水平井套管水射流开窗装置的结构设计

吕志利

(大庆油田钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163000）

从全国范围来看，低渗碳油气资源，十分丰富，而且就现今形势来说，我国很多油田开发已经进入中后期，生产能力不足，储量聚减，成为急需攻克的困难，因此现在的当务之急是加强径向水平井的研究以及后续技术的研发与改进。这对我国油气藏高效开发具有非常大的经济效益，而且能够极大提高我国石油工业在国际上的竞争力，具有长远的战略意义。

目前，水力深穿透射孔技术已成功应用于竖直井。但是对于水平井，用传统的钻铣工艺开窗存在很大的问题，主要是由于开窗装置的自重。因而提出采用高压水射流开窗的工艺方法。

1 总体方案设计

参照原有的水力深穿透射孔技术，水力深穿透射孔技术的系统原理如图1所示。

图1 水力深穿透射孔系统原理图

首先引导机械钻头至油田井下的目标层段，导向装置将机械钻头由垂直方向转为水平方向，然后启动机械钻头，锻铣套管及扩孔，在套管上形成水平的孔眼，然后收回钻头，将高压软管及高压水射流喷头送至井下目标层段，喷头通过机械钻头钻出的孔眼，进入目标层段的油层。

采用的工艺方法也是采用两次加工方法，首先设计一个导向装置，下到井下指定位置，然后也是利用导向装置引导水平井套管水射流开窗装置到达井下指定位置，然后启动水射流开窗装置，在套管上形成孔眼。然后同样是收回开窗装置，最后将高压软管及高压水射流喷头送至井下目标层段，喷头通过水射流开窗装置射出的孔眼，进入目标层段的油层。基于此想法，进行开窗喷嘴和导向装置的结构设计。

2 喷嘴的结构设计

设想用一系列具有相对位置的喷孔去同时对套管进行冲蚀磨损，但是每个喷孔的磨损范围有限，所以就想方设法把这些喷孔喷出的小孔连接在一起，以此来增大开窗效果，达到后续工序的要求。据此初步设计了以下方案。

（1）方案一。本方案的思想就是将一定数目的喷孔圆周阵列在一起，同时进行射流开窗，以达到扩大开窗范围的效果。

本方案中，喷嘴内径设计为13mm，中间喷孔的直径为3mm，边缘喷孔的直径是2mm，喷孔数目是10个，喷孔与轴心线的夹角为20°，边缘喷孔的起始位置到喷孔最前端的距离为20mm。

（2）方案二。方案二是在方案一的基础上进行改进，喷嘴内径设计还是13mm，中间喷孔的直径改为4mm，边缘喷孔的直径是2mm，边缘喷孔数目改为12个，喷孔与轴心线的夹角改为15°，边缘喷孔的起始位置到喷孔最前端的距离为20mm不变。

（3）方案三。方案三也是在方案一的基础上进行修改，喷嘴内径设计为13mm，中间喷孔去掉，边缘喷孔的直径改为2.5mm，边缘喷孔数目是10个，喷孔与轴心线的夹角为20°，边缘喷孔的起始位置到喷孔最前端的距离为20mm不变。

（4）方案四。本方案中，喷嘴内径设计为13mm，没有中间喷孔，以增大边缘喷孔的压力，边缘喷孔的直径为2.5mm，喷孔数目为10个，喷孔与轴心的夹角为20°，边缘喷孔起始位置到喷孔前端的距离为10mm。

方案二、三、四总体来说就是在方案一的结构上进行优化，调整喷头直径、喷孔的个数以及喷孔与轴线的夹角，最重要的调整就是方案四的改变喷孔起始位置到喷嘴最前端的距离，也就是间接地改变靶向距离，是改变冲蚀效果的关键。

3 导向器的结构设计

为了使喷嘴能够固定在某一指定位置，除了设计喷嘴外，还需要设计相应的辅助装置，导向器的设计就是面向这一难题。

其相关尺寸都是根据喷嘴的结构尺寸进行确定的，以保证喷嘴的位置精确且固定。导向器的初步设计思想就是在进行水平井水射流开窗工作时，首先将导向器导入井下指定位置并固定，然后将连接软管的喷嘴放入到导向器中，也就是顺着导向器里边的轨道到达指定位置。导向器的另外一个重要作用就是当开窗工序完成以后，为了保证后续工序能够准确地找到开窗位置提供很大帮助，所以初步设计了导向器这一重要的辅助装置。

