曹海燕

（中國石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南濮陽457001）

旋轉(zhuǎn)噴槍是一種新型井下水力噴射工具，工作時(shí)連接在射孔槍下端，以旋轉(zhuǎn)噴射的方式強(qiáng)力清洗射孔后的炮眼，也可用于旋轉(zhuǎn)清洗套管內(nèi)壁［1-3］。 眾多科技工作者研制了各具特色的井下旋轉(zhuǎn)射流清洗工具，如吉林油田的水力噴射解堵器［4］、江漢機(jī)械研究所的旋轉(zhuǎn)射流除垢工具［5］、中國石油大學(xué)（北京）的旋轉(zhuǎn)射流多孔噴嘴［6］等，其旋轉(zhuǎn)射流部分均設(shè)置在工具的底端，下部無法連接其它工具，而現(xiàn)有的射孔槍只能連接在管柱末端。 為解決此矛盾，設(shè)計(jì)了一種兩端設(shè)有連接接頭的旋轉(zhuǎn)噴槍工具，可分別連接輸送管柱和射孔槍。

1 旋轉(zhuǎn)噴槍原理

旋轉(zhuǎn)噴槍主要由中心管、旋轉(zhuǎn)套、減阻套和下接頭組成（見圖1）。 中心管的下端與下接頭螺紋密封連接，旋轉(zhuǎn)套和減阻套套裝在中心管上；噴嘴設(shè)置在旋轉(zhuǎn)套上，包括直噴噴嘴和動(dòng)力噴嘴。 入井時(shí)，中心管的上端與投送管柱連接，下接頭與射孔槍串連接。 工作時(shí)，由于中心管和旋轉(zhuǎn)套之間采用徑向非接觸式密封［1］，漏失量極小，所以井口泵送的液體主要從直噴噴嘴和動(dòng)力噴嘴處流出，作用在動(dòng)力噴嘴上的液流形成旋轉(zhuǎn)扭矩促使旋轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)，通過直噴噴嘴的液流形成較大射流沖洗力清洗孔眼和套管內(nèi)壁。 由此可見，旋轉(zhuǎn)噴槍的設(shè)計(jì)核心是動(dòng)力噴嘴和直噴噴嘴的尺寸參數(shù)。

圖1 旋轉(zhuǎn)噴槍結(jié)構(gòu)

2 水力學(xué)理論計(jì)算

噴嘴的孔眼大小不僅影響射流噴出速度，還影響噴嘴處管內(nèi)外壓差，該壓差與連續(xù)油管內(nèi)的摩阻壓降損失疊加影響整個(gè)管柱的承壓能力，所以通過水力學(xué)理論確定連續(xù)油管型號及最大施工排量后，初步設(shè)定滿足施工要求的直噴噴嘴和動(dòng)力噴嘴的孔眼直徑及數(shù)量。

2.1 確定連續(xù)油管型號及最大施工排量

連續(xù)油管的型號及地面施工排量直接影響施工摩阻壓降損失ΔP， 而現(xiàn)場作業(yè)要求連續(xù)油管最大工作壓力70 MPa，可通過計(jì)算對比確定出合適的連續(xù)油管型號及地面施工排量，PTT 和QT 連續(xù)油管制造廠家推薦摩阻壓降損失ΔP 計(jì)算公式如下：

式中，f 為摩阻因子；L 為連續(xù)油管長度，m；ρ 為液體密度，kg/m3；v 為管內(nèi)液體速度，m/s；D 為連續(xù)油管內(nèi)徑，m。

根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)有的連續(xù)油管型號， 施工排量范圍0.3～0.6 m3/min， 按照普光氣田連續(xù)油管施工長度6 000 m 計(jì)算得到摩阻壓降損失（見表1）。

按照現(xiàn)場作業(yè)要求連續(xù)油管最大工作壓力70 MPa 的要求， 從表1 的計(jì)算結(jié)果可以得出?31.75 mm 和?38.1 mm 型號的連續(xù)油管不能用于施工作業(yè)，?44.45 mm 連續(xù)油管最大施工排量為0.35 m3/min，?50.8 mm 連續(xù)油管最大施工排量為0.5 m3/min。

2.2 確定噴嘴孔眼直徑

噴嘴的直徑與施工排量和出口速度有關(guān)：

其中，Q 為地面施工排量，m3/min；Cd為噴嘴流量系數(shù)， 取值0.85；d當(dāng)量為噴嘴當(dāng)量直徑，mm；v 為噴嘴出口速度，最小取值150 m/s。 計(jì)算得到允許施工排量0.3～0.5 m3/min 范圍下噴嘴當(dāng)量直徑取值（見表2）。

