0 引言

水力喷射压裂技术是集成了射孔、压裂和段间隔离的增产改造技术，以其管柱结构简单、综合施工成本低、便于后期重复改造等优点，逐渐受到油田的欢迎，使用范围越来越广，尤其在一些低孔、低渗和薄互层油气藏改造中效果明显^{[1, 2, 3, 4, 5]}。

国内包括中国石化石油工程技术研究院在内多家单位进行了水力喷射工具的研发和推广^{[6, 7, 8]}，各油田都有应用。现有水力喷射工具存在的问题：①喷嘴过砂量有限，需要提高喷嘴耐磨性，增加过砂量。②喷嘴与喷射器本体之间用普通螺纹连接，螺纹涂抹螺纹密封胶(若喷嘴与喷射器之密封不好，进行加砂射孔及压裂时，喷嘴前后约15 MPa的压差使得喷嘴与喷射器间隙过液磨蚀扩大，容易导致喷嘴脱落而压裂失败)，喷嘴安装到喷射器本体后无法拆卸。③剪钉与喷射器本体由普通螺纹连接，螺纹涂抹螺纹密封胶，本体外表面的剪钉孔处电焊处理，剪钉剪断后，剪钉主体部分亦无法从本体拆下。④内滑套的球座处与球是线接触，密封效果欠佳。为此，中国石化石油工程技术研究院在该院现有水力喷射工具基础上进行了结构优化研究，研制了水力喷射多级压裂管柱，其使用性能有了大幅度提高，并实现了最大可能的重复利用。该管柱在多个油田进行了现场应用并取得了较好的效果。

优化改进后水平井水力喷射多级压裂管柱构成如图1所示。管柱主要由内装滑套喷射器、无滑套喷射器和单向阀总成组成，其中，内装滑套喷射器数量由具体压裂井设计段数来确定。

图 1 水力喷射多级压裂管柱示意图 Fig.1 Schematic of hydraulic jet multistage fracture string 1-内装滑套喷射器;2-无滑套喷射器;3-单向阀总成。

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水平井多级分段压裂的第1级喷射器为无滑套喷射器。从第2级开始为内装滑套喷射器，各喷射器内滑套的通径由水平井趾端到跟端逐级增大，压裂段数根据具体井的压裂设计要求确定，每级喷射器之间用油管连接。

工程院新优化改进的工具两级滑套内通径级差为3.8 mm(0.125 in)，工具最高耐温为120 ℃，耐压60 MPa。

喷射压裂作业时，通过油管输送高压含砂流体到井下喷射工具位置，喷嘴把高压含砂流体转换为高速射流束，进行射孔与喷射压裂作业。第1级为无滑套喷射器，管柱入井后可直接进行喷射压裂，压完第1段后，投与第2段工具的内滑套球座尺寸对应的封堵球，打开滑套，进行第2段喷射压裂作业，后续逐级投球作业，直到完成所有段数压裂。

内装滑套喷射器结构组成如图2 所示，由上接头、扶正器(2个)、喷射器本体、内滑套、喷嘴(6个)、剪钉和下接头组成。无滑套喷射器结构组成如图3 所示，由上接头、扶正器(1个)、喷射器本体、喷嘴(6个)组成。为提高水力喷射工具耐用性与可靠性，在喷射器各个部件设计加工时，需要进行详细分析并严格控制。

图 2 内装滑套喷射器结构示意图 Fig.2 Structural schematic of jet device with inbuilt sleeve 1-上接头;2-扶正器;3-喷射器本体;4-内滑套;5-喷嘴;6-剪钉;7-下接头。

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图 3 无滑套喷射器结构示意图 Fig.3 Structural schematic of jet device without inbuilt sleeve 1-上接头;2-扶正器;3-喷射器本体;4-喷嘴。

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单向阀总成结构组成如图4 所示，由弹性挡圈与挡板、钢球、单向阀、扶正器(1个)、带孔管和导向头组成。单向阀总成中主要由刚性不易磨损件组成。单向阀总成通过油管螺纹直接连接到无滑套喷射器的下端。

图 4 单向阀总成结构示意图 Fig.4 Structural schematic of check valve assembly 1-弹性挡圈与挡板;2-钢球;3-单向阀;4-扶正器;5-带孔管;6-导向头。

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水力喷射多级压裂管柱是在文献[6]的基础上进行改进，改进点主要如下：

(1)喷嘴改进，改进的喷嘴加了密封槽结构，喷嘴内壁嵌入耐磨陶瓷。

(2)内滑套改进，由原来的线密封，改为面密封，提高了密封性能。

(3)剪切销钉改进，增加了密封槽结构。

(4)喷射器本体改进，为实现喷射器本体的可重复利用性，改进了本体与喷嘴及剪钉的连接方式。

喷射器喷嘴作为水力喷射器的核心部件，喷射器质量直接影响到喷射压裂的施工效果。优化前的喷嘴结构如图5a所示。为了增加喷嘴过砂量，加大压裂规模，优化改进的喷嘴本体内流道衬一陶瓷合金强化层(见图5b)，厚度为1.0~1.5 mm，有极高的耐磨性。该陶瓷合金是由金刚石与立方氮化硼结合的一种复合超级耐磨材料，硬度大于3 200 HV，强度大于1 400 MPa，密度约为2.7 g/cm³。喷嘴本体材质为钨钴硬质合金，硬度为80~85 HRA，强度大于2 000 MPa，密度为13~14 g/cm³，强化层与喷嘴本体之间粘结剂耐温大于150 ℃，并且耐油、耐酸、耐老化。

