蘭起超,李根生,史懷忠,韋明輝,師帥帥

(油氣資源與探測國家重點實驗室,中國石油大學(北京),北京 102249)

0 引 言

隨著油氣勘探開發(fā)越來越多的向深部地層、深海、低滲超低滲和低豐度邊際油氣方向發(fā)展，機械鉆速低、鉆井周期長、鉆井成本升高和井身結構復雜等問題越來越突出[1-3]。如何有效解決這些問題成為國內外鉆井工作者研究的重點[4-6]。已進行的現(xiàn)場應用表明水力脈沖空化射流技術是一種有效的提高機械鉆速的方法[7-8]。近年來，簡單的井身結構——小井眼單通道井也已被證實可以高效開發(fā)邊際油田，尤其是海上邊際油田[9-11]。研發(fā)與之相配套的小尺寸水力脈沖空化射流工具對進一步節(jié)約開發(fā)成本有重要意義。

到目前為止，針對水力脈沖空化射流發(fā)生器射流特性的試驗研究，李根生[12]等通過現(xiàn)場試驗地面測試立管壓力波動曲線間接計算出了不同試驗排量下的脈動壓力、頻率和壓耗，得出了脈動壓力、頻率和壓耗均隨排量的增大而升高的結論。馬東軍[13-14]等通過室內實驗和數值模擬研究了入口流量和葉輪葉片結構對水力脈沖空化射流發(fā)生器產生的脈動壓力振幅的影響，得出了3葉片葉輪(同4、6葉片相比)調制出脈沖射流的脈動壓力振幅較大的結果。然而，壓力脈動頻率、入出口壓力脈動振幅和工具壓耗等對鉆井工具優(yōu)選、提速效果及水力參數設計有重要意義的參數特性的室內測試與規(guī)律分析還未進行，針對工具產生的空化射流特性的研究亦屬空白。根據研制成功的178、198和228mm 3種尺寸工具的現(xiàn)場應用[15]可知，通過室內試驗測定不同排量下小尺寸工具不同射流參數的數值將對工具未來的現(xiàn)場應用有重要的參考作用。鑒于此，本文通過室內試驗對小尺寸水力脈沖空化射流發(fā)生器的射流特性進行比較全面的研究和分析，并揭示其鉆井提速機理。

1 室內試驗

1.1試驗工具結構及工作原理

小尺寸水力脈沖空化射流發(fā)生器的結構主要包括殼體和芯子(導流體、葉輪、葉輪座、葉輪軸和自激振蕩噴嘴)，具體結構如圖1所示。流體經過裝置上部進入導流體，經導流體的斜坡通道改變流速和方向從而對葉輪葉片產生切向力使葉輪高速旋轉。葉輪通過軸安裝在葉輪座上，在流體對葉片沖擊力作用下，葉輪高速旋轉連續(xù)改變流道面積從而產生截斷式脈沖射流，當流體經過自激振蕩噴嘴時，被自激振蕩腔室調制產生空化射流，最后兩種射流耦合成脈沖空化復合射流由噴嘴噴出。

1.2試驗裝置

小尺寸(120mm)水力脈沖空化射流發(fā)生器；4個量程為5MPa(精度0.5級)的壓力傳感器；美國NI公司生產的PCI-6259數據采集卡及配套的數據采集系統(tǒng)(采樣時間：0.005～1s)；試驗用泵為BQ700型撬裝泵(最大排量650L/min，最大工作壓力60MPa)，試驗介質為水。試驗裝置連接如圖2所示。

