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開發(fā)應(yīng)用

水力噴射工具腐蝕原因及改進(jìn)措施

謝剛?cè)錫，王永清b，向揚(yáng)a

（西南石油大學(xué)a．石油與天然氣工程學(xué)院；b．油氣藏地質(zhì)及開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，成都610500）

水力噴射工具的腐蝕損壞問題是水力噴射壓裂增產(chǎn)作業(yè)當(dāng)中的關(guān)鍵問題之一。從噴嘴和噴射工具本體2個(gè)方面分別闡述了磨料射流的腐蝕機(jī)理。結(jié)合噴射工具的常見腐蝕現(xiàn)象，提出3個(gè)方面的措施來減緩噴射工具腐蝕，即改善噴嘴結(jié)構(gòu)、提高噴射效率和使用油管射孔、環(huán)空壓裂工藝，以求達(dá)到延長(zhǎng)噴射工具使用壽命的目的。

水力噴射工具；腐蝕；措施

目前，水力噴射壓裂工藝因具有能避開固井問題、不需要機(jī)械封隔、后期管柱可以按需拖動(dòng)等特點(diǎn)而逐步成為我國(guó)增產(chǎn)作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)之一。噴射工具的磨蝕損壞普遍存在，這已然成為制約水力噴射壓裂增產(chǎn)工藝技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，找出包含在腐蝕破壞中的確切機(jī)理，同時(shí)配合更合理的措施及工藝才能對(duì)其進(jìn)行有效保護(hù)。

1　水力噴射工具損壞機(jī)理

高壓、高速噴射流體流經(jīng)噴嘴時(shí)對(duì)噴嘴有較強(qiáng)的磨蝕作用，對(duì)噴射工具本體內(nèi)外部均存在腐蝕，噴射工具外部的回濺腐蝕尤為嚴(yán)重。下面就噴嘴腐蝕、噴射工具本體腐蝕分別進(jìn)行闡述。

1．1 噴嘴腐蝕機(jī)理

磨料射流對(duì)噴嘴的腐蝕是以高速磨料粒子對(duì)噴嘴的磨損為主，包括滑動(dòng)磨料磨損、沖擊破碎、高應(yīng)力碾碎式磨料磨損、沖蝕磨損等，對(duì)噴嘴起決定作用的是滑動(dòng)磨料磨損，微切削、微變形或疲勞是噴嘴失效的主要形式。噴嘴的磨損影響因素十分復(fù)雜，目前還沒有專門描述噴嘴磨蝕損壞的理論模型，只進(jìn)行過相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)。薛勝雄等給出的噴嘴內(nèi)壁實(shí)際磨損與預(yù)期磨損的一個(gè)比較圖，可以看出噴嘴入口處受到的磨蝕作用最明顯，沿著噴射流體的方向磨蝕作用明顯降低［1］，可以通過控制合理的射流壓力、磨料材質(zhì)和粒度等參數(shù)以及提高噴嘴材料的硬度提高噴嘴的使用壽命。

1．2 噴射工具本體腐蝕機(jī)理

經(jīng)過多次的室內(nèi)試驗(yàn)研究并對(duì)比實(shí)際施工作業(yè)后噴射工具的實(shí)際損壞形態(tài)，噴射工具本體腐蝕通常包含以下3種［2］（同時(shí)或組合存在）。

1） 噴射流體回濺腐蝕。噴射流體從噴嘴以約200 m／s高速噴出，在靶體上形成一定大小的凹坑，這個(gè)凹坑引導(dǎo)流體返出，產(chǎn)生一個(gè)反射到噴射工具外壁的高速返射流（如圖1），此過程將在噴射工具本體、噴嘴周圍產(chǎn)生一個(gè)環(huán)狀腐蝕帶（如圖2）。

