水力喷射压裂工具存在问题及完善

钱国全，储明来，陈碧波

（中石化江苏油田工程院，江苏扬州225009）

水力喷射压裂工具存在问题及完善

钱国全，储明来，陈碧波

（中石化江苏油田工程院，江苏扬州225009）

水力喷射压裂技术是集水力射孔、压裂、封隔一体化的增产改造新技术，井下工具是该技术成功实施的关键。江苏油田利用该技术已经压裂44口井、89段，成功率达96.7%。对于不成功的井，或技术实施成功、中途遇到异常的井，对井下工具进行重点分析，总结工具的磨损规律，对滑套密封不严、喷嘴磨损严重、保护盖板脱落、本体外表反溅伤害严重、施工压力异常等情况进行举例分析，结合理论研究，提出工具改进措施，有效提高了工具的使用寿命和水力喷射压裂的成功率。

水力喷射；喷砂射孔；压裂；喷枪；现场应用

为了提高油田的开发效益，最大限度发挥油藏的开发潜能，江苏油田引进了水力喷射分段压裂技术，该技术是集水力射孔、压裂、隔离一体化的新型增产改造技术，无需机械分隔就可以实现准确定点造缝，能够一趟管柱压裂多段目的，节省作业时间，降低作业风险等优点[1]。该技术首先利用磨料（石英砂）射流进行喷砂射孔，然后再泵入压裂液及支撑剂实施压裂，所需液体均通过喷嘴喷射进入地层及裂缝，因此，对井下工具会产生不可避免的磨损，严重时可导致喷嘴脱落、本体刺漏等情况发生，影响该技术的顺利实施。针对井下工具磨损原因及规律，通过改进工具的结构和材质，提高工具的使用寿命和水力喷射压裂的成功率。

1 水力喷射井下工具结构

喷枪是实现水力喷射压裂的最关键部件，它是由喷枪本体、镶嵌在本体上的多个锥形流道喷嘴和用于抵抗射流返溅及保护喷嘴的防溅块等部件组成（见图1）。喷嘴分布在上下两个平面120°沿圆周均布。喷枪内置由剪切销钉固定的滑套，当压裂其他层段时，滑套处于封堵喷嘴的状态；当需要压裂此层段时，只需投入压裂用球，加压剪断销钉后滑套下行，喷嘴开启，球与球座密封，堵住向下流道。喷砂射孔阶段，油套环空处于开启状态，液体自环空返回地面；喷射压裂阶段，由环空泵注的基液随同油管内喷射的携砂液一起通过射孔孔道进入地层。

图1 水力喷射压裂工具示意图

2 在现场应用中遇到的问题分析及改进

2.1 喷嘴磨损原因分析及改进

喷嘴是水力喷射压裂工具的核心部件，是能量转换的工具，不仅要满足喷射的要求，还要尽可能的减小节流压差以减弱流体对喷嘴的磨蚀[3]。目前，江苏油田已经使用水力喷射压裂工具89段，喷嘴534只，其中喷嘴完全脱落1只，严重损坏3只，圆柱段直径扩大5%以上的13只，余下的517只喷嘴的圆柱段直径扩大量都在5%以内，占总使用喷嘴数量的96.8%（见图2）。

图2 不同损伤程度喷嘴示例

喷嘴的腐蚀是以高速磨料粒子对喷嘴的冲蚀和管壁反溅伤害为主，磨损扩径和疲劳损坏是喷嘴失效的主要形式。提高喷嘴的喷射效率，减少喷嘴对射流的损耗，降低喷嘴压降和提升喷嘴材质，是降低喷嘴磨损的根本办法。通过对比不同结构喷嘴的性能参数，得出最优的喷嘴结构为流线形或等变速形喷嘴，但结构复杂难以加工，因此在等变速形喷嘴的基础上发展出锥直型喷嘴，舍弃了一些性能参数，但仍可以达到喷砂射流的要求。锥直型喷嘴的内流道是锥形收缩段加圆柱形段，圆柱段流道内径相同，其截面收缩系数为1，这样喷嘴的流量系数就等于速度系数，从而提高了喷嘴的流量系数和能量转换效率；一定长度的圆柱流道，可使磨料得到更充分的加速，从而提高射流的冲击力[6]。

为了提高喷嘴的耐磨性，在常用的合金、陶瓷、金属等材料中优选。为避免喷嘴在工作中受砂粒冲击而发生显微切削磨损，应选用硬度较高的材料，但材料硬度高的喷嘴更加容易出现疲劳断裂和脆性断裂，所以还需要材料具有较好的韧性。目前水力喷射压裂技术中用来制备喷嘴的材料主要是硬度高而韧性好的硬质合金钢。

2.2 保护盖板冲蚀原因分析与改进

保护盖板是设计在喷嘴外部，保护喷嘴不被反溅的高速流体伤害的保护措施，也是现场使用中出现脱落、损坏现象最多的部件，保护盖板的损坏直接导致喷嘴暴露在高速流体反溅伤害范围内，加速了喷嘴的冲蚀，大大降低了工具的使用寿命，更为严重的是，脱落的保护盖板可能直接卡等扶正器等位置，造成卡管柱事故。据统计，在已经使用的89段水力喷射压裂工具中，有32段出现过个别保护盖板脱落或损坏现象，特别集中出现在未加改进之前。

在前期设计中，喷嘴的保护盖板主要通过专用胶粘贴在工具本体表面，但专用胶的性能容易受外部使用环境的影响，特别对耐酸性和耐温性要求较高，保护盖板脱落比例高，后期不断改进盖板结构，增加固定措施，现在发展出一体化盖板，大大降低了保护盖板的损坏率，提高喷嘴和整体管柱的安全性。

