基于文丘里效應(yīng)的自循環(huán)粒子射流鉆井工具設(shè)計及模擬分析

李 瑋，李世昌，李卓倫，王新勝，朱 巖

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163001；3.大慶油田創(chuàng)業(yè)集團(tuán)華誼實(shí)業(yè)公司，黑龍江 大慶 163311)

0 引 言

隨淺層油氣資源的衰竭，深部地層成為重要的勘探開發(fā)對象之一，而深井與超深井鉆井過程中常遇到難鉆地層與復(fù)雜地層，嚴(yán)重制約鉆井速度[1-2]。粒子射流沖擊破巖作為一種高效的破巖方式正在被國內(nèi)外學(xué)者深入研究。PIDT公司的科研人員最早提出粒子射流鉆井技術(shù)，并進(jìn)行了粒子射流鉆井工具的設(shè)計及室內(nèi)試驗(yàn)，ProDrill Services Inc(PSI)公司也研制了粒子射流沖擊鉆井系統(tǒng)[3-5]。伍開松等[6]應(yīng)用一維應(yīng)力波基本理論對粒子沖擊破巖現(xiàn)象進(jìn)行了分析，應(yīng)用有限元模擬軟件研究了粒子沖擊破巖的規(guī)律，獲得了適合粒子射流鉆井的工藝參數(shù)。邢雪陽等[7]對粒子射流鉆井鉆頭內(nèi)流道沖蝕特性進(jìn)行研究，設(shè)計了粒子鉆井用的射流噴嘴及孔道結(jié)構(gòu)，研究了鉆頭內(nèi)流道沖蝕特性。一些學(xué)者還對粒子射流鉆井過程中的射流粒子直徑、粒子密度、圍壓、泵壓、鉆頭噴嘴流道形狀、噴射方向和噴嘴流道分布進(jìn)行了研究[8-12]。目前，粒子射流沖擊鉆井技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，理論研究與技術(shù)應(yīng)用都有待提高。文丘里效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于滴灌、施肥與流體流量測量等方面，相關(guān)技術(shù)很成熟。基于文丘里效應(yīng)，設(shè)計了井下自循環(huán)粒子射流鉆井工具，建立了工具的物理模型與流體流動的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值模擬的方法，研究了工具的可行性，并分析了下部鉆頭噴嘴噴速的影響因素。

1 工具設(shè)計

根據(jù)文丘里管相關(guān)理論，設(shè)計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)井下自循環(huán)的粒子射流鉆井工具(圖1)。工具由上接頭、噴嘴、進(jìn)液口、喉管、擴(kuò)散管和下接頭組成。在現(xiàn)場施工中，下接頭與鉆頭連接，鉆井液從鉆頭噴嘴(下文中鉆頭噴嘴簡稱為下噴嘴)噴出。文丘里效應(yīng)在井下自循環(huán)粒子射流鉆井中的作用：鉆井液通過鉆柱到達(dá)上噴嘴，經(jīng)過噴嘴加速產(chǎn)生高速射流，由于卷吸作用，在噴嘴出口處的進(jìn)液腔內(nèi)形成低壓區(qū)，環(huán)空中帶有巖屑的鉆井液通過進(jìn)液口被吸入到工具內(nèi)；射流外圍的液體與吸入的鉆井液發(fā)生動量交換，這2股流體在喉管入口段及喉管內(nèi)混合，進(jìn)行能量和質(zhì)量傳遞，從噴嘴噴出的鉆井液速度降低，被吸入流體的速度增大，兩者的速度在喉管某一部位趨于一致；從喉管噴出的液體流經(jīng)擴(kuò)散管，最后從下噴嘴噴出。工具可以利用環(huán)空中的巖屑作為沖擊粒子，省去外加粒子的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單，不易發(fā)生井下事故。部分鉆井液被吸入工具內(nèi)部，可降低鉆頭的壓持效應(yīng)。文丘里管特殊的結(jié)構(gòu)，可降低壓耗損失，減少液體回流。

圖1 井下自循環(huán)粒子射流鉆井工具結(jié)構(gòu)示意圖

2 自循環(huán)射流數(shù)值模擬

根據(jù)研究需要，將工具簡化為上噴嘴、喉管、擴(kuò)散管和下噴嘴；為模擬流體在工具內(nèi)部與環(huán)空的循環(huán)流動，將工具與環(huán)空簡化成一個物理模型；將固液兩相簡化為單相流體的流動；在實(shí)際鉆進(jìn)過程中鉆柱內(nèi)部鉆井液的流動狀態(tài)為湍流流動，建立單相流在工具內(nèi)的湍流模型。