圖1　回濺腐蝕示意

圖2　回濺腐蝕實(shí)物對(duì)照

磨料射流沖擊套管壁的初期屬于壁面紊動(dòng)沖擊射流，可分為圓形自由射流區(qū)（Ⅰ區(qū)）、沖擊區(qū)（Ⅱ區(qū)）、徑向壁面射流區(qū)（Ⅲ區(qū)）3個(gè)流動(dòng)區(qū)域［3］，沖擊區(qū)是自由射流區(qū)和壁面射流區(qū)的過渡區(qū)域，出現(xiàn)明顯的彎曲，而且由于射流滯止，射流內(nèi)部存在極大壓力梯度。噴射工具的回濺腐蝕主要是和壁面存在一定夾角的徑向壁面射流的沖蝕腐蝕，如圖3所示。

磨料射流中的磨料顆粒和流體之間存在速度差，流體受到固體顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力的反作用力是固體顆粒加速的動(dòng)力。

式中：F為球形顆粒與流體阻力，N；A 為顆粒截面積，m2；uW，ua為流體、顆粒的速度，m／s；ρW為液體密度，kg／m3；CD為阻力系數(shù)，由顆粒雷諾數(shù)決定，無量綱。

圖3　徑向壁面射流流動(dòng)示意

圖4為試驗(yàn)得出的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系曲線，反射流雷諾數(shù)在103～105時(shí)，CD幾乎不變，一般可取CD＝0．44～0．50。

圖4　CD值與雷諾數(shù)關(guān)系曲線［3］

2） 工具內(nèi)過度射流腐蝕。假設(shè)噴嘴出口噴速210 m／s，油管內(nèi)流面積與所有噴嘴內(nèi)流面積之和的比值為10∶1，那么油管內(nèi)流體流速達(dá)21 m／s，噴嘴入口處的流體轉(zhuǎn)向時(shí)磨料顆粒被高速甩出，流體和磨料顆粒撞擊噴嘴下方噴射工具內(nèi)壁，造成損壞如圖5～6所示。

圖5　過度射流腐蝕示意

圖6　過度射流腐蝕實(shí)物

3） 科里奧利腐蝕?？评飱W利腐蝕不如過度射流腐蝕常見。過度射流使得流體存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，必須存在一定的管柱簡(jiǎn)諧振動(dòng)，兩者組合起來才會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)噴嘴附近沿著軸向的流體高流速環(huán)狀運(yùn)動(dòng)，即科里奧利運(yùn)動(dòng)。流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，配合磨料顆粒的碰撞沖刷，在噴射工具內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)狀腐蝕，它的作用使得嵌入的噴嘴相對(duì)向內(nèi)伸出，如圖7～8所示。

圖7　科里奧利腐蝕示意

圖8　科里奧利腐蝕實(shí)物

管柱簡(jiǎn)諧振動(dòng)模型［4］：

內(nèi)部充滿流體等截面直管，受振動(dòng)載荷時(shí)流體滿足一維波動(dòng)方程：

考慮流體附加液動(dòng)壓力連續(xù)油管柱縱向振動(dòng)方程：

式中流體附加質(zhì)量：

對(duì)以上方程求解可以得到連續(xù)油管振動(dòng)頻率方程，再對(duì)x求導(dǎo)可得振動(dòng)載荷：

式中：p為液動(dòng)壓力，MPa；uk為聲波時(shí)速，m／s；Eν為彈性模量，207 GPa；Ad為油管橫截面積，cm2；μn為流體黏度，mPa·s；ρf為流體密度，g／cm3；ωn為油管固有頻率，Hz；Ai為油管內(nèi)徑截面積，cm2；Di為油管內(nèi)徑，cm；l為油管段長(zhǎng)，m。

從以上可以看出，當(dāng)管柱振動(dòng)頻率和油管柱固有頻率相近時(shí)，會(huì)加劇油管柱的振動(dòng)，一方面噴嘴附近流體在管柱簡(jiǎn)諧振動(dòng)的擾動(dòng)作用下導(dǎo)致科里奧利腐蝕；另一方面，隨著油管柱振動(dòng)頻率的升高，造成的動(dòng)載荷越大，對(duì)管柱的破壞作用越大。