2.3 工具本体磨损原因分析

工具本体的腐蚀磨损和保护盖板的磨损相似，都主要是由于高速射流的反溅伤害造成。在已使用的水力喷射压裂工具中，工具本体大都存在深浅不一的损伤，在设计时已经考虑本体损伤和承压要求，材料优选为35CrMo，工具内外表面渗氮处理，深度0.8 mm～1.2 mm，进一步提高其耐冲蚀性能，目前没有出现本体刺漏事故。

同时在已使用的工具中发现，已经射孔完井，并且地层胶结较为疏松或天然裂缝较为发育的井中，工具本体的伤害可能会集中在一个点上，并会同时伴随压力施工偏低的现象。分析认为：此类冲蚀是由于喷嘴的高速射流冲击进入地层孔眼后，由于孔内的增压效应[5]，部分射流绕过地层或天然裂缝并由套管原有射孔返回环空，从而对油管或喷枪本体产生了二次冲蚀。因此，在已经进行过常规射孔的老井中实施水力喷砂射孔，不仅要注意对喷枪本体的防护，还要加强对与之相连的油管耐冲蚀防护，以免油管被刺穿。

2.4 滑套损伤原因分析及改进

在已经使用的89段工具中，仅有1次滑套损伤现象，但有4次球座（包括单向阀）不密封现象，分析认为滑套的损伤主要因为球与球座不密封，造成压裂液冲刷球座形成沟槽，导致更加不密封的恶性循环。球与球座不密封情况也有可能因为球座上有死油等杂物造成。

为了解决密封性的问题，改进滑套球座的结构，使之与球形成面密封。为了防止球座冲蚀严重，在球座表面镀一层耐磨材料。为了保证滑套打开后的动态密封，将销钉槽设计在下密封槽的上部，防止销钉剪断后，将密封胶圈刮破。同时对于死油较多的井，在压裂前洗井，防止球座有污垢。

2.5 压裂时压力异常情况分析及应对措施

（1）滑套无法打开，或打开时压力变化不明显：常见原因有球没有坐封，或者销钉提前剪断。球没有坐封很可能球座上存在异物，曾在韦8平2井由于压裂泵车密封钢圈掉入油管内，造成球无法坐封现象。剪切销钉由于存在材料的误差，每换一批材料时，进行一次剪切试验，以达到剪切压力的准确，目前没有发生过剪切销钉提前剪断的情况。

（2）喷砂射孔时，异常高压：最常见原因是喷嘴孔眼堵塞。喷嘴的压降与喷孔总面积的平方成反比，以常见的6个6 mm的喷嘴组合为例，在2.5 m3/min排量下，如果一个喷嘴被堵死，压降将会上升17 MPa[9]。江苏油田有一口压裂井，其他工具的塑料标签纸进入油管，堵住一只喷嘴，造成施工时异常高压。

（3）喷砂射孔时，异常低压：球座密封不严，或者喷砂时间长，喷嘴直径扩大甚至脱落。

（4）喷砂压裂时，异常高压：除去地层原因外，套管没有被射开或者由于管柱蠕动造成[10]。因此在下工具时，应避开套管接箍位置；喷砂射孔阶段的排量压力与喷砂压裂阶段的排量压力保持一致，以防压力波动造成管柱伸长量的变化。

（5）喷砂压裂时，异常低压：地层松软或存在裂缝，或者老井已经射孔完井，造成近井地带循环连通。

3 结论

（1）实施水力喷射压裂时，喷嘴的磨损主要由高速磨料造成的，保护盖板和工具本体的损伤主要在喷砂射孔阶段，由高速射流在套管内壁上的反溅造成。

（2）在胶结疏松且已射孔的老井中实施该技术时，高速磨料射流有可能进入地层后，再由相邻的射孔孔眼返回井筒，对井中的油管或喷枪外表面形成二次冲蚀。

（3）加强施工管理，防止异物等进入井筒，造成人为异常。

（4）随着现场对压裂段数、加砂规模等需求的不断增加，对井下工具寿命的要求也随之提高，研究结果可为现场施工和今后水力喷射压裂工具进一步改进提供实际参考。

［1］田守增，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.

［2］黄中伟，李根生，田守增，等.水力喷射多级压裂井下工具磨损规律分析［J］.重庆大学学报，2014，37（5）：77-82.

［3］刘华杰，祝令湖.中原油田水平井多段喷射压裂技术研究与应用［J］.内蒙古石油化工，2014，（15）：122-124.

［4］薛胜雄，黄汪平，陈正文，等.水力喷射工具腐蚀原因及改进措施［J］.石油矿场机械，2015，44（2）：55-59.

［5］魏德军，曹仲文，李萍.喷嘴形状对喷射能力的影响［J］.辽宁化工，2006，35（7）：416-418.

［6］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，2010，34（5）：73-76.

［7］吴奇，等.水平井水力喷砂分段压裂技术（第1版）［M］.北京：石油工业出版社，2013：79-80.

［8］李根生，等.水力喷射压裂理论与应用（第1版）［M］.北京：科学出版社，2011：182-185.

［9］任勇，赵粉霞，王效明，等.水力喷射工具地面模拟试验［J］.石油矿场机械，2011，40（8）：46-49.

［10］彭元东，汤程辉，宋秉忠，等.防蠕动多级水力喷射压裂工艺管柱的研制与应用［J］.钻采工艺，2014，37（3）：75-77.

TE934.2

A

1673-5285（2016）01-0027-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.01.007

2015－11-27

钱国全，男（1987-），工程师，毕业于中国石油大学（北京）石油工程专业。