2.1 工具物理模型

物理模型見圖2，網(wǎng)格模型見圖3。根據(jù)理論公式[13]，確定工具主要結(jié)構(gòu)尺寸：上部噴嘴直徑為Ds(mm)，喉管長度為L(mm)，喉管直徑為Dh(mm)，擴(kuò)散管的擴(kuò)散角為θ(°)，擴(kuò)散管長度為H(mm)，模型中將鉆頭噴嘴直徑換算成當(dāng)量直徑，稱為下噴嘴直徑，為Do(mm)。由于模擬過程中下噴嘴直徑不變，因此，下噴嘴噴速越大，射流的沖擊能力越強(qiáng)。

圖2 物理模型

圖3 網(wǎng)格劃分

2.2 流體流動的數(shù)值模型

雷諾時均NS方程[14]：

(1)

流體的連續(xù)性方程為：

▽·(ρu)=0

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[15]對上述方程進(jìn)行處理，得到液體在工具內(nèi)的速度場和壓力場，入口邊界為速度入口，出口邊界為環(huán)空圍壓，設(shè)置流體流動狀態(tài)為湍流。

2.3 模擬條件

泵的排量為30 L/s，井深為3 000 m，井底溫度為100 ℃，環(huán)空圍壓為35.3 MPa，鉆井液密度為1.2 g/cm3，入口速度為15 m/s，動力黏度為1.0 mPa·s。

3 工具自循環(huán)射流可行性研究

3.1 工具自循環(huán)射流原理分析

模擬得到流體在工具內(nèi)部流動的壓力場(圖4)。由圖4可知：壓力場分為4個區(qū)，1區(qū)為射流邊界，2區(qū)為局部低壓區(qū)，3區(qū)為環(huán)空區(qū)，4區(qū)為碰撞高壓區(qū)；1區(qū)是高速射流由于卷吸作用產(chǎn)生的低壓區(qū)，該低壓區(qū)保證了環(huán)空流體的引入；2區(qū)是射流邊界與工具外壁之間的間隔，該區(qū)域壓力較低；由于流體流通孔道的驟然縮小與流體對管壁的沖擊，產(chǎn)生高壓4區(qū)，流到高壓4區(qū)的液體流向相對低壓的3區(qū)，形成鉆井液在工具與環(huán)空的循環(huán)。

圖4 流體的壓力云圖

工具內(nèi)部流體流動的速度場見圖5。由圖5可知：1區(qū)是射流的主體區(qū)域，該區(qū)域流速最高，隨著周圍液體不斷流入，射流邊界不斷擴(kuò)張，由于射流流體與被吸入流體動能的轉(zhuǎn)換，射流主體速度逐漸降低；當(dāng)流體到達(dá)3區(qū)時，流道縮小，壓力上升，一部分流體流向低壓2區(qū)產(chǎn)生回流；由于上部流體對回流流體產(chǎn)生阻力，回流流體呈渦旋狀，3區(qū)壓力的大小決定了回流高度與回流液體的量；液體經(jīng)過3區(qū)流到直徑較小的下部噴嘴，從下噴嘴高速噴出，噴出的液體通過環(huán)空4區(qū)，流向低壓1區(qū)，實(shí)現(xiàn)工具內(nèi)部與環(huán)空的循環(huán)。

圖5 流體的速度云圖

3.2 自循環(huán)射流可行性分析

基于文丘里效應(yīng)的自循環(huán)粒子射流鉆井技術(shù)原理的可行性條件：能夠吸入環(huán)空液體，即實(shí)現(xiàn)文丘里效應(yīng)；下部噴嘴產(chǎn)生射流，流體流入環(huán)空，完成工具內(nèi)部與環(huán)空的循環(huán)。

選取上部噴嘴直徑分別為26.0、28.0、30.0、32.0、34.0 mm，進(jìn)行有限元模擬，得到下噴嘴噴速隨上噴嘴直徑變化曲線、射吸系數(shù)(進(jìn)液口進(jìn)入液體體積與上噴嘴噴出液體體積的比值)隨上噴嘴直徑變化曲線(圖6)。

