水力噴射環(huán)空加砂壓裂噴嘴結構分析與優(yōu)化

(大慶油田 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

近年來，水力噴射環(huán)空加砂壓裂工藝應用日趨廣泛，在射孔過程中，噴嘴是該工藝形成射流的關鍵部件，直接影響著射流質量[1]。用于噴砂射孔的射流質量包括射流速度和射流密集性以及壓降損失[2]。在相同的流動條件下，由于噴嘴結構的差異，可以引起射流品質的不同，為了判別噴嘴結構的性能，找出衡量噴嘴結構的準則是十分重要的。油田常用的噴嘴為錐直形噴嘴，但對于一些巖石硬度高的地層，在射孔過程中，錐直形噴嘴的射流速度以及射流密集性射穿地層困難，并且射穿時間長，在相同工況條件下，要求泵壓高。為了提高射流質量，有必要研究新型噴嘴，并對噴嘴的主要結構參數(shù)(出口直徑，直柱段長度、入口曲線半徑)進行優(yōu)化，以得到最優(yōu)的射流質量。

1 噴嘴結構及參數(shù)

1.1 結構

在工作過程中，每個噴嘴如同一個“射流泵”，射孔液經(jīng)過噴射器進入噴嘴，噴嘴內(nèi)液體產(chǎn)生的最高射流速度，用于射開套管和地層，實現(xiàn)射孔、壓裂施工一體化。噴嘴的整體結構簡單，外部設計成階梯式或等徑式，以便安裝于噴搶中。噴嘴內(nèi)部流道形狀主要是收縮式，分為直線形和曲線形，如圖1所示。

a 直形噴嘴 b 曲線形噴嘴

1.2 關鍵技術及參數(shù)

噴嘴的關鍵技術在于獲得最優(yōu)射流質量。對于直線形噴嘴，在水力噴砂射孔過程中常用錐直形噴嘴[3]；對于曲線形噴嘴，在射孔過程中要求射流質量高，流量系數(shù)高、擴散角大。因此，優(yōu)選了圓弧形噴嘴[4]，如表1所示。噴嘴的結構參數(shù)主要為噴嘴入口直徑、出口直徑、水平長度、入口收縮角/入口曲線直徑以及直柱段長度，如表2所示。不同的結構參數(shù)對應不同的射流質量，通過仿真研究，找出獲得最高射流質量的結構參數(shù)[5]。

表1 不同曲線流道噴嘴性能對比

表2 噴嘴幾何參數(shù)

2 噴嘴流道流場仿真試驗

2.1 仿真模型

將噴嘴模形設置為淹沒條件下的自由射流，模型左側為0.024 m×0.08 m噴嘴內(nèi)部流場，右側為0.024 m×0.12 m的外部射流區(qū)域[6]。應用CFD軟件Fluent進行仿真分析[7-8]，排量為1.0 m3/min，速度入口邊界為2.3 m/s，壓力出口為出口邊界條件。采用k-epsilon湍流模形；并采用Simple算法且都取二階迎風格式[9-10]。

2.2 仿真分析

對錐直形和圓弧形噴嘴分別進行仿真分析，如圖2所示。兩種噴嘴中心軸線速度變化趨勢大致相同，錐直形噴嘴軸線的最高速度略大于圓弧形噴嘴軸線的最高速度，但當射流離開噴嘴后，圓弧形噴嘴的軸線速度略高于錐直形噴嘴的軸線速度。

圖2 兩種噴嘴中心軸線處速度分布對比

在相同排量下，錐直形噴嘴的壓差高于圓弧形噴嘴的壓差，可達到14%，如圖3所示。可以看出圓弧形噴嘴性能要高于錐直形噴嘴。

圖3 壓降-排量特性對比

3 圓弧形噴嘴參數(shù)優(yōu)化

在噴砂射孔過程中，噴嘴的入口直徑對射流質量影響不大，在噴槍壁厚一定的情況下，噴嘴出口直徑d、直柱段長度l2、入口曲線半徑R決定噴嘴的射流性能。

3.1 出口直徑對射流性能影響

在射孔過程中，噴嘴射流速度最小為230 m/s，當入口排量為1.0 m3/min，噴嘴數(shù)量為4時，不考慮其它幾何參數(shù)情況下，噴嘴出口直徑最小應為4.8 mm。分別取出口直徑為2.0、3.0、4.0、4.8 mm進行仿真分析計算。出口直徑對射流速度及壓差的影響曲線如圖4～5所示。

圖4 出口直徑對射流速度的影響曲線

圖5 出口直徑對壓差的影響曲線

根據(jù)圖4可知，液體進入噴嘴以后噴嘴孔徑縮小，液體速度短時間內(nèi)增大到最大值，當液體流出噴嘴后，軸線速度逐漸降低。當噴嘴的出口直徑變小時，可產(chǎn)生較大的射流速度，但較小噴嘴出口直徑射流等速核長度較小，衰減較快，說明其射流密集性較差。由圖5可知，壓差與出口直徑成反比，出口直徑越小，壓差越大，壓能轉換成動能越多，造成的壓降損失也越大。

3.2 直柱段長度對射流性能影響

直柱段長度對射流速度及壓差的影響曲線如圖6～7所示。

圖6 直柱段長度對射流速度的影響曲線

圖7 直柱段長度對壓差的影響曲線

根據(jù)圖6可知，不同長度直柱段噴嘴的速度變化趨勢基本相同，但直柱段長度增加時射流的軸線速度衰減越來越慢，射流密集性增強。根據(jù)圖7可知，直柱段越長壓降越大，這是由于在其他結構參數(shù)不變的情況下，流體在射流直柱段流過的距離隨著直柱段長度的增大而增大，加大了在直柱段處的壓降。因此，在設計直柱段長度時應考慮噴槍壁厚限制及壓降損失要求。

