提高水力喷枪喷嘴施工效率方法探讨

张 军 杨德勇 段 凯 闫玉东 孙建平 田小钧

（1.川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西西安 710021；2.长庆油田公司工程监督处，陕西西安 710021）

长庆区域底水油藏水平井数量逐年增多，水平井施工的关键工具喷枪受各种因素的影响，经常在喷砂射孔和喷射压裂1～2 段后，喷枪喷嘴均出现不同程度的损坏［1］，造成现场起管柱更换喷枪，增加了施工成本和延长了施工周期。

1 喷嘴损坏原因分析

通过对2010—2011 年38 套施工1～2 段损坏喷枪的分析研究，发现喷嘴损坏的位置位于喷嘴本身及喷嘴周围0.03 m 范围内，枪体上出现缺喷嘴、喷嘴扩径、枪体刺穿等现象（见图1）。

图1 损坏喷枪的照片

对水力喷射压裂管柱所受外力分析，发现喷枪损坏的动力来自2 个方面：一是通过喷嘴的含砂喷射液的磨损和冲击［2-4］；二是高速射流液的回压。据此分析造成喷嘴损坏的原因有以下3 点。

（1）喷嘴损坏多数发生在第1 次喷射施工，损坏原因是磨损和冲击。38 套损坏量中50%的喷枪是在第2 次喷射施工时喷射压力达不到要求更换的（图1a、c、d）。

（2）经过喷嘴的砂量超过60 m3，磨损和回压损害严重，主要是喷嘴扩径和回流液切割掉喷嘴，达不到喷射压差要求，无法继续使用，占损坏量的45%（图1b）。

（3）组装喷枪时，对喷嘴和枪体连接部位没有进行严格的密封处理，高压下连接部位发生液体渗漏，导致含砂液将喷嘴刺掉，占损坏量的5%（图1e）。

根据入井工具加工要求，喷嘴是选用特殊材质制造的［5］，枪体表面进行了热处理工艺，组装喷枪时进行了严格密封处理。如果加强出厂检验，可以完全杜绝组装引发的喷枪损坏问题。排除以上损坏因素，影响最大的和最直接的是喷射施工工艺。从施工设计和现场喷嘴使用的每个工艺环节入手，寻求解决喷嘴利用率低的问题。

2 喷射施工排量设计

2.1 第1 段喷射施工排量设计

长庆区域大部分水平井采用Ø139.7 mm 套管完井，在储层与井筒之间有水泥环和套管，喷砂射孔需要的最低能量是将上覆岩石作用下的这层阻挡射开，即喷射开地层存在地面泵车提供一个临界喷射压力和临界排量参数。

在生产实践中通过提高地面压裂泵车的输出排量和压力（即水马力）来实现喷枪在井底的射流压力和水功率［6］。根据理论分析与矿场试验，喷射过程中的喷射速度、喷射深度之间存在如下关系［1，7-8］

根据地面模拟矿场水力喷射实验［1-2］结果可知，单枪Ø6.5 mm 喷嘴在7%～8%的磨料液喷射速度达到117.19 m/s、喷射压力6.85 MPa 时，才开始对P110 套管进行喷射切割。长庆区域水平井垂直井深1 950～2 100 m，作用在水平段任一处的静液柱压力在20 MPa 左右，喷嘴外喷射流体承受的压能为26.85 MPa。

根据能量守恒定律，喷射射流液从油管内通过喷嘴将压能转化为动能，大部分用来切割套管、水泥环和地层岩石，还有一部分能量用来克服静液柱压力产生的阻力和回流液对射流液的阻力［9-10］。即喷嘴外临界喷射速度Vth=地面实验临界喷射速度+V ′+ V ″。

根据式（3）计算得到喷枪外射流液克服静液柱压力产生的速度损失V′=10 m/s。根据式（4）计算得到回流液对射流液的阻力产生的速度损失V″=5 m/s。因此喷枪外射流液进行切割的临界喷射速度Vth=132.19 m/s。

此外，射流液通过喷嘴产生的压力损失Δp″和施工相关参数有如下关系［10］

利用临界喷射速度，由式（5）和式（1）求得通过喷嘴的压力损失Δp″=3.31 MPa。根据能量守恒定律，由式（6）求得单喷嘴的速度损失Va=2.45 m/s。

全部喷嘴的速度损失Vb为14.7 m/s。水力喷射切割要求的最小速度V0=Vth+Vb=146.89 m/s。根据式（1）求得的临界喷射施工排量Q=1.755 m3/min，式（2）求得喷射深度L=0.044 5 m。

长庆区域水平井钻井基本采用Ø215.9 mm 钻头，从套管到储层的阻挡层厚度为0.045 8 m。由于环空胶结水泥强度较P110 套管低，所以实际喷射长度大于0.044 5 m。当地面喷射排量达到1.8 m3/min时，此时求得的喷射深度L =0.045 7 m。因此，利用1.8 m3/min 的喷射排量完全可以射开阻挡层连通油气层。确定第1 段的喷射排量为1.8 m3/min。

