可调角度式水力喷射压裂喷枪设计与优化

       水力射孔压裂工艺是利用高速水磨料混合液体对套管及地层进行冲蚀开孔，产生单向孔道，从而进行压裂施工［１］。一直以来，射孔开孔速度、喷嘴压降、喷嘴几何结构及材料选型等都是研究水力射孔的重点。延长喷射时间和提高射流流速可以有效增加射孔深度［２］。但是，过高的射孔流速会增大孔眼压降，造成泵压升高。通常，射孔流速在１８０～２５０ｍ／ｓ［３］，同时还要改进喷嘴内部结构［４－５］，降低压力损失，提高喷嘴耐磨性，从而增大喷枪服役时间。传统水力喷枪的喷嘴多采用多排、相位间隔布 置，可以周向进行压裂。如果水层与压裂段相隔较近，采 用 周 向 压 裂 方式，容易压穿水层，造成淹井。此外，水平井射孔后，喷嘴是竖直放置，易受被地层掉落岩石堵塞，影响后续压裂施工。本文根据井下射孔、压裂需要，研发了可径向改变喷射角度的水力喷枪。根据喷嘴压降及射孔性能，优化该喷枪的喷嘴结构，增加外部护板，以保护喷枪本体，延长了喷枪的使用寿命。
１ 可调角度喷枪结构设计
１．１ 工作原理
       可调角度式水力喷枪利用机械齿啮合原理，以改变喷嘴沿周向的喷射角度，其结构如图１所示，主要由上、下端接头、中间动部件、承重部件以及外层护板组成。其中，上、下端接头与承重件依靠螺纹连接，使喷枪能够承受轴向拉压力与径向内外压力；喷枪内部圆柱形动件机构安装有４个喷嘴，２排对称布置。动件两端设计有偏梯形转向齿（动齿），与接头端同尺寸偏梯形齿（静齿）啮合，起到支撑作用。需要进行喷枪转向时，在油管内投球，落于喷枪球座上。油管内加液压，依靠液压力推动动部件轴向后移，压缩弹簧，使前端动静齿分离，后端动静齿逐渐落位。利用轴向作用力在齿面径向的分力旋转动部件，达到喷嘴转向的目的。随后，齿面位移传感器探测后端齿面啮合完成，发出信号至地面，油管卸压，利用弹簧弹力推动动部件前移，前端动静齿咬合，使喷嘴第２次旋转。１个冲程２次旋转，喷嘴共完成单向４５°旋转。可反复加压，达 到 单 向 改 变 喷 嘴 角度的目的。完成喷嘴转向后，将投球回收，进行射孔压裂施工。
       其中，动部件机构包括喷嘴、喷嘴支撑件、弹簧以及球座。动部件本体与承重件接触的前端安装外径 Ｏ 形密封圈（２件），其目的是保证油管内部憋压，推动动部件向后运动。弹簧一端与旋转件连接，另一端压在固定端面上（可安装轴承以减小周向转动阻力）。整个动件工作时，周围浸没于液体中，可保证弹簧不会因为油管液柱静压力而压缩。动件密封圈保证动件在运动时能够坐封，产生压差，使油管内压力升高，推动机构运动。射孔及压裂时，所有动件周围间隙内的液体最终经喷嘴喷出。在进出口安装有防砂板，减少弹簧的砂堵几率。
１．２ 弹簧力计算
       弹簧设计需考虑最大压缩力等效油管压力，小于封隔器坐封压力。否则，在弹簧达到最大压缩量时，上游封隔器可能会提前坐封。弹簧的最小压缩力应大于射孔压裂时液体对球座端面的动压力与动部件表面的摩擦力之和，否则，液体压力可使动部件轴向运 动，造 成 喷 嘴 异 常 转 向。最 大 射 孔 排 量 为１．８ｍ３／ｍｉｎ时，球座所受轴向动压差推力为 式中：ρｉ 为管内液体密度，ｋｇ／ｍ３；ｖ１ 为球座 入 口 流速，ｍ／ｓ：ｖ２ 为球座出口流速，ｍ／ｓ：ΔＡ１ 为球座端面面积，ｍ２；Ｑ１ 为入口液体流量，ｍ３／ｍｉｎ，Ｑ２ 为出口液体流量，ｍ３／ｍｉｎ。
       动件与静部件表面动摩擦力为 式中：μ为摩擦因数；Ｎ 为正压力，Ｐａ；Ｌ 为动件长度，ｍ；ρｔ 为 金 属 密 度，ｋｇ／ｍ３；Ｖ 为 动 件 体 积，ｍ３；ΔＡｌ 为动件截面积，ｍ２。
       取钢与钢间的摩擦因数为０．４５，则弹簧最小轴向工作载荷Ｆｍｉｎ＝Ｆｖ＋Ｆｆ＝２５５．４Ｎ （３）
１．３ 偏梯形齿运动分析
       转动齿采用偏梯形齿，分为动齿与静齿，静齿安装于上、下接头端部，动齿安装于动件两端，可保证动部件定向转动。动、静齿均采用偏梯形齿，保证动静齿只能沿顺时针方向啮合（由上游端看，可以调整方向）。本次设计动静齿均采用４５°相位角布置，周向布置８齿（可以根据需要增加齿数，但是齿数增加会使承重件开孔数增加，导致其抗拉强度降低）。所以，每一次调节，动件可以转动４５°。偏梯形齿啮合与喷嘴转向过程如图２所示。