可调角度式水力喷射压裂喷枪设计与优化

２ 主要部件结构优化
       在水力射孔及压裂过程，喷枪喷嘴及外壁易受到支撑剂冲蚀破坏，严重时可造成喷嘴脱落、工具失效等后果。所以，喷枪喷嘴的可靠性（几何形状，耐压性，耐冲蚀性等）成为制约喷枪使用寿命的关键因素。此外，水力喷射时，喷枪外部会受到两相流反溅冲蚀，也会降低喷枪的使用寿命。因此，需要对喷嘴与外部护板进行设计优化。
       利用拉格朗 日－欧 拉 两 相 流 模 型 计 算 支 撑 剂 运动轨迹［６］，首先要计算流体的流动参数，其次根据颗粒受基液作 用 力 测 算 颗 粒 运 动 轨 迹 及 撞 击 壁 面 参数，再次通过冲蚀计算式得到局部壁面的冲蚀速率，二维连续不可压缩介质连续方程与动量方程可表示
如下：
       冲蚀速率一般与颗粒撞击速度、撞击角度和颗粒几何参数有关，根据 Ａｈｌｅｒｔ［８］和 ＭｃＬａｕｒｙ［９］的研究，冲刷速率公式由下式确定：ＥＲ＝ＡＦｓｖｎｐｆ（α） （１０）式中，Ａ 为实验得出的系数；ｎ 为实验得到的参数；Ｆｓ 为与颗粒表面尖锐度有关参数（若颗粒表面为粗糙面，Ｆｓ＝１．０；若颗粒表面为半光滑球面，Ｆｓ＝０．５３；若颗粒表面为光滑球面，Ｆｓ＝０．２）。
２．１ 喷嘴结构优化
       根据前人［２］研究结果，等变速曲线喷嘴等速核最长，压力损失最小。考虑喷嘴具有一定的壁厚且不宜过 长，所 以 选 择 ５°锥 型 过 渡 喷 嘴，最 大 壁 厚４ｍｍ，既保证喷嘴有足够的冲蚀余量，同时使喷嘴内流道平滑。喷嘴外围设计宽２ｍｍ 台肩，防止其受内压脱落。
       由于 ＹＧ８与 ＹＧ６ｘ为 硬 质 合 金 脆 性 材 料，冲蚀机理与 塑 性 Ｐ１１０ 钢 不 同，多 以 表 面 受 撞 击，造 成材 料 片 状 剥 落 为 主。 通 过 实 验 数 据 拟 合 及 式（１０）计算，硬质合金材料冲蚀速率小于 ０．１ ｍｍ／ｍｉｎ（ｖ＝１９０ｍ／ｓ），在高速磨料射流基本可以满足射孔压裂需要。对于常用套管 Ｐ１１０钢级材料，通过测量其在不同流速下的冲蚀速率（ｍｍ／ｍｉｎ），进行公式拟合，得出相关系数［１０］。依据式（１０）计算出射孔 流 速 下 的 Ｐ１１０ 套 管 冲 蚀 速 率，如 图 ３ 所示。对于１３９．７ｍｍ×９．１７ｍｍ 壁厚套管，在射孔排量达到１．５ｍ３／ｍｉｎ（１９０ｍ／ｓ）时，套管壁厚减薄达到４．３ｍｍ／ｍｉｎ（理想值），２０ｍｉｎ内可形成足够压裂的导流通 道（包 括 套 管、水 泥 环、地 层 孔 道）。因此，根据射孔开孔需要，选定射孔排量为１．０～１．８ｍ３／ｍｉｎ。
       在满足开孔需要的同时，需同时考虑４个喷嘴（６ｍｍ）总压降及承重件孔（１０ｍｍ）总压降，喷嘴压降过大，将造成油管管内憋压过大，造成工具及密封失效；如果喷嘴压降过小，则可能使水力扩张式封隔器无法坐封，喷嘴流速过低，射 孔 时 间 过 长 等 结果。因此，依据式（１１）计算４个喷嘴喷枪的喷嘴压降随排量变化。
       根据冲蚀及喷嘴压降的计算结果，对于４喷嘴喷枪选用射孔排量１．１～１．６ｍ３／ｍｉｎ，保证喷嘴液体流速在１４２～２０１ｍ／ｓ，此时喷嘴压降为１５～３６ＭＰａ，可满足射孔要求。此外，根据喷嘴材料的冲蚀速率和几何形状对孔内流速分布的影响，设计喷嘴结构如图４所示，选用 ＹＧ８（硬度 ＨＲＡ８９）硬质合金材料，４ｍｍ 壁厚可满足至少５层射孔压裂的耐冲蚀性；此外，平滑过渡内壁可使液体过喷嘴的流速波动减小，从而降低喷嘴内动压力波动。
２．２ 护板结构优化
       外部护板 采 用 ＹＧ６ｘ（硬度 ＨＲＡ９１）硬质合金材料，圆筒形两半对接于喷枪外壁。根据质量守恒原理计算单孔喷嘴液体流速随压裂排量的变化，当液体排量为１．６ｍ３／ｍｉｎ时，喷 嘴 处 的 液 体 流 速 最高可达２０６ｍ／ｓ，如图３所示，此时颗粒在高速流体的携带作用下被加速，冲击套管壁面，达到射孔的目的。但是，由图６可以看出，在未 射 开 套 管 和 地 层时，颗粒磨料撞击套管壁会返溅到喷枪本体外侧，对盖板形成强烈的冲蚀作用，造成喷枪外部喷嘴周围材料流失。由于喷枪与套管为圆柱体结构，所以射孔磨料反溅喷枪外壁呈现不规则近似椭圆形区域，轴向伸展长度大 于 径 向 伸 展 长度（如图６）。其中，喷枪外壁反溅冲蚀区域面积主要与套孔深度、射流速度以及固相颗粒质量有关，随套管射孔深度增大，液体在套孔中的反溅角度减小，从而喷枪外壁反溅冲蚀区域逐渐缩小；当射孔液流速增大时，喷枪外壁反溅冲蚀区域增大；颗粒质量增大，将会增大其运动质量力，受液体曳力影响将会降低，也会减小反溅冲蚀的区域。通过计算射孔排量１．６ｍ３／ｍｉｎ时的反溅冲蚀区域（如图６），最大轴向反溅直径３２ｍｍ，径向反溅直径２７ｍｍ。
       因此，对于外部防冲蚀盖板的设计，基于安全考虑，最大射孔排量设计为１．８ｍ３／ｍｉｎ，此时轴向反溅直径３９ｍｍ，径向反溅直径３２ｍｍ。所以，设计喷嘴外 两 边 护 板 各 延 伸 ５０ ｍｍ。由 于 盖 板 选 用ＹＧ６ｘ硬质合金，冲蚀速率与喷嘴相近，所以选用４ｍｍ 壁厚弧形硬质合金盖板，保护喷枪本体。