2　噴射工具損壞減緩措施

自1998年Surjaatmadja提出水力噴射壓裂相關(guān)概念［5］開始至今的十幾年中，水力噴射工具腐蝕的減緩及防護(hù)一直貫穿其中，其中包括工具材料表面硬度的提高［6］，工具結(jié)構(gòu)的改善，新工具的研發(fā)，工藝措施的改進(jìn)等，下面就噴射工具結(jié)構(gòu)、噴射效率、工藝措施3方面進(jìn)行闡述。

2．1 噴射工具結(jié)構(gòu)的改善

從起初簡(jiǎn)單的噴射工具中鉆孔到硬度更高的碳化噴嘴插入工具當(dāng)中，國(guó)外普遍采用的是在噴射工具本體之上進(jìn)行螺旋型布孔，在設(shè)計(jì)要求的位置安置噴嘴，其他位置采用盲堵封閉，噴嘴通過螺紋與噴射工具本體相連［7］，這樣的設(shè)計(jì)更換噴嘴方便、簡(jiǎn)單，而且可以對(duì)噴嘴的排列組合進(jìn)行隨時(shí)修改，如圖9～10所示。

由于技術(shù)保密等原因，國(guó)外文獻(xiàn)對(duì)噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表述基本沒有，中國(guó)石油大學(xué)（北京）李根生等通過理論分析及大量試驗(yàn)研制出了水力噴射工具，已在國(guó)內(nèi)部分油氣田企業(yè)得到了應(yīng)用，通過優(yōu)選得出了目前常用的圓錐帶圓柱出口段噴嘴［8］結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖9　噴射工具實(shí)物

圖10　帶螺紋噴嘴

圖11　磨料射流噴嘴結(jié)構(gòu)

噴嘴出口內(nèi)外2個(gè)截面采用伯努利方程：

連續(xù)性方程：

忽略2個(gè)截面間高度差，同時(shí)假設(shè)進(jìn)出口密度不變，由式6～8可得：

李更生［9］等假設(shè)p1＞＞p2，（d1／d2）4＜＜1， ρ＝998 kg／m3，簡(jiǎn)化理論射流流速表達(dá)式：

式中：u1為噴嘴出口截面內(nèi)流速，m／s；u2為噴嘴出口截面外流速，m／s；uj為簡(jiǎn)化理論射流流速，m／s；p1為噴嘴出口截面內(nèi)壓力，MPa；p2為噴嘴出口截面外壓力，MPa；p為噴嘴入口和出口壓力差，MPa；q為理論流量，m3／s；d為噴嘴直徑，m；ρ為噴射流體密度，kg／m3。

李根生等根據(jù)計(jì)算及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定了噴嘴長(zhǎng)度為16 mm、出口直徑6 mm、圓錐角60°等結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2．2 噴射效率的提高

射流切割效率的提高可以迅速縮短噴射時(shí)間，從而大幅縮短噴射工具暴露在回濺射流中的時(shí)間，同時(shí)還可以降低射流切割成本。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，質(zhì)量沖蝕率受射流入射角的影響較為明顯，對(duì)于塑性材料來講，入射角為20～30°時(shí)質(zhì)量沖蝕率出現(xiàn)最大值［5］。

Surjaatmadja等人設(shè)計(jì)了1個(gè)噴射工具［2］，它的噴嘴在徑向存在5～10°的夾角，通過室內(nèi)測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果非常好，過去需要幾分鐘的切割只用了幾秒，平均切割時(shí)間縮短了2／3以上。

