水力噴砂射孔噴嘴研究

王世強，王星，劉景超，郝宙正，張璽亮

（中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452）

0 引言

水力噴砂射孔技術是20世紀90年代末發展起來的，目前國外應用比較廣泛的技術，與常規的聚能彈射孔技術相比，流體噴砂射孔技術不存在壓實帶，而且射孔的孔徑大、穿透深，被廣泛應用于低孔低滲油氣藏的開采。水力噴砂射孔的主要技術原理是：含砂（磨料）的流體通過地面加壓設備和井下噴砂射孔噴嘴將高壓流體的壓力勢能轉化為流體動能，使噴嘴出口的流體達到每秒上百米甚至幾百米的速度，同時帶動磨料射向套管，高速運動的磨料撞擊套管壁后形成微切削作用，逐漸射穿套管、水泥環后，水射流沖擊地層，形成紡錘狀的通道，最終達到增大地層泄流面積的目的[1-2]。

因此，噴砂射孔噴嘴是整個射孔技術的關鍵所在，在同樣的地面設備條件下，好的噴嘴可以更好地將流體壓力勢能轉化為動能，提高噴嘴出口流體及砂粒的橫向速度，增強穿透套管能力。同時，噴嘴自身須具有良好的耐沖蝕性，以保證井下噴砂射孔的作業壽命。

1 噴嘴參數計算

描述射流噴嘴特征的基本參數主要有流體壓力、功率、流速、流量、反沖力等動力學參數[3]。

如圖1所示，對于連續射流模型，在射流噴嘴入口和出口處兩點利用伯努利方程和連續性方程，假設壁面光滑，忽略沿程阻力及高度差，可得出如下關系式：

圖1 噴嘴內截面示意圖

式中：p1、p2分別為噴嘴入口和出口處的靜壓力，V1、V2分別為噴嘴入口和出口處的平均流速[4]。

由于噴嘴流道為圓管型結構，則有，并假設ρ1=ρ2，則由式（1）和式（2）可得

由于高壓射流過程中，p1＞＞p2，d2/d1＜＜1，同時將ρ=998 kg/m3代入式（1）～式（3），最后得出流體射流流速簡化表達式：

式中：Vt為射流流速，m/s；p為噴嘴入口壓力，MPa；qt為射流流量，L/min；d為噴嘴出口直徑，mm。

由式（4）和式（5）得出的是理論流量和流速，通過噴嘴的實際流速v和流量q要比該值小。

當射流流量和噴嘴入口壓力確定后，就可以計算噴嘴的射流功率：

將式（5）代入整理可得

式中，P為射流功率，W。

2 噴嘴結構優化

根據收縮段形式的不同，目前常見的成熟噴砂射孔噴嘴有錐直型、圓弧型、拋物線型3種，如圖2～圖4所示。

圖2 錐直型噴嘴

圖3 圓弧型噴嘴

圖4 拋物線型噴嘴

在相同的工作參數下，判斷噴嘴性能好壞的參數為砂粒出口速度和沖蝕率：砂粒出口速度越高，噴嘴的切割性能越強；沖蝕率越低，噴嘴使用壽命越長。

2.1 噴嘴切割性能分析

2.1.1 求解控制[5]

1）求解器的選擇。

選用二維穩態隱式求解器，湍流方程采用標準k-ε模型，歐拉兩相流模型，SIMPLE算法，動量方程采用二階迎風格式，體積分數采用一階迎風格式。

2）邊界條件的設定。

a.入口邊界條件。入口為速度入口，速度大小為15.8 m/s，入口流量為197 L/min，砂粒體積分數為0.08，砂粒直徑為0.3 mm。考慮液體相的湍動能，則入口湍流強度可表示為

式中：u′為湍流脈動速度，m/s；uavg為平均速度，m/s；ReDH為根據流體水力直徑DH計算得到的雷諾數。

由于噴嘴入口為圓，所以流體力直徑DH即為圓的直徑。

b.出口邊界條件。出口為壓力出口，大小為1個標準大氣壓，壓力p=101325 Pa。

c.壁面邊界條件。噴嘴壁面上液相滿足無滑移條件，噴嘴上顆粒相滿足滑移條件，計算域近壁區采用壁面函數處理，壁面處u、k、ε為零，不考慮內壁的摩擦[6-7]。

3）物料屬性的設定。

液相：密度為998.2 kg/m3，動力黏度為0.001 003 kg/s[8]。

固相：固相選用石榴石，顆粒直徑為0.3 mm，密度為3.50 g/mm3，動力黏度為8×10-4kg/s。

2.1.2 物理模型的建立

圖5給出的是錐直型噴嘴的二維模型及網格劃分，噴嘴具體的特征尺寸如圖6所示。

圖5 錐直型噴嘴二維模型

圖6 錐直型噴嘴結構尺寸

噴嘴后方長60 mm、寬10 mm為噴嘴出口后的流體區域，模擬砂粒出噴嘴后在流體中運動狀態[9-10]（如圖7）。

圖7 錐直型噴嘴內外流場流體速度分布云圖

2.1.3 求解結果

從圖8可以看出，流體的最大速度出現在距出口12 mm處，為188 m/s；砂粒的最大速度出現在噴嘴外7 mm處，為161 m/s。

圖8 錐直型噴嘴中心線位置與流體速度曲線

圖9 錐直型噴嘴內外砂粒速度分布云圖

圖10 錐直型噴嘴中心線位置與砂粒速度曲線

同樣完成圓弧型噴嘴和拋物線型噴嘴后，整理數據如表1所示。

表1 噴嘴流體及砂粒速度

2.1.4 小結

1）由以上分析可知，流體和砂粒在噴嘴內外的速度分布規律基本相同，流體或砂粒經過噴嘴收縮段時進行急劇加速，經過圓柱段時速度相對穩定，而到達噴嘴外部后，由于與環境介質進行碰撞，發生能量交換，速度逐漸衰減，并出現向軸線衰減的趨勢。