图 5 喷嘴示意图 Fig.5 Schematic diagram of the nozzle

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含砂压裂液体流经喷嘴加速后，高速喷射流束逐渐扩散，扩散角约为28°^[6]，高速渐扩的流束冲击到井筒套管内壁后，返溅回来冲击到喷射器本体上，返溅冲击面积远大于喷嘴出口面积，通过理论分析、反复多次试验与现场应用得知，喷嘴内流道通经为6 mm时，防溅片直径为40~50 mm可有效保护喷射器本体冲蚀损伤，喷嘴直径增大或者减小时，防溅片直径做同比例的增大或减小。

喷嘴与本体的处优化。改进前的喷嘴与喷射器主体之间由普通螺纹连接，并涂抹螺纹密封胶，拧紧封固后，无法拆卸，不利于喷射器本体的再利用。改进后的喷嘴与喷射器主体之间通过普通螺纹+O形密封圈的连接形式，属于可拆卸方式，O形密封圈选用耐高温的氟橡胶材料。

改进前后喷嘴扩径情况对比如图6所示，图6a是喷嘴过砂约8.0 m³后磨损情况，图6b是喷嘴过砂约8.5 m³后的磨损情况，明显可以看出，衬陶瓷合金强化层以后，喷嘴的耐磨性大大提高。

图 6 喷嘴扩径对比 Fig.6 Structural contrast of nozzle before and after improvement

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为了简化喷射器球座与内滑套的整体结构，提高可靠性，球座与内滑套结构设计为整体式，其结构如图7所示，内滑套左端面设计较大的内导向斜面，在导向斜面与内通孔的交叉处设计为与封堵球尺寸对应的球面座封面，当从井口投下对应尺寸封堵球时，球可以坐在内滑套的球面封堵面位置，起到封堵管柱内通径作用。内滑套球面封堵面与球接触面积大，密封效果好(优化前内滑套没有设计球面座封面，而是让球直接与导向斜面接触进行封堵，封堵效果不是很理想，尤其在水平井段时)。

图 7 内滑套示意图 Fig.7 Schematic of internal sleeve

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水平井多段喷射压裂系统，后续投球打开的内滑套内流道要经受前级压裂时含砂压裂液的冲蚀，压裂液含砂体积分数10%~40%，冲蚀速度高达50 m/s，内滑套内径必然会有所增大，但是随着多压裂级数增加的要求，内滑套直径级差尺寸逐渐减小，已经达到2.117 mm，因此需要增加内滑套内部过流通道的耐冲蚀性。

内滑套选材合金钢35CrMo或42CrMo，内滑套球座面及内表面进行渗氮处理，渗氮厚度不小于0.2 mm。渗入内滑套内部的氮原子由表及里与铁元素形成氮化铁，同时与合金元素结合形成各种合金氮化物，特别是氮化铬。生成的氮化物具有很高的硬度和热稳定性，因而可使渗氮后的内滑套得到很高的表面硬度、耐磨性和抗疲劳强度。经过现场应用验证，渗氮处理的内滑套耐磨性和稳定性均能满足压裂施工要求。

为了在井下高温、高腐蚀环境下能满足密封要求，O形密封圈需要选用耐酸耐高温的氟橡胶圈。

为使剪切销钉与喷射器之间的连接形式可拆卸，O形优化改进为通用螺纹加O形密封圈的连接方式，优化前后的剪钉结构对比如图8所示。在剪钉下部加工密封槽，放置O形密封圈，上部设计为螺纹，与喷射器本体用螺纹连接固定，这种连接形式便于后期的拆卸，实现喷射器本体的可重复利用。为了在喷射压裂作业时能明显观察到销钉剪断时压力变化，剪切销钉剪断压力要求10~15 MPa，剪钉底部剪切部分直径为8~10 mm，剪钉布置为3~6颗。

图 8 剪钉结构对比图 Fig.8 Structural contrast diagram of different shear pins

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为最大可能地提高喷射器本体的可重复利用性，优化喷射器本体与喷嘴及剪钉的连接形式，即改进为通用螺纹加O形密封圈的连接方式。优化改进后的喷射器本体如图9所示。

图 9 改进后喷射器结构示意图 Fig.9 Structural diagram of improved jet device

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胜利501-1HF井为伏龙泉断陷幸福村构造圈闭层登娄库组一口开发水平井，该井水平段长454 m，水平段A靶点距东部断层距离约为160 m，B靶点距东部断层距离约为180 m。针对水平段上部240 m砂岩段进行水力喷射压裂改造，共分4段进行压裂改造。

喷射过程中压力最高达到58 MPa，其中一段的施工曲线如图10所示。优化改进后的喷射器经受住了考验，压裂阶段油压和套压变化稳定。施工结束后将工具提出井口，经测量喷嘴内径扩径很小，满足现场施工要求。喷嘴耐磨性能良好，渗氮处理的内滑套几乎没有磨损。喷射工具使用性能可靠，得到用户认可。

图 10 压裂施工曲线 Fig.10 The operation curve of hydraulic fracturing

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(1)优化改进的喷嘴内流道衬一陶瓷合金强化层，大大提高了喷嘴耐磨损性和过砂量。

(2)对喷嘴、剪钉与本体连接方式进行了优化。由改进前的普通螺纹+螺纹密封胶连接固定方式，优化为普通螺纹+O形密封圈的连接形式。

(3)现场应用结果证明，喷射压裂工具使用性能可靠，喷嘴耐磨性好。