倪紅堅，馬 琳，艾尼瓦爾，杜玉昆，王瑞和，陳 祎

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266555;2.新疆油田井下作業(yè)公司鉆井分公司，新疆克拉瑪依 834000)

自吸環(huán)空流體式自激振蕩脈沖射流性能分析與優(yōu)化

倪紅堅1，馬 琳1，艾尼瓦爾2，杜玉昆1，王瑞和1，陳 祎1

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266555;2.新疆油田井下作業(yè)公司鉆井分公司，新疆克拉瑪依 834000)

為了充分利用井底水力能量提高鉆速，提出自吸環(huán)空流體式自激振蕩脈沖射流鉆井技術(shù)。采用大渦模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，分析自吸環(huán)空流體式自激振蕩脈沖射流的調(diào)制機(jī)制及射流調(diào)制工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流性能的影響。采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，優(yōu)選射流調(diào)制工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流性能影響顯著，結(jié)構(gòu)合理的吸入式自激振蕩射流的性能明顯優(yōu)于非吸入式脈沖射流;射流調(diào)制工具出口脈沖射流速度脈動值與破巖深度之間呈顯著的線性相關(guān)，脈動值越大，射流破巖效果越好。數(shù)值計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，表明所用研究方法可行。

射流鉆井;自激振蕩;大渦模擬;巖石破碎;正交試驗(yàn);結(jié)構(gòu)優(yōu)選

發(fā)展破巖鉆井新方法，以有效提高鉆井速度是油氣鉆探的重要研究方向。研究和實(shí)踐均證實(shí)，脈沖射流可改善井底巖石的受力狀況，強(qiáng)化井底巖屑的凈化，明顯提高鉆井速度［1-3］。脈沖射流的性能與調(diào)制方法密切相關(guān)，尋找高效調(diào)制方法，對射流性能進(jìn)行優(yōu)化是脈沖射流鉆井技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。但是，射流調(diào)制工具結(jié)構(gòu)一般較復(fù)雜，優(yōu)化脈沖射流性能涉及的因素較多、試驗(yàn)量大，而且受制于研究條件，大尺寸的射流調(diào)制工具往往得不到充分的試驗(yàn)分析，因此探索一種準(zhǔn)確高效的脈沖射流性能優(yōu)化方法就顯得非常迫切［4-6］。筆者以自吸環(huán)空流體式自激振蕩脈沖射流鉆井工具為例，采用大渦模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對脈沖射流性能分析和優(yōu)化的方法進(jìn)行探索，為脈沖射流性能分析與優(yōu)化提供依據(jù)。

1 自吸環(huán)空流體式自激振蕩脈沖射流工具的結(jié)構(gòu)原理

圖1為設(shè)計的一種新型自吸環(huán)空流體式自激振蕩脈沖射流鉆井工具，其工作原理是利用射流的卷吸作用在自激振蕩腔的中心兩側(cè)區(qū)域形成低壓區(qū)，在該低壓區(qū)與環(huán)空壓差的作用下，環(huán)空流體被吸入到工具內(nèi)部，與主射流混合?；旌虾蟮牧黧w經(jīng)過自激振蕩腔調(diào)制，經(jīng)鉆頭噴嘴形成脈沖射流，作用于井底巖石，改善井底巖石的受力狀況，強(qiáng)化巖屑的清洗，提高破巖效率。

圖1 鉆井工具示意圖Fig.1 Schematic diagram of drilling tool

2 大渦模擬

目前湍流的數(shù)值模擬方法主要有直接數(shù)值模擬方法(DNS)，雷諾平均法(RANS)和大渦模擬方法(LES)。自激振蕩脈沖射流流場復(fù)雜，涉及流體的自激振蕩、動態(tài)特性等多方面因素，各因素相互聯(lián)系且共同影響著射流的性能。目前國內(nèi)外對自激振蕩流場特性的描述主要采用雷諾時均方法，對流場的脈動效應(yīng)及動態(tài)特性研究較少。

