1. 引言
分层压裂是一种较先进的压裂增产措施工艺，该工艺可对同井不同性质油气层进行分层施工，提升了压裂施工的工艺技术水平及经济效益。构成分层压裂管串工具包括：水力锚、液压封隔器、喷砂器。水力锚结构上为内防砂型，用于锚定施工管串；液压封隔器为液压坐封，泄压解封，如KY344、Y344等。喷砂器用于建立管串与施工层液流通道，同时利用喷嘴产生节流压差，坐封封隔器。在分层压裂施工中，喷砂器是实现分层作业的灵魂，它既是分层作业的执行者，又是启动封隔器坐封的指挥者。喷砂器的性能优劣及应用是否合理，决定着分层压裂能否实施分层，是否达到真正意义上的分层，以及压裂施工的效果。
目前，针对压裂施工中，喷砂器存在性能不稳定，喷嘴冲蚀扩径，甚至冲损喷砂器本体的技术问题，石油人进行了大量的技术探索，理论上分析降低喷嘴受损机理，设计不同结构的喷砂器，并进行了大量的室内试验及现场应用检验，但终未找到满意技术方案。本文介绍分层压裂喷砂器，配伍于液压坐封封隔器构成压裂管串，喷砂器的设计研发，重点解决两个方面的技术问题。首先利用流体力学原理，确定喷砂器喷嘴直径值，并通过实际应用验证其应用效果，摸索出喷嘴设计直径和施工磨损增径量与封隔器坐封压差的关系，解决了确保封隔器重复坐封的技术问题；其二分析喷砂器在应用中受损机理，利用整体喷嘴保护喷砂器主体结构。优选99陶瓷材料制作喷嘴，极大地提高了喷嘴耐冲蚀性能，保证了喷嘴应用性能的稳定性。分层压裂喷砂器经现场应用证明，其结构合理，性能稳定，能够满足分层压裂施工，施工成功率高，具备一定的应用和推广价值。
2. 技术分析
2.1. 结构
喷砂器结构由上下两部分构成如图1。上端由上接头、滑套、剪钉、喷砂器主体、陶瓷套喷嘴及密封圈构成喷砂器喷嘴部分；下端由接球座主体、锁环、下接头等构成滑套座部分。
Figure 1. Structural diagram of sand blower
1——下接头；2——开口锁环；3、7、9、11、13、14——密封圈；4——球座主体；5——喷砂器主体；6——滑套；8——陶瓷套喷嘴；10——定位销钉；12——剪钉；15——钢球；16——上接头
图1. 喷砂器结构示意图
2.2. 工作原理
当喷砂器下部层段进行压裂施工时，喷砂器滑套靠剪钉定位，并借助密封件封堵喷砂器喷嘴。对喷砂器控制层位进行压裂施工时，投球于滑套顶部球座上，憋压至一定压差，剪断剪钉，球及滑套下行，座于滑套座内，锁环实施对滑套的逆向锁定，实施管串内腔与下部层段的封堵。压裂液经喷嘴进入环空及目的地层，同时喷嘴产生的节流压差完成封隔器的坐封及环空分隔。
2.3. 结构特点
1) 喷砂器分为喷嘴和滑套座两部分，喷嘴与滑套座之间可串接油管调整距离。
2) 喷嘴采用陶瓷材料，结构为筒形，筒壁设有喷孔。筒形结构能够有效保护喷砂器主体，免遭携砂液的冲蚀。陶瓷具有较高的耐磨性，可延缓喷孔的磨损速度，确保封隔器坐封。
3) 滑套座开口锁环结构，能够实施滑套的逆向锁定，利于压裂施工后洗井及返排作业。该结构已申报专利。
4) 一级、二级、三级喷砂器与水力锚和封隔器配合可构成三层分层压裂管串。
3. 关键技术
3.1. 喷砂器喷嘴的选材及结构优化
3.1.1. 喷嘴材料优选
在压裂施工中，大量含砂压裂液高速通过喷砂器喷嘴，大量砂粒以1/2 mv2的动能冲蚀喷嘴，致使喷嘴的过流面积扩大，压裂液流速降低，节流压差减小，造成封隔器无法多次重复坐封。
99刚玉陶瓷是在1700℃高温烧制的陶瓷材料，硬度HRC ≥ 80，仅次于金刚石。具有密度大，韧性及抗冲击性能好，耐磨性优良的特点。
99刚玉陶瓷物性实验[1]
1) 磨料磨损对比试验
磨料为4070目石英砂，磨轮材料为氯化丁基橡胶邵尔A62，轮缘线速为400 m/min，摩擦行程700 m，载荷130 N，磨料供给速率300 g/min，试验结果如表1。
由表1可以看出，以重量磨损量为准，65 Mn钢是95耐磨陶瓷的35.7倍，是99耐磨陶瓷的62.8倍。换算成体积比磨损量，则分别是16倍和32.7倍。
2) 冲刷磨损对比试验
利用风机及射吸冲刷试验台，磨料以一定角度冲刷不同材料和工艺制作的试片，冲刷角取30˚，磨料采用46#棕刚玉，风机压力为0.5 MPa，冲刷距离为50 mm，喷射时间为3 min。试验结果如表2。
由表2可以看出，以重量磨损量为准，16 Mn钢是95陶瓷的8.98倍，是99陶瓷的14.92倍，是铁
Table 1. The test data of abrasive wear
表1. 磨料磨损试验数据
Table 2. The test data of abrasive erosion wear
