水力喷射环空加砂压裂喷嘴结构分析与优化

(大庆油田 采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453)

近年来，水力喷射环空加砂压裂工艺应用日趋广泛，在射孔过程中，喷嘴是该工艺形成射流的关键部件，直接影响着射流质量[1]。用于喷砂射孔的射流质量包括射流速度和射流密集性以及压降损失[2]。在相同的流动条件下，由于喷嘴结构的差异，可以引起射流品质的不同，为了判别喷嘴结构的性能，找出衡量喷嘴结构的准则是十分重要的。油田常用的喷嘴为锥直形喷嘴，但对于一些岩石硬度高的地层，在射孔过程中，锥直形喷嘴的射流速度以及射流密集性射穿地层困难，并且射穿时间长，在相同工况条件下，要求泵压高。为了提高射流质量，有必要研究新型喷嘴，并对喷嘴的主要结构参数(出口直径，直柱段长度、入口曲线半径)进行优化，以得到最优的射流质量。

1 喷嘴结构及参数

1.1 结构

在工作过程中，每个喷嘴如同一个“射流泵”，射孔液经过喷射器进入喷嘴，喷嘴内液体产生的最高射流速度，用于射开套管和地层，实现射孔、压裂施工一体化。喷嘴的整体结构简单，外部设计成阶梯式或等径式，以便安装于喷抢中。喷嘴内部流道形状主要是收缩式，分为直线形和曲线形，如图1所示。

a 直形喷嘴 b 曲线形喷嘴

1.2 关键技术及参数

喷嘴的关键技术在于获得最优射流质量。对于直线形喷嘴，在水力喷砂射孔过程中常用锥直形喷嘴[3]；对于曲线形喷嘴，在射孔过程中要求射流质量高，流量系数高、扩散角大。因此，优选了圆弧形喷嘴[4]，如表1所示。喷嘴的结构参数主要为喷嘴入口直径、出口直径、水平长度、入口收缩角/入口曲线直径以及直柱段长度，如表2所示。不同的结构参数对应不同的射流质量，通过仿真研究，找出获得最高射流质量的结构参数[5]。

表1 不同曲线流道喷嘴性能对比

表2 喷嘴几何参数

2 喷嘴流道流场仿真试验

2.1 仿真模型

将喷嘴模形设置为淹没条件下的自由射流，模型左侧为0.024 m×0.08 m喷嘴内部流场，右侧为0.024 m×0.12 m的外部射流区域[6]。应用CFD软件Fluent进行仿真分析[7-8]，排量为1.0 m3/min，速度入口边界为2.3 m/s，压力出口为出口边界条件。采用k-epsilon湍流模形；并采用Simple算法且都取二阶迎风格式[9-10]。

2.2 仿真分析

对锥直形和圆弧形喷嘴分别进行仿真分析，如图2所示。两种喷嘴中心轴线速度变化趋势大致相同，锥直形喷嘴轴线的最高速度略大于圆弧形喷嘴轴线的最高速度，但当射流离开喷嘴后，圆弧形喷嘴的轴线速度略高于锥直形喷嘴的轴线速度。

图2 两种喷嘴中心轴线处速度分布对比

在相同排量下，锥直形喷嘴的压差高于圆弧形喷嘴的压差，可达到14%，如图3所示。可以看出圆弧形喷嘴性能要高于锥直形喷嘴。

图3 压降-排量特性对比

3 圆弧形喷嘴参数优化

在喷砂射孔过程中，喷嘴的入口直径对射流质量影响不大，在喷枪壁厚一定的情况下，喷嘴出口直径d、直柱段长度l2、入口曲线半径R决定喷嘴的射流性能。

3.1 出口直径对射流性能影响

在射孔过程中，喷嘴射流速度最小为230 m/s，当入口排量为1.0 m3/min，喷嘴数量为4时，不考虑其它几何参数情况下，喷嘴出口直径最小应为4.8 mm。分别取出口直径为2.0、3.0、4.0、4.8 mm进行仿真分析计算。出口直径对射流速度及压差的影响曲线如图4～5所示。

图4 出口直径对射流速度的影响曲线

图5 出口直径对压差的影响曲线

根据图4可知，液体进入喷嘴以后喷嘴孔径缩小，液体速度短时间内增大到最大值，当液体流出喷嘴后，轴线速度逐渐降低。当喷嘴的出口直径变小时，可产生较大的射流速度，但较小喷嘴出口直径射流等速核长度较小，衰减较快，说明其射流密集性较差。由图5可知，压差与出口直径成反比，出口直径越小，压差越大，压能转换成动能越多，造成的压降损失也越大。

3.2 直柱段长度对射流性能影响

直柱段长度对射流速度及压差的影响曲线如图6～7所示。

图6 直柱段长度对射流速度的影响曲线

图7 直柱段长度对压差的影响曲线

根据图6可知，不同长度直柱段喷嘴的速度变化趋势基本相同，但直柱段长度增加时射流的轴线速度衰减越来越慢，射流密集性增强。根据图7可知，直柱段越长压降越大，这是由于在其他结构参数不变的情况下，流体在射流直柱段流过的距离随着直柱段长度的增大而增大，加大了在直柱段处的压降。因此，在设计直柱段长度时应考虑喷枪壁厚限制及压降损失要求。