湍流大渦模擬是介于雷諾平均方法和湍流直接數(shù)值模擬間的湍流數(shù)值計算方法，其基本思想是把包括脈動在內(nèi)的湍流瞬時運(yùn)動通過某種濾波方法分成大尺度運(yùn)動和小尺度運(yùn)動，大尺度運(yùn)動通過求解微分方程直接求出，小尺度運(yùn)動對大尺度運(yùn)動的影響通過次網(wǎng)格模型來模擬［7-8］。因此，在復(fù)雜流動的模擬中可以得到很多雷諾時均方法無法獲得的湍流運(yùn)動的細(xì)微結(jié)構(gòu)和流動圖像，被廣泛認(rèn)為是一種非常有前景的湍流數(shù)值模擬方法。本文中利用大渦模擬對自吸環(huán)空流體式自激振蕩脈沖射流進(jìn)行數(shù)值仿真分析，更加深入地了解自激振蕩射流流場的振蕩特性及動態(tài)特征。

2.1 控制方程

目前LES模擬主要用于不可壓縮流體，針對本次研究，選用連續(xù)性方程和N-S方程作為大渦模擬的基本控制方程:

式中，μt為亞網(wǎng)格湍流黏性力;為亞網(wǎng)格湍流張量旋率;Ls為網(wǎng)格的混合長度;κ為常數(shù);d為到最近的壁面的距離;V為計算單元的體積。

2.2 物理模型

基本假設(shè):模擬時采用的流體介質(zhì)為清水，且為不可壓縮流體;水相為連續(xù)介質(zhì)，其在空間有連續(xù)的速度、壓力分布和等價的輸運(yùn)性質(zhì);與外界無熱量交換，溫度保持不變。

物理模型如圖2所示。

圖2 物理模型Fig.2 Physical model

入口邊界:考慮到室內(nèi)破巖試驗(yàn)條件，取入口邊界1處壓力為15 MPa，入口邊界2處壓力為0 MPa。

出口邊界:設(shè)為壓力出口，壓力為0 MPa。

壁面邊界:壁面條件采用壁面函數(shù)法，固體表面采用無滑移邊界條件。

基于自激振蕩脈沖射流調(diào)制工具的結(jié)構(gòu)特征，本次模擬采用局部加密的方式，將自激振蕩腔室內(nèi)的網(wǎng)格加密，以更好地觀察流場變化?？紤]到初始化時間、數(shù)值耗散以及計算精度等因素影響，壓力速度耦合方式采用SIMPLEC算法，設(shè)置的計算時間步長為0.05 s，清水為流體介質(zhì)，密度為1 000 kg/m3，動力黏度為1 g/(m·s)。

3 破巖試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在中國石油大學(xué)(華東)高壓水射流研究中心完成，試驗(yàn)裝置見圖3，試驗(yàn)用射流調(diào)制工具見圖4。射流介質(zhì)為清水，試驗(yàn)巖石為石英砂(白石英砂粒度0.3～0.6 mm，顆粒棱角尖銳，石英含量99%，密度3 100 kg/m3)與普通建筑水泥(GB175-2007:強(qiáng)度等級為42.5)按灰砂比1∶2.5混合制成，抗壓強(qiáng)度8.7 MPa。射流沖擊巖石時間設(shè)為120 s，射流噴距為3.3倍噴嘴出口直徑。

圖3 破巖試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Sketch map of rock-breaking experimental device

