CN106351617A - 一种可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器和应用，在常规水力喷射器内腔结构上设计了阿基米德双螺旋结构，阿基米德双螺旋本体双螺旋槽镀有抗磨耐蚀材料，防止了双螺旋流道的局部冲蚀。由于4个球形喷嘴（含圆锥滚子轴承和喷嘴套）分布在喷射器本体内腔双螺旋槽上，使携砂流体在喷射器本体内腔中沿双螺旋槽流道流到每个喷嘴中，实现了双簇水力喷射器上、下游喷嘴间颗粒砂浓度、流量、压力均匀，有效解决了双簇水力喷射器失效难题，实用性强，效果显著。将常规水力喷射器的喷嘴设计为可旋转的喷嘴，实现了水力定向射孔压裂方位的实时调整，提高了定向射孔成功率，提高了裂缝孔道起裂效果。
Description
技术领域
本发明属于油气井水力喷砂技术领域，具体涉及一种可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器和应用。
背景技术
长庆油田致密油气藏通常采用分段压裂分簇射孔水力喷射压裂管柱进行储层改造、试油、完井一体化作业，其中水力喷射器是实施水力喷射压裂工艺的关键工具。目前，在水平井水力喷射压裂施工前，由于水力喷射压裂管柱下入至水平井段目的层时，常规水力喷射器基本上与井筒套管内壁接触，致使常规水力喷射器某个喷嘴或某两个喷嘴与井筒套管内壁之间间隙很小，仅仅预留2~3mm，考虑到常规水力喷射器的喷嘴是固定的，从而无法有效进行水力定向射孔压裂作业，有时还不能完全射开设计的孔道数，无法使常规水力喷射器各喷嘴能有效对准最小地应力方向或原始地层裂缝延伸方向进行定向射孔，射孔成功率低，难以满足现场压裂施工需要。此外，双簇水力喷射器上、下游喷嘴间出现了颗粒砂浓度、流量、压力严重不均匀的现象，并导致上游喷射器射不开套管和地层或射孔时间长、下游喷射器提前射开套管和地层且发生冲蚀失效。为此，设计了可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器。
发明内容
本发明的目的是克服现有水力喷射器由于喷嘴固定，导致喷嘴无法有效对准最小地应力方向或原始地层裂缝延伸方向进行定向射孔，造成射孔成功率低的问题。
为此，本发明提供了一种可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器，包括喷射器本体，喷射器本体内腔壁上开设有阿基米德双螺旋流道，所述阿基米德双螺旋流道内均匀分布有四个喷嘴套，喷嘴套螺纹连接在阿基米德双螺旋流道内，每一个喷嘴套内安装有一个圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承的内圈安装有球形喷嘴，球形喷嘴连通至喷射器本体的外表面。
所述阿基米德双螺旋流道的表面镀有镍基合金材料。
所述圆锥滚子轴承与喷嘴套之间是过盈配合，圆锥滚子轴承与球形喷嘴之间通过密封副密封连接。
所述球形喷嘴径向可旋转角度范围是±45°。
所述球形喷嘴和喷嘴套采用耐冲蚀硬质合金碳化钨YG8材料制成，圆锥滚子轴承采用高碳铬轴承钢GCr15材料制成。
所述阿基米德双螺旋流道的双螺旋线沿顺时针方向，螺旋角是45°，双螺旋线螺距是120mm，间距是30mm。
所述喷射器本体的两端设有外螺纹。
一种可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器的应用，可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器的两端螺纹连接在水平井分段压裂分簇射孔水力喷射压裂管柱上，随喷射压裂管柱下入水平井对目的层进行定向射孔压裂。
本发明的有益效果：本发明提供的这种可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器，在常规水力喷射器内腔结构上设计了阿基米德双螺旋结构，阿基米德双螺旋本体双螺旋槽镀有抗磨耐蚀材料，防止了双螺旋流道的局部冲蚀。由于4个球型喷嘴（含圆锥滚子轴承和喷嘴套）分布在阿基米德双螺旋本体内腔双螺旋槽上，使携砂流体在阿基米德双螺旋本体内腔中沿双螺旋槽流道流到每个喷嘴中，实现了双簇水力喷射器上、下游喷嘴间颗粒砂浓度、流量、压力均匀，有效解决了双簇水力喷射器失效难题，实用性强，效果显著。将常规水力喷射器的喷嘴设计为可旋转的喷嘴，实现了水力定向射孔压裂方位的实时调整，提高了定向射孔成功率，提高了裂缝孔道起裂效果。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器的结构示意图。