2）流體和砂粒經過噴嘴收縮段時同時被加速，但流體速度始終大于砂粒速度，進入噴嘴圓柱段后，流體帶動砂粒持續加速，兩者速度不斷接近。達到噴嘴出口后，由于與周圍環境發生了強烈的熱量和質量交換，會形成一個核心區，此時砂粒還會加速一段距離，達到最大速度之后，速度會逐漸變小，由于砂粒密度高、質量大，速度衰減相對較慢。

3）拋物線形噴嘴砂粒出口速度最大，有利于砂粒射流切割。

2.2 噴嘴耐沖蝕性分析

2.2.1 物理模型

3種形狀噴嘴的三維模型通過對二維內流場的旋轉得到，如圖11、圖12所示。

圖11 圓弧型噴嘴流場三維模型

圖12 拋物線型噴嘴流場三維模型

2.2.2 求解器設置

1）邊界條件。

采用離散相模型進行沖蝕分析，顆粒砂比為8%，噴嘴入口流量為197 L/min。根據流量計算可得管道內的顆粒的粒子質量流量為0.38 kg/s，顆粒由入口處均勻地射入噴嘴內。出口相對壓強為0 Pa。

2）模型設定。

計算為穩態，計算域類型為流體域，即液相與顆粒相混合模型。流體域為液態的流體，流體屬性為連續流體。砂粒密度為3500 kg/m3，顆粒直徑為0.3 mm，參考壓力為0.101 MPa。

3）求解設定[11]。

求解采用DPM模型，其中對流項的離散格式采用高階離散格式，湍流方程的離散格式采用一階迎風格式。收斂平均殘差目標為1.0×10-4。

2.2.3 求解結果

由圖13、圖14可知：1）由于錐直型噴嘴入口與圓柱加速段連接處不平滑，沖蝕集中發生在該位置，且沖蝕情況比另兩種噴嘴嚴重很多；2）圓弧型和拋物線型噴嘴入口曲線過渡非常平滑，沖蝕多發生在入口曲線的外部；3）拋物線型噴嘴的沖蝕率最低，砂粒射流中使用的時間最長。

圖13 錐直型噴嘴沖蝕云圖

圖14 圓弧形噴嘴沖蝕云圖

2.3 噴嘴結構優選

根據對不同噴嘴的分析，得到不同噴嘴的性能數據，如表2所示。

表2 不同噴嘴的性能

由表2可知：1）錐直型噴嘴雖然流體的速度最大，但砂粒加速不完全、出口速度最小，且沖蝕最嚴重；2）圓弧型與拋物線型砂粒最大速度相當，但拋物線型噴嘴的沖蝕率更小；3）噴嘴結構應采用拋物線型。

3 噴嘴切割套管試驗

3.1 試驗目的

檢驗所選用拋物線型噴嘴的射流切割性能及耐沖蝕性。對射流切割噴嘴的現場切割要求為：必須保證在射穿套管及地層的同時具有良好的耐沖蝕性，即在砂粒射流沖擊下能保證長時間孔徑不擴大。

3.2 試驗設備

噴槍1支，噴嘴1支，打砂泵1臺，混砂罐1個，加流體罐1個，控制臺1套，試驗箱1個，試驗工裝1套，如圖15～圖17所示[12]。

圖15 噴槍

圖16 噴嘴

圖17 試驗裝置

3.3 試驗步驟

1）檢查流體罐流體量是否充足、設備是否正常；2）準備200 kg石英石（80～100目），放到加砂罐旁；3）連接管線與噴槍，將5-1/2 in套管及管線固定在流體槽內（如圖17）；4）檢查管線，確認一切正常后起泵；5）緩慢增加泵速至泵壓為5 MPa；6）按照8%砂比往混砂罐中加砂，觀察設備及磨料出口是否正常；7）將泵壓升至8 MPa，根據排量調整加砂量，確保砂比不變；8）時刻觀察被切套管，記錄套管切透時間；9）套管切割穿孔后停止加砂，繼續運行1 min后停泵；10）拆卸試驗工裝，將噴槍及套管取出；11）測量相關數據并做記錄。

3.4 試驗結果

整理套管沖蝕試驗數據，如表3所示。

表3 射孔尺寸數據

通過表3可以看出，3個套管射孔的孔徑最小值為6.8 mm，孔徑最大值為10.1 mm，平均最小孔徑為7.4 mm，平均最大孔徑為9.4 mm。最終射孔形態接近完整圓形，滿足現場使用要求。

由圖18可知，噴嘴初始直徑為4.42 mm；由圖19可知，試驗結束后噴嘴直徑為4.42 mm。說明經過砂粒沖蝕后噴嘴的直徑沒有變化，噴嘴具有良好的耐沖蝕性。

圖18 測量噴嘴初始直徑

圖19 測量射孔后噴嘴直徑

同時，由圖19可以看出，噴嘴附近噴槍表面受流體反濺嚴重，出現明顯沖蝕凹坑，需要對噴槍表面進行硬化或者噴涂耐磨涂層處理。

4 結論

1）水力噴砂射孔選用拋物線型噴嘴，該類型噴嘴具有良好的砂粒加速性能和耐沖蝕性；

2）經過試驗，該噴嘴滿足水力噴砂射孔作業需求；

3）試驗過程中噴槍本體反濺沖蝕現象嚴重，需要對噴槍進行表面耐磨處理。