席寶濱，侯樹剛，蘭 凱，李幫民，高德利

(1中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院2中國石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·北京)

在國際油價(jià)低位震蕩的背景下，通過技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)鉆井提速提效成為油氣上游投資降本增效的關(guān)注焦點(diǎn)，考慮到現(xiàn)有鉆探設(shè)備及提速措施，并參考水力－機(jī)械比能鉆速方程［1－3］，提高鉆頭水力能量利用率的噴射鉆井技術(shù)較為經(jīng)濟(jì)可靠，而噴嘴的有效使用為該技術(shù)關(guān)鍵。目前，噴射鉆井常用噴嘴有加長常規(guī)噴嘴、風(fēng)琴管空化噴嘴、旋流噴嘴、自激振蕩脈沖噴嘴等［4－7］，而風(fēng)琴管空化噴嘴由于其結(jié)構(gòu)簡單、空泡潰滅能量大等優(yōu)點(diǎn)受到廣大學(xué)者的一致青睞。李根生等［8－10］對常壓下淹沒空化射流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為空化噴嘴的沖蝕效果明顯優(yōu)于常規(guī)噴嘴;還進(jìn)行了空化射流提高鉆井速度的可行性研究，認(rèn)為利用空泡潰滅產(chǎn)生的強(qiáng)大破壞作用和振動沖擊波來提高清洗、切割和鉆探的效率其效果是顯著的也是可行的。易燦等［11］通過實(shí)驗(yàn)采用較高射流壓力(＞70 MPa)研究了圍壓對空化射流沖蝕性能影響，認(rèn)為圍壓2 MPa時(shí)沖蝕效果最佳，空化射流沖蝕質(zhì)量約為同等條件下常規(guī)噴嘴的1～2倍。前人對風(fēng)琴管空化射流的研究取得了豐碩的成果，但是隨著石油鉆井朝著精細(xì)化邁進(jìn)，研究成果與噴射鉆井現(xiàn)場實(shí)際工況存在一定差距。前人研究一般基于常壓或者小圍壓，且圍壓加載方式為三軸壓力相同的擬三軸加壓方式，與井底巖石真實(shí)環(huán)境壓力不符。因此，為了更好的指導(dǎo)噴射鉆井技術(shù)在現(xiàn)場的有效應(yīng)用，本文采用成熟風(fēng)琴管空化噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先，通過數(shù)值模擬進(jìn)行圍壓對風(fēng)琴管空化射流特性影響分析;其次，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)開展空化噴嘴與常規(guī)噴嘴射流破巖效率對比，確定風(fēng)琴管空化射流特性與破巖效率相關(guān)性。

一、空化射流數(shù)值模擬

1．幾何模型

如圖1所示，諧振腔長度為L2、直徑為D2，上部與長度為L1、直徑為D1的來流管相連，下部與直徑為d、擴(kuò)張角 α的出流管相連，其中，(D1/D2)2、(D2/d)2分別構(gòu)成諧振腔入口、出口收縮截面。根據(jù)成熟風(fēng)琴管空化噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文中使用結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1風(fēng)琴管空化噴嘴幾何模型

表1風(fēng)琴管空化噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

2．?dāng)?shù)模結(jié)果與分析

風(fēng)琴管空化射流有著較長的噴距及明顯的空化能力和速度脈動能力。

2．1速度分布云圖及空化體積分量云圖

速度分布云圖及空化體積分量云圖如圖2、圖3所示。從圖2、圖3可以看出，一定圍壓下，風(fēng)琴管空化射流存在等速核，本例中其長度為70 mm，是噴嘴出口直徑的7倍;風(fēng)琴管空化射流有一定空化能力，空化等量核長與等速核長相當(dāng)。因此，風(fēng)琴管空化射流最優(yōu)無因次噴距(噴距與出口直徑比值)為7，是常規(guī)噴嘴最優(yōu)無因次噴距的1．4～2．3倍。

圖2圍壓5 MPa下空化射流流場速度分布云圖

圖3圍壓5 MPa下空化體積分量分布云圖

2．2圍壓對空化射流空化能力影響規(guī)律

以最優(yōu)無因次噴距處射流對稱軸上的點(diǎn)為參考點(diǎn)，即圖2中點(diǎn)(0．13，0)，分析該處空化體積分量隨時(shí)間變化規(guī)律，及空化體積分量隨不同圍壓變化規(guī)律，如圖4、圖5所示。

由于風(fēng)琴管空化噴嘴結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，7倍無因次噴距處空化體積分量隨噴射時(shí)間呈現(xiàn)周期性變化，且變化明顯，空化體積分量具有明顯脈動特性;此外，空化體積分量隨圍壓的增大呈明顯的減小趨勢，10 MPa以后幾乎為零，表明圍壓對噴嘴空化能力有明顯抑制作用。

