呂志利

(大慶油田鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163000）

從全國范圍來看，低滲碳油氣資源，十分豐富，而且就現(xiàn)今形勢來說，我國很多油田開發(fā)已經(jīng)進入中后期，生產(chǎn)能力不足，儲量聚減，成為急需攻克的困難，因此現(xiàn)在的當(dāng)務(wù)之急是加強徑向水平井的研究以及后續(xù)技術(shù)的研發(fā)與改進。這對我國油氣藏高效開發(fā)具有非常大的經(jīng)濟效益，而且能夠極大提高我國石油工業(yè)在國際上的競爭力，具有長遠的戰(zhàn)略意義。

目前，水力深穿透射孔技術(shù)已成功應(yīng)用于豎直井。但是對于水平井，用傳統(tǒng)的鉆銑工藝開窗存在很大的問題，主要是由于開窗裝置的自重。因而提出采用高壓水射流開窗的工藝方法。

1 總體方案設(shè)計

參照原有的水力深穿透射孔技術(shù)，水力深穿透射孔技術(shù)的系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 水力深穿透射孔系統(tǒng)原理圖

首先引導(dǎo)機械鉆頭至油田井下的目標(biāo)層段，導(dǎo)向裝置將機械鉆頭由垂直方向轉(zhuǎn)為水平方向，然后啟動機械鉆頭，鍛銑套管及擴孔，在套管上形成水平的孔眼，然后收回鉆頭，將高壓軟管及高壓水射流噴頭送至井下目標(biāo)層段，噴頭通過機械鉆頭鉆出的孔眼，進入目標(biāo)層段的油層。

采用的工藝方法也是采用兩次加工方法，首先設(shè)計一個導(dǎo)向裝置，下到井下指定位置，然后也是利用導(dǎo)向裝置引導(dǎo)水平井套管水射流開窗裝置到達井下指定位置，然后啟動水射流開窗裝置，在套管上形成孔眼。然后同樣是收回開窗裝置，最后將高壓軟管及高壓水射流噴頭送至井下目標(biāo)層段，噴頭通過水射流開窗裝置射出的孔眼，進入目標(biāo)層段的油層?；诖讼敕?，進行開窗噴嘴和導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)想用一系列具有相對位置的噴孔去同時對套管進行沖蝕磨損，但是每個噴孔的磨損范圍有限，所以就想方設(shè)法把這些噴孔噴出的小孔連接在一起，以此來增大開窗效果，達到后續(xù)工序的要求。據(jù)此初步設(shè)計了以下方案。

（1）方案一。本方案的思想就是將一定數(shù)目的噴孔圓周陣列在一起，同時進行射流開窗，以達到擴大開窗范圍的效果。

本方案中，噴嘴內(nèi)徑設(shè)計為13mm，中間噴孔的直徑為3mm，邊緣噴孔的直徑是2mm，噴孔數(shù)目是10個，噴孔與軸心線的夾角為20°，邊緣噴孔的起始位置到噴孔最前端的距離為20mm。

（2）方案二。方案二是在方案一的基礎(chǔ)上進行改進，噴嘴內(nèi)徑設(shè)計還是13mm，中間噴孔的直徑改為4mm，邊緣噴孔的直徑是2mm，邊緣噴孔數(shù)目改為12個，噴孔與軸心線的夾角改為15°，邊緣噴孔的起始位置到噴孔最前端的距離為20mm不變。

（3）方案三。方案三也是在方案一的基礎(chǔ)上進行修改，噴嘴內(nèi)徑設(shè)計為13mm，中間噴孔去掉，邊緣噴孔的直徑改為2.5mm，邊緣噴孔數(shù)目是10個，噴孔與軸心線的夾角為20°，邊緣噴孔的起始位置到噴孔最前端的距離為20mm不變。

（4）方案四。本方案中，噴嘴內(nèi)徑設(shè)計為13mm，沒有中間噴孔，以增大邊緣噴孔的壓力，邊緣噴孔的直徑為2.5mm，噴孔數(shù)目為10個，噴孔與軸心的夾角為20°，邊緣噴孔起始位置到噴孔前端的距離為10mm。

方案二、三、四總體來說就是在方案一的結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化，調(diào)整噴頭直徑、噴孔的個數(shù)以及噴孔與軸線的夾角，最重要的調(diào)整就是方案四的改變噴孔起始位置到噴嘴最前端的距離，也就是間接地改變靶向距離，是改變沖蝕效果的關(guān)鍵。

3 導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了使噴嘴能夠固定在某一指定位置，除了設(shè)計噴嘴外，還需要設(shè)計相應(yīng)的輔助裝置，導(dǎo)向器的設(shè)計就是面向這一難題。

其相關(guān)尺寸都是根據(jù)噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸進行確定的，以保證噴嘴的位置精確且固定。導(dǎo)向器的初步設(shè)計思想就是在進行水平井水射流開窗工作時，首先將導(dǎo)向器導(dǎo)入井下指定位置并固定，然后將連接軟管的噴嘴放入到導(dǎo)向器中，也就是順著導(dǎo)向器里邊的軌道到達指定位置。導(dǎo)向器的另外一個重要作用就是當(dāng)開窗工序完成以后，為了保證后續(xù)工序能夠準(zhǔn)確地找到開窗位置提供很大幫助，所以初步設(shè)計了導(dǎo)向器這一重要的輔助裝置。