圖6 下噴嘴噴速、射吸系數(shù)與上噴嘴直徑的關(guān)系

由圖6可知：隨著上噴嘴直徑變大，下噴嘴噴速與射吸系數(shù)變小。一方面由于射流速度變大，進(jìn)液腔內(nèi)壓力變小，加速對環(huán)空中鉆井液的吸入；另一方面，射流速度增大，導(dǎo)致射流邊界擴(kuò)大，鉆井液回流現(xiàn)象明顯降低。圖6中的射流臨界線代表下噴嘴能夠?qū)崿F(xiàn)射流的臨界速度，通過計算，噴速為13.4 m/s時，下噴嘴能夠產(chǎn)生射流，對應(yīng)的上噴嘴直徑為30.0 mm，即上噴嘴直徑小于30.0 mm時，下噴嘴能夠產(chǎn)生射流。圖6中的進(jìn)液臨界線表示是否有液體吸入工具內(nèi)部，即是否產(chǎn)生文丘里效應(yīng)，進(jìn)液臨界線對應(yīng)上噴嘴直徑為32.5 mm，即上噴嘴直徑小于32.5 mm時，產(chǎn)生文丘里效應(yīng)。綜合以上2點(diǎn)，當(dāng)上噴嘴直徑小于30.0 mm時，工具能夠?qū)崿F(xiàn)文丘里效應(yīng)，并在下部噴嘴形成射流，工具原理是可行的。

4 下噴嘴噴速影響因素分析

4.1 喉管長度對下噴嘴噴速的影響

選取喉管長度分別為15、20、25、35、45 mm，進(jìn)行有限元模擬，得到下噴嘴噴速隨喉管長度變化曲線(圖7)。

圖7 下噴嘴噴速與喉管長度的關(guān)系

由圖7可知：喉管長度對下部噴嘴噴速的影響是先增大后減小，存在最優(yōu)喉管長度。兩部分流體的混合主要發(fā)生在喉管內(nèi)，適當(dāng)?shù)暮砉荛L度可以使流體充分混合，喉管長度過小，會導(dǎo)致射出的液體成束效果不好，回流現(xiàn)象明顯。因此，最優(yōu)的喉管長度為25 mm。

4.2 擴(kuò)散角對下噴嘴噴速的影響

選取擴(kuò)散角分別為4、6、8、10、12 °，進(jìn)行有限元模擬，得到下噴嘴噴速隨擴(kuò)散管的擴(kuò)散角變化曲線(圖8)。

圖8 下噴嘴噴速與擴(kuò)散角的關(guān)系

由圖8可知，擴(kuò)散角對下噴嘴的噴速影響不大，擴(kuò)散角的變化主要影響壓能轉(zhuǎn)換為動能的程度與能量損失，根據(jù)文獻(xiàn)[20]可知，當(dāng)擴(kuò)散角為6 °時，能夠回收鉆井液通過喉管時的壓降損失的80%，消耗能量最小。

4.3 喉管直徑對下噴嘴噴速的影響

選取喉管直徑分別為30、35、40、45、50 mm，進(jìn)行有限元模擬，得到下噴嘴噴速隨喉管直徑變化曲線(圖9)。

圖9 下噴嘴噴速與喉管直徑的關(guān)系

由圖9可知：當(dāng)喉管直徑大于40 mm時，下噴嘴噴速變化很小。當(dāng)直徑小于40 mm時，噴出的液體成束效果好，相當(dāng)于增大上噴嘴的射流長度，從而增加液體的吸入量，下噴嘴的噴速增大，但會產(chǎn)生過大壓耗損失。因此，喉管直徑的最優(yōu)尺寸為40 mm。

5 結(jié) 論

(1) 設(shè)計的基于文丘里效應(yīng)的井下自循環(huán)粒子射流鉆井工具，能夠吸入環(huán)空液體，并在下部噴嘴形成射流，完成鉆井液在其內(nèi)部與環(huán)空的循環(huán)。驗(yàn)證了基于文丘里效應(yīng)的井下自循環(huán)粒子射流鉆井方法的原理是可行的。

(2) 下部噴嘴噴速受喉管直徑、喉管長度與擴(kuò)散管的擴(kuò)散角等因素影響，喉管直徑大于40 mm時，下噴嘴噴速變化很小；下噴嘴直徑小于40 mm時，隨著直徑變小下噴嘴噴速明顯增大；喉管長度對下部噴嘴噴速的影響是先增大后減小的；擴(kuò)散管的擴(kuò)散角對下部噴嘴噴速沒有較大影響。

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