表2. 磨料冲刷磨损试验数据
0502的6.38倍，是铁0504的6.49倍，是镍基碳化钨的6.23倍。
由表1和表2两种试验结果，不难看出99陶瓷的耐磨性优于其他材料。同时陶瓷的加工难易程度与硬质合金材料相似，但价格仅为后者的1/10。故此，99陶瓷是喷嘴材料的最佳选择。
3.1.2. 喷嘴结构优化
现研发的喷砂器喷嘴采用周向对称双喷孔结构如图1，陶瓷套喷嘴与喷砂器本体喷孔，利用定位销钉周向定位，使喷嘴孔与本体喷孔一一相对。陶瓷套喷嘴与喷砂器本体轴向定位方式为，下端采用台阶定位方式，上端利用上接头推挤橡胶环压迫的软固定方式，该结构既能实施陶瓷套喷嘴的可靠定位，又能防止压碎陶瓷套喷嘴。
陶瓷套喷嘴采用内置式筒形结构如图2，结构设计上考虑保护喷砂器本体，增加了喷嘴筒体高度，利用陶瓷的耐磨性能，减轻了压裂液进入喷嘴前形成的涡流而造成对喷砂器本体的冲蚀，与外置喷嘴结构相比，具有一定的优越性。外置喷嘴结构如图3。
喷砂器陶瓷套喷嘴与喷砂器主体间采用三道“O”型橡胶圈软扶正结构，实现了喷砂器主体与陶瓷套喷嘴合理组装，保护了脆性陶瓷套喷嘴。
3.1.3. 滑套结构
滑套为筒形结构，外部设有“O”型圈槽和剪钉槽，内孔为过液孔，上端设有锥形球座。结构设计上采用滑套下行开启方式，滑套采用剪钉定位，控制滑套的开启动作。剪钉控制方式结构简单，剪切压差易于控制。
滑套材料采用合金结构钢，选择合理的热处理方式，提高了滑套的机械性能，在结构设计上，既能确保承压能力又可以增大径向尺寸空间，为喷砂器多级设计打下了良好的基础。
3.2. 分层压裂三级喷砂器动作设计
在分层压裂施工中，三级喷砂器构成的压裂管串，可实施三层分层压裂。一级喷砂器为直喷喷砂器，
Figure 2. Structural diagram of ceramic nozzle
图2. 陶瓷喷嘴结构图
Figure 3. Structural diagram of outer nozzle sand blower
图3. 外置喷嘴喷砂器结构图
一级喷砂器可直接实施第一层压裂施工，此时二、三级喷砂器喷砂孔为关闭状态；第二层压裂施工时，利用投球憋压，打掉二级喷砂器滑套，建立第二层液流通道，同时堵塞一级喷嘴；第三层压裂施工时，利用投球憋压，打掉三级喷砂器滑套，建立第三层液流通道，同时堵塞二级喷嘴。
3.3. 喷砂器喷嘴过流面积设计[2]
(1)
式中：ε：局部阻力系数；γ：液体重度，取9800，g取10；Q：流量m3/S；d1管柱内径m；d2喷嘴内径m；ΔP喷嘴节流压差Pa。
由公式(1)可以看出，喷嘴内径d2值的确定与压裂液的液性、封隔器所需的坐封压差ΔP、施工排量Q及施工管柱等参数有关。
由公式(1)可以得出如下结论，当排量Q、喷嘴内径d2相同时，前置液于喷嘴处形成压差小于携砂液形成压差。故喷嘴内径d2值的确定，可通过前置液进行计算。
如已知封隔器的初坐封压差及携砂比利用公式(1)可以计算出，任意施工排量时，喷砂器喷嘴的直径，过流面积值。设计出两个对称等过流面积的喷嘴。并使两个喷嘴的过流面积之和等于公式(1)换算的过流面积。喷嘴设计外形如图4。设计时a、b的取值为a = (2 - 2.5)。
4. 现场应用情况
到目前为止，喷砂器已现场成功应用4井次，施工相关资料如表3。
从四口井喷砂器喷嘴的受损情况可以看出，喷嘴受损情况与施工加砂量及排量直接相关，加砂量大排量大则喷嘴受损大，反之则小。实际情况是除岐85-1轻微受损外，其余三口井喷嘴受损较为严重，喷嘴过流面积扩大。但均能完成压裂施工。
5. 结论
1) 分层压裂喷砂器结构设计及喷嘴选材合理，喷嘴节流性能较为稳定，与其他结构的喷砂器相比具有一定先进性。
2) 喷嘴直径与压裂施工的排量有关，喷嘴直径小，可确保封隔器获得足够节流压差，但会增加液流速度，提升喷嘴被冲蚀速度，加大对套管的冲蚀磨损。故此，施工排量与喷砂器喷嘴直径的合理配比，是喷砂器在分层压裂施工中合理应用的关键。合理的配比值需要在应用中进一步摸索。
3) 喷砂器滑套是喷砂器重要组成部分，滑套座与钢球间必须确保硬密封，进入滑套座后才能封堵下部层位。而滑套锥形球座，在携砂液的冲蚀下，锥面存在微量受损，用后滑套座与钢球间不能确保密封。
Figure 4. Figure of nozzle hole shape
图4. 喷嘴孔外形图
Table 3. Field application case of sand blower
表3. 喷砂器现场应用情况
建议使用塑料高强度复合球，可通过球自身塑变弥补球座的磨损，实现层间彻底封堵。