的主要表現是鋼球卡死。

單流閥失效主要是由于單流閥設計不合理球座錐度小，施工時受高壓影響，鋼球卡死在球座上。

4 控制措施

（1）噴射器失效的控制措施：應取得套管數據，調整噴點位置避開套管接箍；噴砂射孔按設計時間施工；在放噴初期時，按要求裝油咀放噴；大排量反循環洗井時，壓力不超過15.0MPa；采用環空加砂油管補液的方式壓裂，減少噴嘴的過砂量。

（2）封隔器失效的控制措施：在下鉆過程中控制下鉆速度小于0.5m/s；大型壓裂施工結束后，應關井1h以上，在放噴初期時，按要求裝油咀放噴；大排量反循環洗井；上提鉆具時，若懸重異常升高1-3kN時應下放鉆具進行沖洗后再進行起鉆。

（3）單流閥失效的控制措施：使用大錐度和大直徑鋼球的單流閥球座。

5 結論和建議

水力噴射壓裂技術是結合水力射孔和水力壓裂技術的新型增產措施。本文通過現場的實際應用，來分析判斷壓裂工具失效原因，得出以下結論：

（1）合理的放噴制度對延長工具壽命至關重要，壓裂施工結束后，應關井1h以上，等待地層閉合，防止地層吐砂。在放噴時，根據壓力，按要求更換4-6-8-10-12mm油咀，進行放噴，當壓力低于5MPa時，排量在800L/min以上反循環洗井，壓力不超過15.0MPa。

（2）取得套管數據，調整噴點位置避開套管接箍，噴點在套管接箍以下2-3m為最佳，避免造成射孔效果不好。

（3）在下鉆過程中控制下鉆速度小于0.5m/s；上提鉆具，若懸重異常升高1-3kN時，下放鉆具進行沖洗徹底后再進行起鉆。避免操作不當損傷封隔器。

（4）噴槍上下、井口接抗沖蝕短節，能有效的預防油管被沖蝕。

（5）套管加砂減少了噴射器噴嘴的過砂量，降低了噴嘴的磨損，有效的延長了噴射器的使用壽命。

（6）建議提高套管的鋼級強度。