(a) 試驗工具結構

(b) 試驗工具照片

圖2 試驗裝置連接簡圖

1.3試驗方法

本試驗用數據采集系統(tǒng)工作原理為：在一定排量下，采集測量點不同時刻的靜壓力。因此，為真實并完整描述壓力脈動曲線規(guī)律，必須確定試驗用采樣周期。由于最大排量下葉輪轉速最高，對應脈動曲線的周期最小，所以本實驗采用最大排量下確定的采樣周期可以滿足小排量下測量數據的真實性。由于試驗用泵排量的限制，試驗最大排量設為10L/s。采樣周期的確定方法為：通過改變數據采集系統(tǒng)2個測量時間點的時間間隔(采樣時間)，得到不同采樣時間下的試驗工具出口壓力脈動曲線，當在相同時間內兩個脈動曲線上的脈動周期數和脈動幅值相同時，認為采集的數據穩(wěn)定性和精確度滿足要求。為保證數據采集系統(tǒng)采集工作穩(wěn)定，本次試驗采樣周期采用兩種采樣時間中的最大者。

采樣周期下，測取不同排量下的數據，對工具產生的射流特性進行室內試驗研究(由于采集系統(tǒng)采樣時間限制，該試驗未研究自激振蕩噴嘴結構等影響參數)。

2 試驗結果與分析

2.1試驗工具脈動頻率分析

井下脈沖射流發(fā)生裝置的使用對于井下儀器特別是帶有脈沖信號傳輸儀器的使用有較大影響，因此分析本試驗工具產生的脈動頻率對于井下工具的選型有重要意義。

在采樣時間分別取0.1、0.05、0.01和0.005s，泥漿泵排量設為10L/s時的試驗條件下進行脈沖噴射試驗。其中采樣時間為0.01和0.005s時試驗工具出口壓力P隨時間的脈動關系如圖3所示。

由圖3可知，采樣時間為0.01和0.005s時，在相同的時間間隔(0.5s)內出現(xiàn)了相同數量(4個)的壓力脈動周期，且壓力脈動曲線和壓力脈沖幅值都比較近似，因此可以判斷10L/s排量下的采樣周期為0.01s。并且通過在0.5s的時間間隔內出現(xiàn)4個壓力脈動周期可計算出在10L/s的排量條件下，試驗工具—小尺寸水力脈沖空化射流發(fā)生器的脈動周期為0.125s，即脈動頻率為8Hz。

采樣周期0.01s時，試驗工具脈動頻率隨排量變化關系曲線如圖4所示。

由圖4可知，小尺寸水力脈沖空化射流發(fā)生器的脈動頻率與排量存在線性增大關系。這是因為小尺寸水力脈沖空化射流發(fā)生器內的葉輪采用圓周均布的6葉片結構，排量一定時葉輪基本有一個相對穩(wěn)定的轉速，當排量增大一倍時，單位時間需要通過葉輪的流體體積增大一倍，則需要葉輪轉速相應增大一倍，因此葉輪轉速與排量存在線性增大關系。當葉輪旋轉一周時，葉輪葉片周期性的改變流體通過流道截面積6次，即測得脈動頻率是葉輪轉數的6倍，所以脈動頻率與排量也呈線性增大關系。

(a) 采樣時間為0.01s

(b) 采樣時間為0.005s

圖4 試驗工具脈動頻率隨排量變化關系曲線

2.2試驗工具入口、出口壓力脈動振幅分析

水力脈沖發(fā)生裝置調制的脈動壓力能有效改善井底巖屑的壓持效應，提高井底清巖效率進而提高鉆速。而壓力脈動振幅是影響清巖效率的重要參數，因此分析試驗工具入口和出口壓力脈動振幅具有重要意義。

采樣周期0.01s時，試驗工具入口和出口壓力脈動振幅pp1和pp2與排量關系曲線如圖5所示，排量為10L/s時試驗工具入口和出口的壓力脈動曲線如圖6所示。

由圖5可以看出，小尺寸水力脈沖空化射流發(fā)生器的入口和出口壓力脈動振幅與排量之間均呈增大關系，且出口壓力脈動振幅大于入口壓力脈動振幅。這是因為隨排量增大，輸送的流體動能也隨之增大，導流體出口處流體速度和動能也隨之增大，當葉輪旋轉時，有更多的流體動能不斷地轉化成流體壓能，導致工具出口脈動壓力振幅也隨入口流量呈增大趨勢。由于自激振蕩噴嘴的自激振蕩腔室對流體的脈動信號有放大的作用，所以產生出口壓力脈動振幅大于入口壓力脈動振幅的結果。