表1 不同工況下摩阻壓降損失

表2 不同施工排量下噴嘴的最大當(dāng)量直徑

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，初步設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)噴槍的動(dòng)力噴嘴的孔眼直徑為2 mm，數(shù)量4 個(gè)，直噴噴嘴的孔眼直徑為4 mm， 數(shù)量2 個(gè)， 計(jì)算當(dāng)量直徑為6.93 mm， 符合表2 的要求， 施工排量在0.4～0.5 m3/min范圍內(nèi)。

3 旋轉(zhuǎn)模擬實(shí)驗(yàn)優(yōu)選動(dòng)力噴嘴參數(shù)

旋轉(zhuǎn)噴槍的旋轉(zhuǎn)速度主要由動(dòng)力噴嘴產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩決定，與動(dòng)力噴嘴的數(shù)量、孔眼直徑和相位角有關(guān)。 由于通過簡單的水力學(xué)理論計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)速度數(shù)據(jù)和實(shí)際差別可能很大，所以設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)模擬實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)裝置，通過加工不同參數(shù)的動(dòng)力噴嘴的旋轉(zhuǎn)噴槍進(jìn)行旋轉(zhuǎn)模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來確定動(dòng)力噴嘴的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)介紹

旋轉(zhuǎn)模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要由透明實(shí)驗(yàn)套管及直立控制部件、旋轉(zhuǎn)噴槍提掛短節(jié)、槍身高度控制固定部件、接泵彎頭、盛水箱以及支架等組成（見圖2）。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將裝置按圖示結(jié)構(gòu)安裝完畢，接泵打壓模擬旋轉(zhuǎn)噴射，用MONARCH（蒙那多）PLT200 手持式轉(zhuǎn)速表測量旋轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)速， 觀察記錄泵壓、排量、轉(zhuǎn)速。 更換旋轉(zhuǎn)噴槍或者不同噴嘴的旋轉(zhuǎn)套重復(fù)上述步驟，直至完成動(dòng)力噴嘴的參數(shù)優(yōu)選。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2 旋轉(zhuǎn)模擬實(shí)驗(yàn)裝置

旋轉(zhuǎn)噴槍的旋轉(zhuǎn)速度主要取決于作用在動(dòng)力噴嘴上的液流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩，即液流作用在動(dòng)力噴嘴上的旋轉(zhuǎn)力和相位角產(chǎn)生的力臂的乘積，而旋轉(zhuǎn)力與動(dòng)力噴嘴的孔眼直徑和數(shù)量相關(guān)，力臂與動(dòng)力噴嘴的相位角相關(guān)。 根據(jù)上述關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中多次調(diào)整動(dòng)力噴嘴的參數(shù)直至滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求（見表3）。

表3 旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

續(xù)表3 旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

第2、3、4 次實(shí)驗(yàn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)噴槍均是一開泵就實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速迅速穩(wěn)定下來。 從上表可以看出，轉(zhuǎn)速不僅隨著排量的增加而增大，而且隨著動(dòng)力噴嘴的相位角的增大而增快。 并且2 個(gè)2.5 mm、40°相位角的動(dòng)力噴嘴，2 個(gè)4 mm 的直噴噴嘴的旋轉(zhuǎn)噴槍在0.4 m3/min 排量下轉(zhuǎn)速基本在300 r/min 左右。所以優(yōu)選出動(dòng)力噴嘴的參數(shù)為孔眼直徑2.5 mm、數(shù)量2、相位角40°。

隨后對該噴嘴參數(shù)的旋轉(zhuǎn)噴槍進(jìn)行了清洗套管模擬實(shí)驗(yàn)， 在透明套管內(nèi)側(cè)涂抹0.5～1 mm 厚水泥，噴槍旋轉(zhuǎn)后水泥層被迅速?zèng)_掉（見圖3），滿足清洗管壁的要求。

圖3 清洗套管模擬實(shí)驗(yàn)

4 現(xiàn)場應(yīng)用

普光氣田P101-3 是第一口試驗(yàn)井， 該井已投產(chǎn)井段成功實(shí)施了噴酸及兩級射孔作業(yè)，此次射孔槍的性能參數(shù)略低于投產(chǎn)時(shí)的射孔槍參數(shù)，施工時(shí)旋轉(zhuǎn)噴槍的噴射排量達(dá)0.2～0.45 m3/min， 措施前油壓10.8 MPa，日產(chǎn)氣27.42×104m3，措施后油壓12.3 MPa，日產(chǎn)氣27.48×104m3，有效降低了產(chǎn)出氣從地層流入井筒的阻力，初步驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)噴槍對射孔炮眼的清洗效果，能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。