图2是图1的B-B向阿基米德双螺旋流道顺时针展开示意图。
图3是图1的A-A向示意图。
附图标记说明：1、喷射器本体；2、喷嘴套；3、球形喷嘴；4、圆锥滚子轴承；5、阿基米德双螺旋流道。
具体实施方式
实施例1：
为了克服现有水力喷射器由于喷嘴固定，导致喷嘴无法有效对准最小地应力方向或原始地层裂缝延伸方向进行定向射孔，造成射孔成功率低的问题，本实施例提供了如图1和图2所示的一种可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器，包括喷射器本体1，喷射器本体1内腔壁上开设有阿基米德双螺旋流道5，所述阿基米德双螺旋流道5内均匀分布有四个喷嘴套2，喷嘴套2螺纹连接在阿基米德双螺旋流道5内，每一个喷嘴套2内安装有一个圆锥滚子轴承4，圆锥滚子轴承4的内圈安装有球形喷嘴3，球形喷嘴3连通至喷射器本体1的外表面。
可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器的工作过程是：
（一）在油气水平井进行分段压裂分簇射孔水力喷射压裂施工前，根据施工设计中管柱结构组合要求，连接好带有可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器的水力喷射压裂管柱，并将喷射压裂管柱下入井筒内，使可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器下到设计井深位置；
（二）利用泵车以排量0.6～0.8m3/min、泵压25MPa清水循环洗井，保证井筒机械杂质含量小于0.2%，直至井筒清洁干净；
（三）提高泵车排量至1.8~2.0m3/min，将砂浓度为130~150kg/m3的携砂液沿喷射压裂管柱泵入可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器处，携砂液因经过喷射器本体1产生旋流至每个球形喷嘴3内，同时携砂液流经球形喷嘴3产生流速高达200m/s的高速射流，由于球形喷嘴3的节流作用在喷嘴处产生高的动压力（动态载荷），迫使圆锥滚动轴承4旋转，实现球形喷嘴3方位实时动态可调，有效进行定向射孔压裂，从而使高速携砂射流液定向喷射到套管内壁达到射开套管和地层的目的，形成井筒与地层连通的射孔通道；
（四） 射开套管和地层后，继续提高排量至2.4~3.0m3/min开始进行水力定向压裂，按照设计压裂时间要求压裂后，再用顶替液将喷射压裂管柱中压裂液全部替入地层，以完成储层压裂改造目的；
（五）待分段压裂分簇射孔水力喷射压裂施工完成后，上提出喷射压裂管柱，及时拆卸、检查可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器的喷射器本体1（含外壁和内腔）、球形喷嘴3（含冲蚀）、圆锥滚子轴承4（含滚动轴承的灵活性）使用情况，用于保养或更换可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器，以便后续再次进行水力喷射压裂施工。
可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器的喷嘴是通过如下方式实现旋转：携砂流体在喷射器本体1的内腔中沿阿基米德双螺旋流道5流到每个球形喷嘴3中，携砂流体通过球形喷嘴3时由于节流压差的动压力（冲力）作用带动圆锥滚子轴承4旋转，圆锥滚子轴承4限制轴向旋转，从而迫使球形喷嘴3沿径向旋转，实现球形喷嘴3方位调整。四个球形喷嘴3（含圆锥滚子轴承4和喷嘴套2）均匀分布在喷射器本体1内腔的阿基米德双螺旋流道5内，可以保证携砂流体在喷射器本体1的内腔中沿阿基米德双螺旋流道5流到每个球形喷嘴3中，实现了双簇水力喷射器上、下游喷嘴间颗粒砂浓度、流量、压力均匀。需要说明的是，阿基米德双螺旋流道5的立体形状为梯形槽，如图3所示，螺旋梯形槽长120mm，槽深5mm，槽底部宽度10mm，梯形角60°。
本发明与常规水力喷射器相比，不仅可以实时调整水力喷射器各喷嘴的定向射孔方位，还可以使携砂流体的流态和流向改变到有利于均匀进入每个喷嘴中，有效解决了水平井常规水力喷射器各喷嘴无法实时调整方位的问题，同时解决了常规双簇水力喷射器上、下游喷嘴间砂浓度、流量、压力不均匀的问题，极大地提高了常规水力喷射器定向射孔成功率，有效防止了双簇水力喷射器因冲蚀而导致下游喷射器提前失效，达到了双簇水力喷射器上、下游喷嘴实时可调方位和同时定向射孔压裂储层的目的，现场实用性强，应用效果显著，适合应用于水平井分段压裂分簇射孔水力喷射压裂管柱中。