圖5 工具入口、出口壓力脈動振幅與排量關系曲線

圖6 工具入口、出口壓力隨時間變化曲線

由圖6可以看出小尺寸水力脈沖空化射流發(fā)生器的入口和出口壓力脈動曲線的趨勢是相同的，這是由于試驗流體(水)的不可壓縮性導致的。

2.3試驗工具壓耗分析

鉆井工具的壓耗對于鉆井水力參數設計有重要意義，而小尺寸水力脈沖空化射流發(fā)生器是在鉆進單通道小井眼時采用，因此壓耗的測試更為關鍵。

采樣周期0.01s時，試驗工具裝配芯子前后的壓耗pc與排量的關系曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，裝配芯子的小尺寸水力脈沖空化射流發(fā)生器的壓耗與排量存在2次增大關系。在鉆井過程中，鉆井液流體通過噴嘴等流道收縮段時會由于阻力作用損耗一部分能量，產生壓耗，該壓耗可以用噴嘴壓降計算公式(1)計算得出。小尺寸水力脈沖空化射流發(fā)生器的壓耗等于以下2部分壓降之和：

(1) 工具自激振蕩噴嘴壓降的計算公式為：

(1)

式中：Δp為壓降，MPa；ρ為泥漿密度，g/cm3；Q為排量，L/s；C為噴嘴流量系數，取0.95；d為噴嘴當量直徑，cm。

圖7 試驗工具壓耗與排量關系曲線

(2) 葉輪間隙壓降：由于葉輪間隙是矩形，將其轉化成噴嘴圓形的當量直徑模式，再用工具噴嘴壓降計算公式(1)計算。

因此，小尺寸水力脈沖空化射流發(fā)生器的壓耗與排量的關系為pc∝Q2，即存在2次增大關系。

2.4自激振蕩噴嘴射流特性

為了進一步研究小尺寸水力脈沖空化射流發(fā)生器的工作原理，測試了只保留自激振蕩噴嘴(無導流體和葉輪總成)時工具出口的射流特性。

采樣周期0.01s，排量10L/s時，測得裝配自激振蕩噴嘴前后的工具出口壓力脈動隨時間變化關系曲線如圖8所示，流體經過有、無自激振蕩噴嘴試驗工具時出口射流對比如圖9所示。

圖8 裝配自激振蕩噴嘴前后工具出口脈動特性曲線對比

(a) 未安裝自激振蕩噴嘴出口射流 (b) 安裝自激振蕩噴嘴出口射流

由圖8可知，未裝配自激振蕩噴嘴的工具出口產生了正常的圓管近出口端的小幅正壓力(數值為測量點至圓管出口壓耗)，而裝配自激振蕩噴嘴的工具出口產生了比較明顯的負壓。這是因為自激振蕩腔室的結構對流體的自激共振作用使流體內部局部壓力降低，而工具出口端為大氣壓力，所以測得壓力表現(xiàn)為負壓力。

由圖9中安裝自激振蕩噴嘴前后射流特性對比可知，流體通過自激振蕩噴嘴后呈“發(fā)散狀”噴射，產生了較明顯的空化現(xiàn)象。這是由于自激振蕩腔室內的負壓促生了流體內部空泡的形成與發(fā)展，當流體從出口噴射接觸大氣后，流體內的大量空泡破裂使流體發(fā)散噴射，表現(xiàn)為空化現(xiàn)象。

