水力噴砂噴嘴損傷試驗及分析

杜衛剛，陶嘉陽，鮑永強，馬妍，陳星，謝夢春

1.中國石油集團海洋工程有限公司 天津分公司（天津 300457）

2.中海油田服務股份有限公司 中東公司（天津 300457）

3.中海油管服務股份有限公司 鉆井事業部（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層增產改造技術[1]，一趟管柱可以實現多段儲層改造，與常規射孔壓裂工藝相比較，射孔深度大、孔眼周圍無壓實帶，且由于高速射流可實現自封隔，不需要對已壓開的其他井段進行封堵，壓裂作業快速高效[2]，是提高低滲油藏增產、開發的重要手段。

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，在整個施工過程中實現能量轉換，將噴嘴前的高壓流體轉換為噴嘴出口的高速流體，實現切割套管和儲層的作用。由于射孔磨料、壓裂液、支撐劑均需以較高壓力和排量通過噴嘴，進入地層和裂縫中，實際應用過程中噴嘴沖蝕嚴重、內部流道變形、噴嘴脫落，嚴重降低噴嘴的沖蝕切割能力[3],對壓裂施工的順利進行以及施工效果產生很大的影響。

通過對現場施工噴嘴的損壞情況進行統計，發現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重損壞，噴嘴本體擴徑等現象。噴嘴的損壞原因比較復雜，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、噴嘴加工設計參數、噴嘴安裝位置、流經噴嘴磨料參數、射流流體參數等。程新穎通過研究結果表明,圓弧形噴嘴的射流質量優于常用的錐直形噴嘴,通過對噴嘴結構的優化,可有效提高噴嘴射流質量[5],崔璐等通過計算結果表明,噴砂射孔時,下游噴嘴的顆粒含量大于上游噴嘴的顆粒含量,下游噴嘴入口區域的沖蝕損傷更為嚴重[6]，史懷忠等通過試驗結果表明在排量3 m3/min、砂比10%的工況下,噴嘴內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，噴嘴直徑及噴嘴質量與磨蝕時間具有明顯的線性關系[7]。

從現場施工應用的角度考慮，在基于對噴嘴磨損因素分析的基礎上，為了提高水力噴砂射孔施工效率以及噴嘴的使用壽命，模擬現場施工，重點驗證磨料類型、射流壓力、安裝方式，施工參數等因素對噴嘴磨損情況的影響。通過對影響噴嘴壽命的因素進行分析總結，以期為現場施工應用提供借鑒和參考。

1 噴嘴噴施試驗方案

1.1 試驗流程

水力噴砂噴嘴失效原因論證流程如圖1 所示，模擬現場施工流程。首先施工液體經過混砂裝置和磨料混合經高壓泵加壓產生高速混合液，混合液經過高壓管線到達水力噴砂射孔工具，從噴嘴射出切割套管，實現水力噴砂射孔。整個試驗流程裝有數據采集系統、視頻監視系統。為了更好驗證試驗結果，本試驗采用相同的噴嘴，不考慮噴嘴本身材料屬相及設計對試驗結果的影響。

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 試驗設備

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、不同黏度的液體進行噴砂射孔、壓裂施工，由發電機提供動力，最大排量12 m3/min。

1.2.3 數據采集橇

數據采集橇配有2 套采集系統，可采集施工壓力、瞬時排量、砂量、砂濃度等32組施工數據，1套施工現場視頻監視系統，可以遠程操作壓裂泵，具有施工控制、數據采集、監測、分析能力。

1.2.4 工具組合

高壓工具組合采用兩種結構工具，一種為螺旋噴槍，6 個噴嘴為360°螺旋分布，另一種為水平噴槍，6噴嘴在一個平面內相間60°。同時準備管線過濾網、水力錨、專用夾持裝置等工具。

2 試驗過程、結果及分析

2.1 磨料類型

采用20～40目、40～60目石英砂和陶粒分別進行測試，共分為4組，統一進行相同的壓力、排量、砂濃度進行測試。測試結果兩兩對比發現，同樣目數的石英砂和陶粒，石英砂對噴嘴的磨損大于陶粒，這是因為石英砂為不規則形狀，在撞擊噴嘴時，由于接觸面積小應力大，更容易對噴嘴造成破損，而陶粒為接近球狀外結構，對噴嘴的磨損較小，說明越尖銳、不規則的對噴嘴的磨損更大。