圖4 調(diào)制工具裝配圖Fig.4 Modulation tool assembly drawing

4 大渦模擬結(jié)果分析

圖5 調(diào)制工具壓力場分布Fig.5 Pressure field distribution of modulation tool

圖5(a)為自吸環(huán)空流體式自激振蕩脈沖射流調(diào)制工具腔室內(nèi)的壓力分布(上噴嘴直徑d1、下噴嘴直徑d2、腔長L、腔徑D、引入口位置H、引入口直徑 d3、泵壓 pp，d1=5 mm，d3/d1=1.2，d2/d1=1.8，D/d1=12，D/L=1.5，H/d1=0，pp=15 MPa)。從圖 5(a)中可以看出，壓力場可分為4個區(qū):上噴嘴出口低壓1區(qū)，中心汽化低壓2區(qū)，邊界負(fù)壓3區(qū)和碰撞高壓4區(qū)［12-13］。其中最關(guān)鍵的是2區(qū)，該區(qū)會形成一對壓力呈周期性變化的渦環(huán)，對軸心處的射流中心形成周期性阻尼，在出口處產(chǎn)生流速脈動，同時該負(fù)壓區(qū)保證了環(huán)空流體的引入。1區(qū)是由于中心渦環(huán)在腔室下游形成負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)致上噴嘴出口流速急劇上升，同時射流的加速促進(jìn)了低壓渦環(huán)的形成。腔室內(nèi)流體進(jìn)入空間較小的下噴嘴時，對來流產(chǎn)生阻擋作用，壓力升高，形成了碰撞高壓4區(qū)。將環(huán)空流體引入口堵住，腔室內(nèi)的壓力分布見圖5(b)。與圖5(a)對比可以發(fā)現(xiàn)，二者腔室內(nèi)流體的自激振蕩規(guī)律一致，但是出口流速和出口流速的平均值與脈動幅值差異顯著(圖6)。模擬研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，如果射流調(diào)制工具結(jié)構(gòu)參數(shù)不匹配(d1=6 mm，d3/d1=1，d2/d1=1.3，D/d1=10，D/L=1.7，H/d1=0，pp=15 MPa)，將會在引入口與腔室的連接處產(chǎn)生小的次生渦(圖7)，次生渦的出現(xiàn)增加了額外的壓力損失，對自激振蕩脈沖射流產(chǎn)生抑制作用，使出口處流速脈動幅值明顯減小(圖6)。

圖6 出口流速脈動情況Fig.6 Exit velocity fluctuation

上述3種射流調(diào)制工具所調(diào)制出的射流破巖的試驗(yàn)結(jié)果見表1。表1數(shù)據(jù)證實(shí)了吸入環(huán)空流體強(qiáng)化脈沖射流性能的可行性，而且提示射流調(diào)制工具的結(jié)構(gòu)因素對射流破巖效果影響顯著，必須深入分析自吸環(huán)空流體式自激振蕩脈沖射流的調(diào)制規(guī)律，避免不利結(jié)構(gòu)。大渦模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，證明采用大渦模擬分析自激振蕩式脈沖射流性能的方法可行。

圖7 次生渦速度場Fig.7 Secondary vortex velocity field

表1射流破巖試驗(yàn)結(jié)果(pp=15 MPa)Table 1 Results of rock-breaking efficiency(pp=15 MPa)

5 性能優(yōu)化

5.1 結(jié)果對比分析

數(shù)值計算和射流破巖試驗(yàn)結(jié)果(破巖深度為試驗(yàn)結(jié)果)見表2(d1=5 mm，D=60 mm，pp=15 MPa)。

表2 數(shù)值模擬與破巖試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of numerical simulation and lab experiment

采用統(tǒng)計學(xué)原理分析射流調(diào)制工具出口流速脈動值、出口壓力脈動值、自激振蕩腔室的下截面壓力脈動值和下截面流速脈動值與破巖深度的對應(yīng)關(guān)系，分析發(fā)現(xiàn)，射流調(diào)制工具出口流速脈動值與破巖深度之間具有顯著的線性關(guān)系，出口壓力脈動值和腔室內(nèi)的下截面壓力脈動值與破巖深度之間也存在一定的線性關(guān)系，但擬合效果較差，下截面流速脈動值與破巖深度之間線性關(guān)系不明顯(圖8，表3)。

圖8 壓力脈動及流速脈動與破巖深度的關(guān)系Fig.8 Relationship between velocity fluctuation，pressure fluctuation and rock-breaking depth