3 提速機理分析

3.1脈沖射流提高清巖效應

脈沖射流主要由葉輪旋轉周期性的改變流體流道面積(截斷式)產生，在鉆井過程中，與連續(xù)射流相比，井底的脈動射流可以改變井底流場的壓力狀況，迫使巖屑翻轉、啟動并及時脫離井底，提高井底的凈化程度，減少由于壓持效應引起的巖石重復切削，進而提高清巖效率。其力學分析如下文所述。

井底巖屑的壓持效應模型如圖10所示，井底巖屑受鉆井液循環(huán)壓耗Δpa和靜液柱壓力pb共同作用，表示為pb+Δpa；獨立巖屑與巖石母體間的孔隙壓力pp。當pb+Δpa>pp時，巖屑脫離井底必須受到水平推力的作用。該水平推力可近似由摩擦定律表示如下：

τi=μ·(pb+Δpa-pp+W)

(2)

式中：pb為靜液柱壓力，MPa；Δpa為鉆井液循環(huán)壓耗，MPa；pp為巖屑與巖石母體間的孔隙壓力，MPa；W為巖屑重量，kg；μ為摩擦系數。

圖10 井底巖屑的壓持效應模型

當脈沖射流使井底出現(xiàn)負壓脈沖Δpb時，井底巖屑所受的總壓持力(pb+Δpa-pp+Δpb+W)降低，由公式(2)可知巖屑脫離井底所需的橫向推力也降低。

井底負壓脈沖Δpb的絕對值與本試驗工具產生的出口壓力脈動振幅成正相關。因此，由公式(2)可知，出口壓力脈動振幅越大，巖屑脫離井底所需的橫向推力越低，清巖效率也越高。

3.2空化射流提高破巖效率

空化射流主要由基于風琴管諧振腔原理設計的自激振蕩噴嘴通過流體共振調制產生。對于空化現(xiàn)象，現(xiàn)在還難以給出一個簡明而嚴格的定義。一般把液體內部局部壓力降低時，液體內部或液固交界面上蒸汽或氣體的空穴(空泡)的形成、發(fā)展和潰滅過程稱為空化[16]。當攜帶大量空泡的空化射流從鉆頭孔眼噴出到井底接觸巖石表面時，空泡會發(fā)生潰滅過程。由于空泡潰滅過程發(fā)生于瞬間(微秒級)，在局部產生極高的瞬時壓力作用在巖石表面附近，水流中不斷潰滅的空泡所產生的極高壓力引起的反復沖擊作用(也稱空蝕作用)，使巖石表面產生破壞，提高破巖效率。

本文所采用試驗工具不僅巧妙地結合了脈沖射流與空化射流的技術優(yōu)勢，而且使兩種射流實現(xiàn)了互生互利的技術效果：截斷式脈沖射流的負壓可以促進空化的產生，而自激振蕩腔室能夠對截斷式脈沖射流產生放大作用，最終最大限度的釋放了流體能量，提高了破巖與清巖效率，進而提高鉆井的機械鉆速。

4 結 論

利用室內試驗研究了小尺寸水力脈沖空化射流發(fā)生器的射流特性，并分析了其提速機理，得到如下結論：

(1) 小尺寸水力脈沖空化射流發(fā)生器能將連續(xù)射流調制成脈沖和空化復合射流，最大限度地釋放了流體能量，能有效提高鉆井的機械鉆速。

(2) 脈沖空化射流的脈動頻率與排量呈線性增大關系，入口和出口壓力脈動振幅隨排量增大而呈增大趨勢，工具壓耗與排量呈2次增大關系。

(3) 自激振蕩噴嘴的主要作用是產生負壓和空化，負壓有利于空穴的形成與發(fā)展，促生空化現(xiàn)象。

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作者簡介:

蘭起超(1989-)，男，黑龍江大慶人，碩士研究生。研究方向：油氣井流體力學與工程。通信地址：北京市昌平區(qū)中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室(102249)。E-mail：lanqc0910@163.com