自進式直旋混合噴嘴的鉆進性能研究*

高軍紅 付必偉 董宗正

(1.中國石油銷售湖南公司 2.長江大學機械工程學院 3.西南石油大學機電工程學院)

0 引 言

天然氣水合物作為具有巨大開發前景的新型清潔能源，受到人們的廣泛關注。目前天然氣水合物還處于勘探、試采和小規模開采階段，尚未形成成熟的開采方法。海洋天然氣水合物因儲層環境復雜，存在鉆井安全、地質災害和環境風險等問題，現有方法很難高效、安全、經濟開采天然氣水合物。許多學者研究發現天然氣儲層改造可發展形成更安全、穩定、經濟的新型水合物開采技術，更有利于實現天然氣水合物的商業化開采[1-2]。李根生等[3]詳細論證水力徑向鉆井技術是水合物開采和儲層改造的一種有效方法。

自進式噴嘴作為水力徑向鉆井系統的動力工具和破巖工具，其性能直接決定了該系統的鉆進能力。自進式噴嘴結構主要由后噴口和前噴口2部分組成，后噴口射流產生的反沖力為系統提供推進動力，前噴口射流主要用于沖擊破巖。前人主要集中對直射流噴嘴、旋轉射流噴嘴和直旋混合射流噴嘴3類常用噴嘴進行研究：①直射流噴嘴研究方面，P.BUSET和馬東軍等[4-5]等通過試驗和數值仿真分析發現，單孔直射流雖然鉆孔能力強、孔眼形狀規則，但鉆孔孔徑較小，限制了噴嘴向前推進；多孔直射流噴嘴鉆孔孔徑較大，但是孔眼形狀不規則不利于巖屑排出。②在旋轉射流噴嘴研究方面，步玉環等[6-8]通過試驗和數值仿真分析表明，旋轉射流具有較強的剪切破巖能力，鉆孔孔徑較大，但是孔眼深度淺且孔底存在中心凸臺不利于噴嘴向前推進。③在直旋混合射流噴嘴研究方面，W.G.BUCKMAN和廖華林等[9-10]研究表明，直旋混合射流的鉆孔孔眼規則，能解決鉆孔孔徑小和孔底凸臺等問題。以往在噴嘴破巖能力研究中很少考慮后噴口的影響，而后噴口對噴嘴推進力、射流速度以及破巖效果的影響較大[11]，對設計高效自進式破巖噴嘴，增大水平孔鉆井深度，增強水合物開采效率和儲層改造效果具有重要意義。

雖然目前對直旋混合射流噴嘴的破巖效果和速度場的分布規律已有相關研究，但研究中沒有綜合考慮推進性能和破巖效果的相互影響。實際上地面泵壓一定時，自進式噴嘴的推進性能和破巖效果互相矛盾，因此綜合考慮噴嘴的推進性能和破巖效果才能全面評價自進式噴嘴的鉆進性能。筆者考慮后噴口對自進式噴嘴鉆進性能的影響，綜合對比單孔直射流噴嘴、旋轉射流噴嘴和直旋混合射流噴嘴的射流流場，分析了直旋混合射流噴嘴的破巖機理和鉆進性能，研究結果可為高效直旋混合射流噴嘴結構設計提供理論依據。

1 噴嘴結構及其鉆進性能

1.1 噴嘴結構

1.1.1 水力徑向鉆井技術

圖1所示為水力徑向鉆井作業示意圖。由地面高壓水泵將水泵入連續管，再經過高壓軟管到自進式噴嘴，最后由噴嘴將高壓水轉變為高速水射流破碎巖石，形成徑向水平孔，達到提高天然氣水合物開采效率的目的。

圖1 水力徑向鉆井作業示意圖Fig.1 Schematic diagram of hydraulic radial drilling

1.1.2 3種噴嘴結構

圖2是3種常用自進式噴嘴的三維模型。3種噴嘴的主要結構參數包括后噴口直徑為1.5 mm，噴口數量6個，后噴口傾角為30°，前噴口直徑為1.8 mm，噴嘴總長為30 mm，噴嘴外徑為18 mm，噴嘴壁厚為3 mm。

圖2 噴嘴的三維模型Fig.2 Three-dimensional model of nozzle

1.2 鉆進性能評價指標

推進力和破巖能力是衡量自進式噴嘴鉆進性能的2個重要指標。

1.2.1 推進力

基于流動反沖力計算原理，自進式噴嘴的推進力計算模型為：

(1)

式中：Ft為推進力，N；ρ為流體密度，kg/m3;N為后噴口個數，無量綱；s2為后噴口流道橫截面面積，m2；α為后噴口傾角，(°)；v2為后噴口射流平均速度，m/s；v1為前噴口射流平均速度，m/s；s1為前噴口流道橫截面面積，m2。

1.2.2 破巖能力

高壓水射流破巖機理可以分為3種類型：

(1)沖蝕作用：高速射流對巖石的沖擊破碎作用。射流軸向速度越大，沖擊破碎巖石的效果越好。破巖力可用下式表達：

(2)

式中：Fp為破巖力，N。

(2)井底漫流作用：井底漫流的切向速度和徑向速度越大，對井底巖石的剪切破壞作用越強。

(3)水楔作用：射流在巖石裂縫處產生壓力場，使裂縫受到擠壓應力導致裂紋擴展，致使巖石破碎。

2 數值模型

2.1 計算模型與網格離散化

2.1.1 模型假設與計算流體域

模型假設：①假設徑向孔眼為規則的圓孔；②假設噴嘴軸線與孔眼軸線重合；③將噴嘴尾部環空長度進行適度延長，以消除回流影響。基于假設條件建立直旋混合射流自進式噴嘴的徑向鉆進作業計算流體域，如圖3所示。流體域的孔眼直徑設置為30 mm，靶距為15 mm，長為75 mm。