3.3 入口段曲线半径对射流性能影响

入口段曲线半径对射流速度及压差的影响曲线如图8～9所示。

图8 入口段曲线半径对射流速度的影响曲线

图9 入口段曲线半径对压差的影响曲线

根据图8可知，不同入口曲线半径喷嘴的射流速度关系的变化趋势基本相同。通过图9可知，不同曲线半径的喷嘴入口与出口的压差有所不同，5种半径下(R=6～10 mm)压降随着半径的增大先降低后增大，当半径为9 mm时压差最小。因此，当其它参数不变情况下，入口曲线段半径约9 mm附近的某一个值为最优值。

3.4 喷嘴参数综合优化

上述仿真分析是在固定2个参数，通过优化第3个参数后得到的分析结果，为了获得最优射流质量，将参数进行组合设计。在射孔过程中要求喷嘴的压差不能太大，可以选择出口直径d≥4.5 mm，直柱段长度l2≤12 mm，入口段曲线半径R=9 mm附近的某个值。射流速度与喷嘴出口直径有关，选择出口直径d≤4.8 mm；射流密集性与喷嘴出口直径和直柱段长度有关，可选择出口直径d≥4 mm，直柱段长度l2≥7 mm。在实际设计中，直柱段l2还应结合喷枪壁厚限制、射流时压降损失与射流密集性的重要程度。入口直径对射流质量影响不大，为了降低加工难度，选择入口直径D=2d。在排量为1.0 m3/min情况下射孔，喷嘴的最优结构参数如表3所示。

表3 最优结构参数 mm

4 现场应用

在大庆油田古龙南3口地质情况相同井进行了现场试验，施工参数与仿真参数相同，古龙南XX-1井和古龙南XX-2井中喷嘴形状分别采用锥直形喷嘴和圆弧形喷嘴，其结构参数如表1。通过图10射孔压力施工曲线可以看出，古龙南XX-2井圆弧形喷嘴施工压力低于古龙南XX-1井锥直形喷嘴约为17%，与图3中圆弧形喷嘴压降损失优于锥直形喷嘴相符。因此，在相同地质条件下射孔，锥直形喷嘴将会增加施工压力，在这种情况下极容易脱砂砂堵。

古龙南XX-3井也采用了圆弧形喷嘴，但喷嘴的结构参数不同于表1中圆弧形喷嘴结构参数，其中喷嘴出口直径为4 mm,入口直径为8 mm,直柱段长度为12 mm,入口曲线半径为8 mm。试验开始时采用泵压与古龙南XX-2井相同，发现难以形成多条裂缝；当提高泵压以后，可形成多条裂缝。当取出工具后，发现喷砂器外套磨损严重，最大磨损当量直径约为98.5 mm，如图11a所示；而古龙南XX-2中喷砂器外套磨损较轻，最大磨损当量直径约为25.3 mm，如图11b所示。这是由于古龙南XX-3井中喷嘴出口直径以及入口曲线半径小于古龙南XX-2井中喷嘴，同时直柱段长度高于古龙南XX-2井中喷嘴，因此，古龙南XX-3井中喷嘴虽然射流速度高，但射流密集型差，压降损失也多，与图4～9描述相符，这就导致在泵压相同情况下，难以形成多条裂缝，提高泵压后磨损加剧。在实际生产过程中，研制的最优圆弧形喷嘴可以降低泵压，从而减少脱砂砂堵现象，且减少了外套磨损，可降低施工成本，同时提高了喷嘴射流密集性，易形成多裂缝。

图10 射孔压力施工曲线

图11 不同结构参数喷砂器外套磨损对比

5 结论

1) 在水力喷射环空加砂压裂射孔过程中，圆弧形喷嘴的射流速度、射流密集性以及压降损失都优于常规锥直形喷嘴。

2) 喷嘴的出口直径越小，射流速度越大，压降损失越大、射流密性越差；喷嘴直柱段长度越长，压降损失越大、射流的密集性越好；随着喷嘴的入口流道曲率半径增大，压降损失呈现先降低后增大规律，曲率半径为9 mm时达到最低；喷嘴的入口直径对喷嘴的射流质量影响不大。

3) 水力喷射环空加砂压裂喷嘴结构优化设计结果：喷嘴流道采用圆弧形，喷嘴出口直径4.5～4.8 mm，直柱段长度7～12 mm，入口曲率半径9 mm，入口直径D=2d。

4) 现场应用表明，最优圆弧形喷嘴结构可以减小压降损失、提高射流密集性，从而在实际生产过程中减少脱砂砂堵现象，减小外套磨损情况，节约成本，并易形成多裂缝。