噴射效率提高的同時(shí)，噴射工具外部回濺腐蝕問題變得更加嚴(yán)重，回濺射流“切割”得更深、更集中，而且具有明顯的方向性，如圖12所示。

圖12　帶角度噴嘴回濺腐蝕實(shí)物

Surjaatmadja改變了將小噴嘴插入大而且重的工具本體的傳統(tǒng)做法，制造大且重的噴嘴插入薄且質(zhì)量輕的工具本體。改進(jìn)后的工具內(nèi)部采用硬化合金材料整體加工，在本體上按照要求鉆成具有一定的角度和大小的噴嘴，外壁犧牲材料體較軟，這樣使得工具具有較高噴射效率的同時(shí)，噴射回濺流體在沖蝕完?duì)奚牧虾髮⒂龅礁鼒?jiān)硬、更耐用的本體。室內(nèi)試驗(yàn)在31 MPa噴嘴壓降、通過22．5 t支撐劑情況下形成有效切割只需要3～7 min（常規(guī)作業(yè)需要30～60 min），在整個(gè)工作過程中發(fā)生了回濺腐蝕，但磨蝕量實(shí)際上比傳統(tǒng)工具遭受到的磨蝕程度大幅減小，如圖13所示。

圖13　經(jīng)過嚴(yán)重室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試后的噴射工具

2．3 工藝措施的改進(jìn)

主要采用的是油管水力噴砂射孔、環(huán)空壓裂［HydrajetPerf-AnnulusPath（HPAP）］的方法［8-12］，這樣做的好處有4點(diǎn)：

1） 大幅降低水力噴射時(shí)間，延長(zhǎng)噴射工具的使用壽命。

2） 地面泵注設(shè)備不需要一直保持高壓，減少故障的可能性。

3） 環(huán)空截流面積大，更有利于攜砂，防止早期脫砂。

4） 環(huán)空升壓至接近地層破裂壓力和延伸壓力，利用水力噴射及水力增壓控制地層裂縫的起裂和延伸，改善了其準(zhǔn)確性和有效性，水力噴砂射孔可以有效降低地層破裂壓力和延伸壓力。

3　結(jié)論

1） 通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外水力噴射工具研究現(xiàn)狀，分析得出造成水力噴射工具腐蝕損壞的主要原因是噴射流體回濺腐蝕，且主要發(fā)生在射開套管的幾分鐘內(nèi)。國(guó)外學(xué)者轉(zhuǎn)變將耐磨性高的噴嘴嵌入噴射工具本體當(dāng)中的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，反其道而為之，試驗(yàn)效果很好。

2） 通過觀察大量噴射工具本體的腐蝕情況，腐蝕集中在噴嘴周圍一定直徑范圍內(nèi)的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，在噴嘴的出口端面上增加一個(gè)和噴嘴材料相同的“盤”形防護(hù)板，在很大程度上可以減緩腐蝕。

3） 噴嘴普遍采用的是圓柱段出口，已有學(xué)者提出在噴嘴圓柱段入口和出口分別加工圓弧形倒角［11］以降低噴嘴內(nèi)部磨損并提高噴射流體利用效率的目的，建議進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)論證。

4） 關(guān)于反射流模型的研究很少，回濺腐蝕的區(qū)域主要依靠現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判定；磨料脈沖射流相比連續(xù)射流切割效率高很多，磨料脈沖射流噴嘴在水力噴射壓裂應(yīng)用是今后的研究方向。

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Mechanism of Damage and Protection of Hydrajet Tool

XIE Gangrua，WANG Yongqingb，XIANG Yanga
（a．College of Oil and Gas Engineering；b．State Key Laboratory of Oil and Gas Reseruoir Geology and Exploration，Southwest Petroleum Uniuersity，Chengdu 610500，China）

Corrosion damage of hydrajet tool is one of the key problems of hydraulic fracturing stimulation．Abrasive jet corrosion mechanism in two aspects of nozzle and hydraje tool body are expounded in this paper．Combined with common hydrajet tools’corrosion-site construction，it proposed three measures to mitigate tool corrosion．That is，improving the nozzle structure，enhancing the jetting efficiency and using Hydrajet Perf-Annulus Path fracturing process to prolong the life of the jetting tool．

hydrajet tool；corrosion；measure

TE934．207

B

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．012

1001-3482（2015）02-0055-05

2014-08-14

謝剛?cè)澹?987-），男，重慶人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗娚吧淇淄昃珽-mail：13488984673＠163．com。