表3 線性回歸分析結(jié)果Table 3 Results of linear regression analysis

5.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)選

篩選確定了影響環(huán)空流體吸入式自激振蕩脈沖射流調(diào)制工具的主要結(jié)構(gòu)參數(shù):下噴嘴直徑d2、腔長L、腔徑D、引入口位置H和引入口直徑d3。以射流調(diào)制工具出口流速脈動值作為評價標(biāo)準(zhǔn)，選用L16(45)正交表進(jìn)行試驗(yàn)［14］，對射流調(diào)制工具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)選，模擬結(jié)果和射流破巖試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 調(diào)制工具結(jié)構(gòu)優(yōu)選正交表(d1=5 mm，pp=15 MPa)Table 4 Orthogonal table of structure optimization of modulation tool(d1=5 mm，pp=15 MPa)

對表4中的正交試驗(yàn)設(shè)計結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)空流體吸入式自激振蕩脈沖射流調(diào)制工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)對考察指標(biāo)(出口流速脈動和破巖深度)的影響規(guī)律一致，按照影響作用的大小，依次為下噴嘴直徑d2、腔長L、開孔直徑d3、開孔位置H和腔徑D。依據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果確定了脈沖射流調(diào)制工具的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，該結(jié)構(gòu)的出口流速脈動值和破巖深度均優(yōu)于其他試驗(yàn)結(jié)果。數(shù)值計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，證明采用大渦模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，以調(diào)制工具出口流速脈動值為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)選調(diào)制工具的方法可行。

6 結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流性能影響顯著，結(jié)構(gòu)合理的吸入式自激振蕩射流的性能明顯優(yōu)于非吸入式脈沖射流。

(2)射流速度的脈動值與破巖深度之間呈顯著的線性相關(guān)，射流速度的脈動值越大，射流的破巖效果越好。

(3)以射流調(diào)制工具出口射流速度的脈動值作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選的射流調(diào)制工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其數(shù)值計算與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

(4)所用的大渦模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合，優(yōu)選自吸環(huán)空流體式自激振蕩脈沖射流調(diào)制工具結(jié)構(gòu)的方法可行，為實(shí)際技術(shù)的發(fā)展和類似射流調(diào)制工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了依據(jù)。

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Performance analysis and optimization of self-excited pulsed jet suck-in annulus fluids

NI Hong-jian1，MA Lin1，ANWAR2，DU Yu-kun1，WANG Rui-he1，CHEN Yi1
(1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China;2.Drilling Company of Downhole Operation Company，Xinjiang Oilfield，Karamay 834000，China)

The pulsed water jet drilling technology suck-in annulus fluids was proposed to take full use of the bottom-hole hydraulic power and promote the rock breaking efficiency.The large eddy simulation numerical analysis method was adopted together with laboratory experiments to analyze the modulation mechanism of self-excited pulsed jet suck-in annulus fluids and the effect of structural parameters change on the jet performance of the modulator.The multi-factor orthogonal simulation experiments were done and the pulsed structure was optimized according to the fluctuating velocity.The results show that the structural parameters significantly influence the jet performance，and the suck-in modulator with a rational structure is superior to non-suck-in one.In addition，the bigger the outlet fluctuating velocity of the modulator，the better the rock-breaking effect，and there is a good linear correlation between them.The simulation results agree well with the laboratory experimental data，which indicates the feasibility of the structure optimization of the self-excited pulsed water jet.

jet drilling;self-excited pulse;large eddy simulation;rock breaking;orthogonal experiment;structure optimization

TE 248

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.06.012

1673-5005(2011)06-0076-05

2011-05-31

國家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項(xiàng)目(2010CB226703);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50974130)

倪紅堅(1972-)，男(漢族)，湖南株洲人，教授，博士，從事石油鉆井工具、高效破巖方法與技術(shù)、高壓水射流理論與技術(shù)研究。

(編輯 李志芬)