3.3 入口段曲線半徑對射流性能影響

入口段曲線半徑對射流速度及壓差的影響曲線如圖8～9所示。

圖8 入口段曲線半徑對射流速度的影響曲線

圖9 入口段曲線半徑對壓差的影響曲線

根據(jù)圖8可知，不同入口曲線半徑噴嘴的射流速度關系的變化趨勢基本相同。通過圖9可知，不同曲線半徑的噴嘴入口與出口的壓差有所不同，5種半徑下(R=6～10 mm)壓降隨著半徑的增大先降低后增大，當半徑為9 mm時壓差最小。因此，當其它參數(shù)不變情況下，入口曲線段半徑約9 mm附近的某一個值為最優(yōu)值。

3.4 噴嘴參數(shù)綜合優(yōu)化

上述仿真分析是在固定2個參數(shù)，通過優(yōu)化第3個參數(shù)后得到的分析結果，為了獲得最優(yōu)射流質量，將參數(shù)進行組合設計。在射孔過程中要求噴嘴的壓差不能太大，可以選擇出口直徑d≥4.5 mm，直柱段長度l2≤12 mm，入口段曲線半徑R=9 mm附近的某個值。射流速度與噴嘴出口直徑有關，選擇出口直徑d≤4.8 mm；射流密集性與噴嘴出口直徑和直柱段長度有關，可選擇出口直徑d≥4 mm，直柱段長度l2≥7 mm。在實際設計中，直柱段l2還應結合噴槍壁厚限制、射流時壓降損失與射流密集性的重要程度。入口直徑對射流質量影響不大，為了降低加工難度，選擇入口直徑D=2d。在排量為1.0 m3/min情況下射孔，噴嘴的最優(yōu)結構參數(shù)如表3所示。

表3 最優(yōu)結構參數(shù) mm

4 現(xiàn)場應用

在大慶油田古龍南3口地質情況相同井進行了現(xiàn)場試驗，施工參數(shù)與仿真參數(shù)相同，古龍南XX-1井和古龍南XX-2井中噴嘴形狀分別采用錐直形噴嘴和圓弧形噴嘴，其結構參數(shù)如表1。通過圖10射孔壓力施工曲線可以看出，古龍南XX-2井圓弧形噴嘴施工壓力低于古龍南XX-1井錐直形噴嘴約為17%，與圖3中圓弧形噴嘴壓降損失優(yōu)于錐直形噴嘴相符。因此，在相同地質條件下射孔，錐直形噴嘴將會增加施工壓力，在這種情況下極容易脫砂砂堵。

古龍南XX-3井也采用了圓弧形噴嘴，但噴嘴的結構參數(shù)不同于表1中圓弧形噴嘴結構參數(shù)，其中噴嘴出口直徑為4 mm,入口直徑為8 mm,直柱段長度為12 mm,入口曲線半徑為8 mm。試驗開始時采用泵壓與古龍南XX-2井相同，發(fā)現(xiàn)難以形成多條裂縫；當提高泵壓以后，可形成多條裂縫。當取出工具后，發(fā)現(xiàn)噴砂器外套磨損嚴重，最大磨損當量直徑約為98.5 mm，如圖11a所示；而古龍南XX-2中噴砂器外套磨損較輕，最大磨損當量直徑約為25.3 mm，如圖11b所示。這是由于古龍南XX-3井中噴嘴出口直徑以及入口曲線半徑小于古龍南XX-2井中噴嘴，同時直柱段長度高于古龍南XX-2井中噴嘴，因此，古龍南XX-3井中噴嘴雖然射流速度高，但射流密集型差，壓降損失也多，與圖4～9描述相符，這就導致在泵壓相同情況下，難以形成多條裂縫，提高泵壓后磨損加劇。在實際生產(chǎn)過程中，研制的最優(yōu)圓弧形噴嘴可以降低泵壓，從而減少脫砂砂堵現(xiàn)象，且減少了外套磨損，可降低施工成本，同時提高了噴嘴射流密集性，易形成多裂縫。

圖10 射孔壓力施工曲線

圖11 不同結構參數(shù)噴砂器外套磨損對比

5 結論

1) 在水力噴射環(huán)空加砂壓裂射孔過程中，圓弧形噴嘴的射流速度、射流密集性以及壓降損失都優(yōu)于常規(guī)錐直形噴嘴。

2) 噴嘴的出口直徑越小，射流速度越大，壓降損失越大、射流密性越差；噴嘴直柱段長度越長，壓降損失越大、射流的密集性越好；隨著噴嘴的入口流道曲率半徑增大，壓降損失呈現(xiàn)先降低后增大規(guī)律，曲率半徑為9 mm時達到最低；噴嘴的入口直徑對噴嘴的射流質量影響不大。

3) 水力噴射環(huán)空加砂壓裂噴嘴結構優(yōu)化設計結果：噴嘴流道采用圓弧形，噴嘴出口直徑4.5～4.8 mm，直柱段長度7～12 mm，入口曲率半徑9 mm，入口直徑D=2d。

4) 現(xiàn)場應用表明，最優(yōu)圓弧形噴嘴結構可以減小壓降損失、提高射流密集性，從而在實際生產(chǎn)過程中減少脫砂砂堵現(xiàn)象，減小外套磨損情況，節(jié)約成本，并易形成多裂縫。