4 FLUENT數(shù)值模擬分析

4.1 方案一數(shù)值模擬結(jié)果

（1）在入口速度40m/s，入口壓力10MPa，靶向距離8mm，磨料粒徑0.4mm，磨料濃度5%的條件下。

（2）在入口速度60m/s，入口壓力20MPa，靶向距離8mm，磨料粒徑0.4mm，磨料濃度10%的條件下。

（3）在入口速度80m/s，入口壓力40MPa，靶向距離8mm，磨料粒徑0.8mm，磨料濃度5%的條件下。

（4）在入口速度80m/s，入口壓力40MPa，靶向距離8mm，磨料粒徑0.8mm，磨料濃度10%的條件下，沖蝕磨損結(jié)果如圖2所示。

圖2 磨損效果圖

4.2 方案二數(shù)值模擬結(jié)果

（1）在入口速度40m/s，入口壓力15MPa，靶向距離8mm，磨料粒徑0.4mm，磨料濃度5%的條件下。

（2）在入口速度60m/s，入口壓力30MPa，靶向距離8mm，磨料粒徑0.4mm，磨料濃度5%的條件下。

（3）在入口速度80m/s，入口壓力50MPa，靶向距離8mm，磨料粒徑0.4mm，磨料濃度5%的條件下。

（4）在入口速度80m/s，入口壓力50MPa，靶向距離8mm，磨料粒徑0.4mm，磨料濃度10%的條件下，沖蝕磨損結(jié)果如圖3所示。

圖3 磨損效果圖

4.3 方案三數(shù)值模擬結(jié)果

（1）在入口速度40m/s，入口壓力20MPa，靶向距離8mm，磨料粒徑0.4mm，磨料濃度5%的條件下。

（2）在入口速度40m/s，入口壓力20MPa，靶向距離4mm，磨料粒徑0.4mm，磨料濃度5%的條件下。

（3）在入口速度80m/s，入口壓力40MPa，靶向距離8mm，磨料粒徑0.8mm，磨料濃度10%的條件下。

（2）在入口速度80m/s，入口壓力40MPa，靶向距離8mm，磨料粒徑0.8mm，磨料濃度10%的條件下，沖蝕磨損結(jié)果如圖4所示。

圖4 磨損效果圖

4.4 方案四數(shù)值模擬結(jié)果

（1）在入口速度40m/s，入口壓力10MPa，靶向距離8mm，磨料粒徑0.4mm，磨料濃度5%的條件下。

（2）在入口速度60m/s，入口壓力20MPa，靶向距離8mm，磨料粒徑0.4mm，磨料濃度5%的條件下。

（3）在入口速度80m/s，入口壓力40MPa，靶向距離4mm，磨料粒徑0.4mm，磨料濃度5%的條件下。

（4）在入口速度80m/s，入口壓力40MPa，靶向距離4mm，磨料粒徑0.4mm，磨料濃度10%的條件下，沖蝕磨損結(jié)果如圖5所示。

圖5 磨損效果圖

5 綜合分析

（1）通過用Fluent 軟件對Gambit 幾何模型的流體仿真實驗效果圖，對比得出邊緣噴孔的數(shù)目為10個時最合適。

（2）通過對以上沖蝕效果圖的對比分析，得出入口壓力在40～50MPa之間能得到較好的開窗效果。

（3）通過對比分析發(fā)現(xiàn)，磨料濃度和磨料顆粒的粒度對沖蝕效果的影響不是很大，但要注意粒度過大對噴孔的堵塞作用。

（4）通過對比四個方案的沖蝕效果，發(fā)現(xiàn)方案四的沖蝕效果最為理想，為本文所選方案。

（5）結(jié)合噴嘴的尺寸和噴孔相對軸線的角度等相關(guān)參數(shù)，估計計算得出開窗面積大約為20mm2。

6 結(jié)論

針對水平井套管水射流開窗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計這一問題，采用理論分析與Fluent 數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法，首先分析了磨料射流的開窗原理，然后提出方案，最后用Fluent數(shù)值模擬分析方案的可行性，并且對噴嘴進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。得出以下幾點結(jié)論：

（1）綜合分析，針對水平井及深穿透射孔技術(shù)的特點，提出了水平井套管水射流開窗的射孔開窗方法。

（2）綜合分析各種條件下的沖蝕效果圖，得出最優(yōu)噴孔數(shù)目為10 個，最優(yōu)角度為20°，噴孔直徑最優(yōu)為2.5mm。

（3）通過控制入口的速度，來改變?nèi)肟趬毫Φ姆椒?，發(fā)現(xiàn)實際入口壓力在40～50MPa左右最為合適。

（4）之所以方案四的開窗效果最好，是因為方案四的噴孔起始位置到噴嘴最前端的距離極大地縮短，這樣便充分利用水射流初始段的動能，達到較為理想的開窗效果。