同时，现场实践证明，对Ø6.5 mm 喷嘴单枪克服各种阻力射开水泥环和套管的厚度需要的最低喷射压力为26.8 MPa（喷射孔时若低于此喷射压力喷射后大多数层段压不开）。

2.2 第1 段喷射排量现场喷射压裂试验

根据对喷射临界排量的计算，采用1.8 m3/min进行第1 段喷射施工试验，控制喷射压力26.8～29 MPa，现场试验3 口井21 段水平段，在每口井第2段喷射前检查喷嘴时发现压力仍然能够维持在27 MPa 以上。第3 口井（5 段）第4 段喷射孔施工中途增加排量幅度太大，导致一个喷嘴憋掉，进行了更换喷枪管柱作业。通过总结成功的19段喷射压裂试验，获得以下几点认识。

（1）通过合理降低设计喷射排量，降低喷射液喷射速度，减小了含砂液高速通过喷嘴时对喷嘴的冲击和磨损；降低了从切割点返回的含砂液速度和回压，减小了回流液对喷嘴及枪身的冲击，起到了保护喷嘴和枪体的作用。

（2）喷射时含砂射流液高速通过喷嘴产生的热量对喷嘴进行加热，降低排量破压时喷嘴在施工液体环境中冷却，相当于在喷嘴内表面进行了表面淬火处理，增加了硬度和耐磨性。

（3）喷射过程要保持压力26.8～32 MPa 范围内。在达到喷射规定排量前，每次排量增加幅度不宜超过0.2 m3/min，防止猛增排量增大喷射压差损坏喷嘴，造成施工失败。

2.3 剩余水平段喷射施工方法

根据以上3 口井的现场试验总结：在水平井第2～6 段施工时，采用1.8～2.0 m3/min 喷砂射孔，达到能射开阻挡层即可，不追求设计要求的高排量（喷射采用高排量，加砂则采用小砂量低排量），喷射压力保持27～30 MPa；在第7～8 段施工时，由于喷嘴已扩径（磨损），适当增加喷射排量，喷射压力保持26.8～30 MPa；若压力低于26.8 MPa 就要继续提高排量。当排量增加达到3.6 m3/min 时，喷射压力仍低于26.8 MPa 就要起出管柱更换喷枪。

3 结论

通过利用水力喷射临界排量和压力，合理设计喷射排量和压力，2012 年在长庆区域52 口8～12 段小砂量水平井的作业中优势明显，单井施工减少了1～2 趟更换喷射压裂管柱作业，降低了劳动强度和施工成本，提高了生产时效。建议后期对喷嘴内壁和喷嘴外周围0.03 m 范围内的喷枪本体上进行抗磨和抗冲击处理，进一步提高喷嘴和喷枪的使用寿命。

符号说明：

Q 为喷射排量，m3/min（公式（6）中取单位为L/s）；n 为喷嘴数，个；d 为喷嘴直径，mm；V0为喷射速度，m/s；F ′，F ″为喷射切割力，N/m2；L 为喷射深度，m； Vth为临界喷射速度，m/s；ρ 为喷射流体密度，g/cm3；ΔVp为喷射孔时由于回流导致的速度损失，m/s； A 为喷嘴总面积，mm2；Δp″为压裂液过喷嘴前后的压降，MPa；C 为喷嘴流量系数，一般取0.9；m 为喷射流体的质量，kg；V ′为克服静液柱压力产生的速度损失，m/s；t 为碰撞时间，s；V ″为回流液对射流液的阻力产生的速度损失，m/s；Va为通过喷嘴的速度损失，m/s。

［1］ 李宪文，陈生圣，赵文轸.水力喷砂射孔压裂喷嘴的损伤试验与分析［J］.石油矿场机械，2009，38（2）：42-46.

［2］ 付钢旦，李宪文，任勇，等.水力喷砂射孔参数优化室内实验研究［J］.特种油气藏，2011，18（3）：97-99.

［3］ 曲海，李根生，黄中伟，等.水力喷射压裂孔内压力分布研究［J］.西南石油大学学报：自然科学版，2011，33（4）：85-88.

［4］ 曲海，李根生，黄中伟，等.水力喷射压裂孔道内部增压机制［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2010，34（5）：73-76.

［5］ 丁青山，薜启龙，官伟，等.水力分段射孔压裂喷射器试验及应用研究［J］.石油机械，2012，40（3）：96-99.

［6］ 田守嶒，李根生，黄中伟，等.水力喷射压裂机理与技术研究进展［J］.石油钻采工艺，2008，30（1）：58-62.

［7］ 李根生，夏强，黄中伟，等.深井水力喷射压裂可行性分析及设计计算［J］.石油钻探技术，2011，39（5）：58-62.

［8］ 牛继磊，李根生，宋剑，等.水力喷砂射孔参数实验研究［J］.石油钻探技术，2003，31（2）：14-16.

［9］ 夏强，黄中伟，李根生，等.水力喷射孔内射流增压规律试验研究［J］.流体力学，2009，37（2）：1-5.

［10］ 曲海，李根生，樊永明，等.水力喷射压裂工艺在Ø101.6 mm 套管井中的应用［J］.石油钻采工艺，2011，33（3）：55-57.