4 FLUENT数值模拟分析

4.1 方案一数值模拟结果

（1）在入口速度40m/s，入口压力10MPa，靶向距离8mm，磨料粒径0.4mm，磨料浓度5%的条件下。

（2）在入口速度60m/s，入口压力20MPa，靶向距离8mm，磨料粒径0.4mm，磨料浓度10%的条件下。

（3）在入口速度80m/s，入口压力40MPa，靶向距离8mm，磨料粒径0.8mm，磨料浓度5%的条件下。

（4）在入口速度80m/s，入口压力40MPa，靶向距离8mm，磨料粒径0.8mm，磨料浓度10%的条件下，冲蚀磨损结果如图2所示。

图2 磨损效果图

4.2 方案二数值模拟结果

（1）在入口速度40m/s，入口压力15MPa，靶向距离8mm，磨料粒径0.4mm，磨料浓度5%的条件下。

（2）在入口速度60m/s，入口压力30MPa，靶向距离8mm，磨料粒径0.4mm，磨料浓度5%的条件下。

（3）在入口速度80m/s，入口压力50MPa，靶向距离8mm，磨料粒径0.4mm，磨料浓度5%的条件下。

（4）在入口速度80m/s，入口压力50MPa，靶向距离8mm，磨料粒径0.4mm，磨料浓度10%的条件下，冲蚀磨损结果如图3所示。

图3 磨损效果图

4.3 方案三数值模拟结果

（1）在入口速度40m/s，入口压力20MPa，靶向距离8mm，磨料粒径0.4mm，磨料浓度5%的条件下。

（2）在入口速度40m/s，入口压力20MPa，靶向距离4mm，磨料粒径0.4mm，磨料浓度5%的条件下。

（3）在入口速度80m/s，入口压力40MPa，靶向距离8mm，磨料粒径0.8mm，磨料浓度10%的条件下。

（2）在入口速度80m/s，入口压力40MPa，靶向距离8mm，磨料粒径0.8mm，磨料浓度10%的条件下，冲蚀磨损结果如图4所示。

图4 磨损效果图

4.4 方案四数值模拟结果

（1）在入口速度40m/s，入口压力10MPa，靶向距离8mm，磨料粒径0.4mm，磨料浓度5%的条件下。

（2）在入口速度60m/s，入口压力20MPa，靶向距离8mm，磨料粒径0.4mm，磨料浓度5%的条件下。

（3）在入口速度80m/s，入口压力40MPa，靶向距离4mm，磨料粒径0.4mm，磨料浓度5%的条件下。

（4）在入口速度80m/s，入口压力40MPa，靶向距离4mm，磨料粒径0.4mm，磨料浓度10%的条件下，冲蚀磨损结果如图5所示。

图5 磨损效果图

5 综合分析

（1）通过用Fluent 软件对Gambit 几何模型的流体仿真实验效果图，对比得出边缘喷孔的数目为10个时最合适。

（2）通过对以上冲蚀效果图的对比分析，得出入口压力在40～50MPa之间能得到较好的开窗效果。

（3）通过对比分析发现，磨料浓度和磨料颗粒的粒度对冲蚀效果的影响不是很大，但要注意粒度过大对喷孔的堵塞作用。

（4）通过对比四个方案的冲蚀效果，发现方案四的冲蚀效果最为理想，为本文所选方案。

（5）结合喷嘴的尺寸和喷孔相对轴线的角度等相关参数，估计计算得出开窗面积大约为20mm2。

6 结论

针对水平井套管水射流开窗装置的结构设计这一问题，采用理论分析与Fluent 数值模拟分析相结合的方法，首先分析了磨料射流的开窗原理，然后提出方案，最后用Fluent数值模拟分析方案的可行性，并且对喷嘴进行结构优化。得出以下几点结论：

（1）综合分析，针对水平井及深穿透射孔技术的特点，提出了水平井套管水射流开窗的射孔开窗方法。

（2）综合分析各种条件下的冲蚀效果图，得出最优喷孔数目为10 个，最优角度为20°，喷孔直径最优为2.5mm。

（3）通过控制入口的速度，来改变入口压力的方法，发现实际入口压力在40～50MPa左右最为合适。

（4）之所以方案四的开窗效果最好，是因为方案四的喷孔起始位置到喷嘴最前端的距离极大地缩短，这样便充分利用水射流初始段的动能，达到较为理想的开窗效果。