對比20～40 目、40～60 目的石英砂和陶粒的兩組測試結果發現，20～40目的磨料對噴嘴的損傷大于40～60 目的磨料，這是因為粒徑小時，其本身具有的沖擊力較小，對噴嘴的撞擊磨損較小，而粒徑大的沖擊力大，能夠對噴嘴表面造成更大的傷害。

在壓力排量不變，逐步提高砂濃度后發現40～60 目的磨料比20～40 目的磨料對噴嘴的磨損更明顯，這是因為在砂濃度一定的情況下，粒徑大的磨料，磨料數量少，從噴嘴噴出時撞擊磨損噴嘴內壁的磨料數量少于粒徑小的磨料，噴嘴磨損較小。但當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系，砂濃度較大時磨損極為嚴重，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，通過視頻監控計量割開139.7 mm（5?"）套管的時間。統計見表1。

表1 水力噴砂射孔射開139.7 mm（5?"）套管時間數據

從表1 可以看出隨著泵壓的提高，割開套管的時間逐漸縮短，但泵壓對射孔效果并沒有明顯的縮小，但對噴嘴的沖擊效果明顯加大,這與張軍等人的總結一致，高排量高壓力會對噴嘴壽命造成影響[9]。考慮到噴嘴的壽命和現場施工時間，泵壓不宜過高，達到射孔壓力稍大即可。

2.3 安裝方式

試驗模擬現場施工，采用現場常用244.475 mm（9?"）套管（鋼級P110，壁厚11.99 mm），管柱結構（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，檢查后發現，3 個噴嘴斷裂，如圖2 所示，套管上有3 個孔，更換噴嘴后再次測試，發現緊貼套管壁的3 個噴嘴斷裂，另個3 個噴嘴良好。經分析發現，由于模擬試驗采用吊車懸空進行施工，與施工時井下有上千米的緩沖和幾十噸管柱的拖曳有很大區別，噴槍不居正，泵注脈沖及流體剪切帶動管柱抖動，導致橫向旋轉，碰撞套管壁，撞擊造成噴嘴脫落，同時噴槍表面有沖蝕，這與黃中偉等研究的反濺液體會對噴槍本體造成沖蝕一致[10]。為達到與井下相同效果，地面試驗必須進行管柱和噴槍地固定。

圖2 噴嘴斷裂圖

經過分析計算，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，試驗過程順利，結束后檢查噴槍完好，重復試驗兩次，噴嘴依然完好，有輕微的擴徑和磨痕，可以達到噴砂壓力要求還可繼續使用。試驗證明，噴射工具晃動、碰撞時造成噴嘴脫落和損壞的主要原因。因此在現場施工時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

根據直井噴砂射孔的壓力、排量、時間，增加水平井的模擬，合理的設計水平井噴砂排量和壓力，發現9個噴嘴在設計施工排量2.2 m3/min，噴嘴壓降在25~30 MPa 范圍在水平井施工中優勢明顯，不僅比射孔時間縮短，噴嘴使用壽命更長。

2.5 其他因素

在試驗的過程中發現液體的固相含量，會影響噴嘴的使用壽命。設備中鐵銹、磨料中大顆粒碎渣、雜質等很容易造成噴嘴暫時性堵塞，導致反向射流造成高頻撞擊效應，噴嘴斷裂，特別是鐵銹，堵塞其中一個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致噴嘴斷裂、脫落。因此在高壓管線入口增加高壓過濾裝置，可以有效地過濾掉液體中的雜質，防止噴嘴堵塞，如圖4所示。

圖4 高壓過濾裝置及其效果圖

因試驗現場條件有限，未考慮到圍壓對噴砂效果及噴嘴磨損的影響。經研究發現圍壓對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，但到達一定壓力后提高緩慢，同時噴嘴磨損明顯增加，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，不規則磨料對噴嘴的磨損更嚴重，綜合考慮施工成本及材料來源等，石英砂作為磨料效果相對較佳。

3）噴砂工具的居中對噴嘴及工具壽命影響較大，現場建議使用扶正器、水力錨等工具避免噴射工具的晃動及撞擊。

4）液體中的雜質會堵塞噴嘴影響噴砂使用壽命，建議使用清潔液體并安裝過濾裝置。