实施例2：
在实施例1的基础上，所述阿基米德双螺旋流道5的表面镀有镍基合金材料，以防止流体由于旋向的改变而引起阿基米德双螺旋流道5梯形槽的局部冲蚀。
实施例3：
在实施例1的基础上，所述圆锥滚子轴承4与喷嘴套2之间是过盈配合，圆锥滚子轴承4与球形喷嘴3之间通过密封副密封连接。所述球形喷嘴3径向可旋转角度范围是±45°，球型喷嘴直径6.3mm，喷嘴套直径42mm。
所述球形喷嘴3和喷嘴套2采用耐冲蚀硬质合金碳化钨YG8材料制成，经热处理硬度达HRC92~95；圆锥滚子轴承4采用高碳铬轴承钢GCr15材料制成，具有很高的接触疲劳强度、高耐磨性和尺寸稳定性，圆锥滚子轴承型号32904，外径37mm，内径20mm，厚度12mm，动态额定负载3.5kN；另外，喷射器本体1采用35CrMo材料，经热处理HBW197~235，如图3所示，内腔特殊加工阿基米德双螺旋梯形结构，并在双螺旋梯形槽表面镀有镍基合金材料以防止流体由于旋向的改变而引起螺旋梯形槽局部冲蚀。
所述阿基米德双螺旋流道5的双螺旋线沿顺时针方向，螺旋角是45°，双螺旋线螺距是120mm，间距是30mm。
所述喷射器本体1的两端设有外螺纹，可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器的两端螺纹连接在水平井分段压裂分簇射孔水力喷射压裂管柱上，随喷射压裂管柱下入水平井对目的层进行定向射孔压裂，外螺纹的扣型为2-7/8"EUE，每英寸8牙，锥度1:16，喷射器本体1的长度380mm，外径100mm，内径40mm。
需要说明的是，喷射器本体1、球形喷嘴3、喷嘴套2和圆锥滚子轴承4加工不允许有裂纹、气孔等缺陷。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (8)
1.一种可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器，包括喷射器本体（1），喷射器本体（1）内腔壁上开设有阿基米德双螺旋流道（5），其特征在于：所述阿基米德双螺旋流道（5）内均匀分布有四个喷嘴套（2），喷嘴套（2）螺纹连接在阿基米德双螺旋流道（5）内，每一个喷嘴套（2）内安装有一个圆锥滚子轴承（4），圆锥滚子轴承（4）的内圈安装有球形喷嘴（3），球形喷嘴（3）连通至喷射器本体（1）的外表面。
2.如权利要求1所述的可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器，其特征在于：所述阿基米德双螺旋流道（5）的表面镀有镍基合金材料。
3.如权利要求1所述的可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器，其特征在于：所述圆锥滚子轴承（4）与喷嘴套（2）之间是过盈配合，圆锥滚子轴承（4）与球形喷嘴（3）之间通过密封副密封连接。
4.如权利要求1所述的可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器，其特征在于：所述球形喷嘴（3）径向可旋转角度范围是±45°。
5.如权利要求1所述的可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器，其特征在于：所述球形喷嘴（3）和喷嘴套（2）采用耐冲蚀硬质合金碳化钨YG8材料制成，圆锥滚子轴承（4）采用高碳铬轴承钢GCr15材料制成。
6.如权利要求1所述的可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器，其特征在于：所述阿基米德双螺旋流道（5）的双螺旋线沿顺时针方向，螺旋角是45°，双螺旋线螺距是120mm，间距是30mm。
7.如权利要求1所述的可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器，其特征在于：所述喷射器本体（1）的两端设有外螺纹。
8.一种可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器的应用，其特征在于：可旋转喷嘴式双螺旋水力喷射器的两端螺纹连接在水平井分段压裂分簇射孔水力喷射压裂管柱上，随喷射压裂管柱下入水平井对目的层进行定向射孔压裂。
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