水力喷射工具失效原因分析
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【摘 要】水力喷射压裂技术原理是根据伯努利方程，把压能转变为动能，油管流体加压后经喷嘴喷射而出的高速射流（喷嘴喷射速度大于126m/秒）在地层中射流成缝。水力喷砂射孔后，接着关闭套管，产生高于地层破裂压力的压势，在地层中造出一条裂缝，然后加砂压裂。
【关键词】喷射器；封隔器；锚定
水力喷射分段压裂是集射孔、压裂、隔离一体化的增产措施，专用喷射工具适合分段、分层作业，无需机械封隔，准确造缝、有效隔离、一趟管柱多段压裂。
1 水力喷射的原理
水力射孔是根据动能―压能转化原理，利用高压水射流冲击岩层，当高速水流冲击接触到岩石后速度突然降为0，其动能转化为水压能，引起岩层破碎应力，继续冲击则达到射孔的目的。为了提高射孔的效率，在水流中加入砂粒，利用砂粒来冲击、切割岩石，这大大提高了冲击破碎效果。由于流体中含有石英砂，高速流动的含砂流体可以轻易射穿套管，然后以较高速度冲击破碎油气储层岩石，形成多个一定直径和深度的喷射孔道。
2 水力喷射压裂工具的判断
水力喷射压裂工具的结构组成由导向丝堵、眼管、单流阀、封隔器和喷射器组成。在水力喷射压裂过程中容易失效的工具是喷射器、封隔器和单流阀。
图1
2.1 喷射器的判断
在排量一定的情况下，通过节流压差来判断喷射器是否完好。喷射器的喷嘴由于在使用后磨损导致出口截面积变大，喷射出的液体流速达不到要求，无法产生有效的冲击力去射穿套管、破碎油气储层岩石，而导致压裂不成功。
V=■（V-流速、Q-流量、A-出口截面积）
■+■=■+■+？灼■，理想流体情况下ζ=0，■+■=■+■
实际流速V2=■■，理想流速V20=■
定义速度系数？渍=■，其物理意义是指实际流体通过喷嘴时的速度与理想流体通过喷嘴时的速度之比。显然速度系数小于1。
通过Q=A2V2，A2=εAP，？渍=■得出：
Q=ε？渍APV■，Q=CdAPV■
Ap：喷嘴横截面积
定义喷嘴的流量系数Cd=ε？渍，其物理意义是实际流体流过喷嘴的流量与理想流体流过喷嘴的流量之比。其值小于1，也小于等于喷嘴的速度系数。
Q=CdAPV■，V20=■，AP=■d■
■+■=■■当■时■=■■
ΔP=■■
等径喷嘴节流压差计算公式：ΔP=■■
上式表明，当d变大时ΔP变小，当ΔP远远小于正常范围时可以判断为喷射器失效。
2.2 封隔器的判断
在施工开始前（除水平井第一段），在给予一定的排量，能满足封隔器坐封的条件下，关闭套管，若压力迅速上升，到达25MPa，停泵，压力无明显下降，稳压5min，则封隔器有效工作。若压力上升缓慢，且能持续注入液体，或停泵后压力迅速下降，则封隔器失效。
2.3 单流阀的判断
当起泵反冲，返出排量受泵车泵入排量影响较小或无影响，泵压较大，此时无法通过单流阀建立有效循环，可判断单流阀失效。
3.1 喷射器失效原因分析
喷射器失效的主要表现是磨损、冲蚀和脱落。
喷射器失效主要是由于喷嘴内流体处于湍流状态，所以砂粒具有较大的横向速度，与喷嘴内表面形成碰撞、冲蚀；液体和砂粒通过喷嘴射向套管后反溅，冲蚀喷射器本体；在压裂完成后，放喷时，地层流体快速流出，液体携带砂粒高速冲击喷射器本体；水平井反冲时需要更大的排量，单流阀失效时，液体经过喷嘴时会产生较大的节流压差，导致喷嘴脱落。
3.2 封隔器失效原因分析
封隔器失效的主要表现是胶筒破损、断裂。
封隔器失效主要是由于封隔器坐封在套管接箍上，施工时油管来回伸缩蠕动；压后调整钻具时，封隔器周围沉砂卡封，超过正常悬重10kN以上多次活动钻具；在下钻过程中未控制下钻速度；在压裂过程中，部分地层由于无法形成有效裂缝，需向地层挤入酸或前置液封隔器长时间在高压状态下工作；在喷砂射孔压裂时，管柱受压力影响，至使管柱伸长水力射孔位置下移，施工完成后管柱收缩，放喷时，地层流体快速流出，液体携带砂粒高速冲蚀封隔器本体，导致封隔器损坏。
3.3 单流阀失效原因分析
单流阀失效的主要表现是钢球卡死。
单流阀失效主要是由于单流阀设计不合理球座锥度小，施工时受高压影响，钢球卡死在球座上。
4 控制措施
（1）喷射器失效的控制措施：应取得套管数据，调整喷点位置避开套管接箍；喷砂射孔按设计时间施工；在放喷初期时，按要求装油咀放喷；大排量反循环洗井时，压力不超过15.0MPa；采用环空加砂油管补液的方式压裂，减少喷嘴的过砂量。
（2）封隔器失效的控制措施：在下钻过程中控制下钻速度小于0.5m/s；大型压裂施工结束后，应关井1h以上，在放喷初期时，按要求装油咀放喷；大排量反循环洗井；上提钻具时，若悬重异常升高1-3kN时应下放钻具进行冲洗后再进行起钻。
（3）单流阀失效的控制措施：使用大锥度和大直径钢球的单流阀球座。
5 结论和建议
水力喷射压裂技术是结合水力射孔和水力压裂技术的新型增产措施。本文通过现场的实际应用，来分析判断压裂工具失效原因，得出以下结论：
（1）合理的放喷制度对延长工具寿命至关重要，压裂施工结束后，应关井1h以上，等待地层闭合，防止地层吐砂。在放喷时，根据压力，按要求更换4-6-8-10-12mm油咀，进行放喷，当压力低于5MPa时，排量在800L/min以上反循环洗井，压力不超过15.0MPa。
（2）取得套管数据，调整喷点位置避开套管接箍，喷点在套管接箍以下2-3m为最佳，避免造成射孔效果不好。
（3）在下钻过程中控制下钻速度小于0.5m/s；上提钻具，若悬重异常升高1-3kN时，下放钻具进行冲洗彻底后再进行起钻。避免操作不当损伤封隔器。
（4）喷枪上下、井口接抗冲蚀短节，能有效的预防油管被冲蚀。
（5）套管加砂减少了喷射器喷嘴的过砂量，降低了喷嘴的磨损，有效的延长了喷射器的使用寿命。
（6）建议提高套管的钢级强度。