圖4空化體積分量隨時(shí)間變化規(guī)律

圖5空化體積分量隨圍壓變化規(guī)律

2．3圍壓對速度脈動幅度影響規(guī)律

同樣以點(diǎn)(0．13，0)為參考點(diǎn)，分析該處射流速度隨時(shí)間變化規(guī)律，及速度脈動幅度隨不同圍壓變化規(guī)律，如圖6、圖7所示。

圖6射流速度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖7速度脈動幅度隨圍壓變化規(guī)律

從圖6、圖7中可以看出，7倍無因次噴距處射流速度最高可達(dá)251 m/s，隨噴射時(shí)間呈現(xiàn)周期性變化，且變化明顯，速度振幅可達(dá)44 m/s，是入口流速的1．8倍，射流速度具有明顯脈動特性;速度脈動幅度隨著圍壓的增大呈現(xiàn)先快速增大后緩慢下降最后急速下降至平緩的特點(diǎn)，最大值出現(xiàn)在圍壓為3 MPa附近，圍壓高于10 MPa后，速度脈動幅度不再明顯，表明圍壓對空化射流速度脈動能力抑制明顯。

通過以上數(shù)模結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，風(fēng)琴管空化射流有著較大的最優(yōu)噴距，有一定的空化能力及速度脈動能力，但是井底環(huán)境壓力對其空化能力及速度脈動能力有著明顯的抑制作用。為了更直觀更真實(shí)的反應(yīng)圍壓對空化射流的影響，通過射流破巖模擬實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行進(jìn)一步研究。

二、室內(nèi)射流破巖模擬實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

1．1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)全部在真三軸高圍壓射流破巖規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)裝置上完成，裝置主要由4大系統(tǒng)構(gòu)成:中心管控制系統(tǒng)、圍壓釜加壓系統(tǒng)、流體供給系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8真三軸高圍壓射流破巖規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)裝置

1．2實(shí)驗(yàn)方法

以模擬西北工區(qū)某油田一定埋深處巖石物性的311 mm×311 mm×311 mm人造巖心為實(shí)驗(yàn)對象，以清水為實(shí)驗(yàn)用射流介質(zhì)，分別采用出口直徑為2.4 mm的風(fēng)琴管空化噴嘴與常規(guī)噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行8組，每組實(shí)驗(yàn)都采用固定圍壓模擬井底真實(shí)壓力環(huán)境，通過8個(gè)不同射流速度進(jìn)行射流破巖，形成8個(gè)噴射點(diǎn)，具體設(shè)計(jì)見表2。

表2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

2．實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

風(fēng)琴管空化射流實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

2．1靜液柱壓力對空化射流破巖效率影響

從圖9中可以看出，同組不同噴射速度形成的噴射點(diǎn)深度有明顯差距;從組1到組4，隨著人造巖心模擬井深從0 m增加到1 500 m，空化射流破巖效率逐漸降低，具體見圖10。

2．2空化噴嘴與常規(guī)噴嘴對比

對相同條件下空化噴嘴與常規(guī)噴嘴射流破巖效率開展分析，如圖11所示。

圖9風(fēng)琴管空化射流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10不同速度下破巖深度隨靜液柱壓力變化規(guī)律

從圖11發(fā)現(xiàn)，兩種噴嘴射流破巖效率隨射流速度變化趨勢一致，都隨射流速度的增加呈現(xiàn)從無法破巖到平緩增加然后急速增加的趨勢，但是，相同條件下，兩種噴嘴射流破巖效率差距隨靜液柱壓力的增大逐漸減小直至幾乎相當(dāng)。本例中，當(dāng)靜液柱壓力0 MPa時(shí)，空化射流破巖效率為常規(guī)射流的1.8倍左右，如圖11(a)所示;當(dāng)靜液柱壓力5 MPa時(shí)，空化射流破巖效率為常規(guī)射流的1．4倍左右，如圖11(b)所示;當(dāng)靜液柱壓力≥10 MPa時(shí)，空化射流破巖效率與常規(guī)射流一致，如圖11(c)、圖11(d)所示。

圖11真實(shí)井底環(huán)境下空化噴嘴與常規(guī)噴嘴射流破巖效率對比分析

三、結(jié)論

(1)風(fēng)琴管空化噴嘴最優(yōu)噴距為常規(guī)噴嘴的1.4～2．3倍，并有利于破巖的空化能力及速度脈動能力。

(2)井底靜液柱壓力對風(fēng)琴管空化射流空化能力、速度脈動能力及破巖效率抑制明顯，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，風(fēng)琴管空化噴嘴與常規(guī)噴嘴的射流特性及破巖效率幾乎一致，射流特性與破巖效率表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性。