圖3 計算流體域Fig.3 Calculation of fluid domain

2.1.2 網格離散化

由于旋轉射流噴嘴的葉輪結構復雜，流體域很難采用結構化網格進行網格劃分。但是采用非結構化網格進行網格劃分會帶來網格數量多、計算速度慢以及計算精度差等問題。因此，計算流體域選擇了混合網格劃分方案(圖4)，葉輪區域采用適用性較好的非結構化網格，其余區域采用了結構化網格劃分方法。該方法既具有很好的適用性，又可以減小網格帶來的計算誤差。

圖4 流體域網格劃分Fig.4 Mesh division of fluid domain

2.1.3 邊界條件

考慮海洋井底環境壓力與地面高壓水泵的額定工作壓力，其邊界條件設置如表1所示。

表1 邊界條件Table 1 Boundary conditions

2.2 控制方程

高壓水射流采用N-S方程為射流控制方程，標準k-ε方程為湍流模型[12-13]。

(1)連續性方程。

(3)

(2)Navier-Stokes方程。

(4)

其中，i=x、y、z，作為下標時代表X、Y、Z軸，否則代表位移張量。式(3)、式(4)中，ui表示速度張量，m/s；p為壓力，Pa；μ表示動力黏度，Pa·s。

(3)k-ε方程。

k方程：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(5)

ε方程：

(6)

相關參數的默認值如表2所示。

表2 k-ε模型相關參數值Table 2 Relative parameters of model

3 結果分析

3.1 流場分析

3.1.1 縱截面速度場分析

圖5所示為3種噴嘴的速度截面分布云圖，并定義圖中9～11區域為射流核心區。圖5顯示直射流噴嘴因射流集束性好，其射流擴散角較小，射流核心長，沖擊破巖能力強。旋轉射流噴嘴產生的高速旋流射流，卷吸能力強，擴散角大，對巖石的剪切破壞能力強。但是旋轉射流中心存在明顯的低速區，導致在孔眼底部易形成凸臺，不利于噴嘴向前推進。與旋轉射流噴嘴相比，直旋混合射流噴嘴消除了旋轉射流的中心低速區域，并且射流核心長度較大，保證了射流中心區域的沖擊破巖能力。

圖5 3種噴嘴的截面速度分布云圖Fig.5 Cloud chart of section velocity distribution of three kinds of nozzles

圖6是3種噴嘴的軸心速度分布曲線。由于高速射流卷吸周圍環境的低速流體，射流能量沿軸向快速耗散，導致射流速度快速衰減。其中因旋轉射流卷吸能力最強，直旋混合射流其次，直射流最弱，導致旋轉射流噴嘴軸心速度衰減最快，直旋混合射流噴嘴其次，直射流噴嘴最慢。因此在相同靶距下，直射流噴嘴的沖擊破巖效果最好，直旋混合射流噴嘴其次，旋轉射流最差。以圖5中將等值線9對應的速度160m/s做為射流核心分界線，由此可以發現直射流噴嘴的射流核心長度為12.4mm，旋轉射流噴嘴為8.2mm，直旋混合射流噴嘴為9.7mm。

圖6 軸心線速度分布曲線Fig.6 Velocity distribution curve of axis

3.1.2 橫截面速度與矢量分布

圖7為3種噴嘴內部流場的橫截面速度分布云圖和矢量圖。

圖7 橫截面速度分布云圖和矢量圖Fig.7 Cloud chart and vector diagram of section velocity distribution

圖7顯示直射流噴嘴內部流場不存在旋流，均為直射流。高壓水經過旋轉射流噴嘴內部葉輪加旋作用后，其速度云圖和矢量圖表明其內部流場形成了明顯的旋流，但是中心區域速度較小。當高壓水經過直旋混合射流噴嘴，其速度云圖和矢量圖顯示部分流體通過葉輪加旋后在噴嘴內部流場的外圍形成了旋流，其余流體通過葉輪中心孔后，在中心區域形成了高速直射流，從而使直旋混合射流噴嘴既具有較好的沖擊破巖特性，也具有較好的剪切破巖效果。

3.2 推進力分析

圖8是3種噴嘴的推進力隨進出口壓差的變化曲線。

圖8 推進力變化曲線Fig.8 Change curve of propulsive force

圖8顯示推進力與壓差基本呈線性遞增的關系。在相同壓力條件下，因為旋轉射流噴嘴內部存在葉輪，流動阻力較大，使更多流體經后噴口噴出，導致旋轉射流噴嘴的推進力最大。與旋轉射流噴嘴相比，直旋混合射流噴嘴的葉輪多1個中心孔，此時葉輪的流動阻力減小，更多的流體從前噴口噴出，因此直旋混合射流噴嘴的推進力小于旋轉射流噴嘴。直射流噴嘴中心沒有葉輪，流動阻力較小，在相同壓力下入口流量增大，此時前后噴口的流體流量均增大，導致直射流噴嘴的推進力略大于直旋混合射流噴嘴。但隨著壓差增大，直旋混合射流噴嘴的葉輪對流體的阻礙作用放大，使更多的流體從后噴口噴射，導致直旋混合射流噴嘴的推進力增幅大于直射流噴嘴。當壓差超過40MPa后，直旋混合射流噴嘴的推進力超過了直射流噴嘴。

圖9是破巖力隨進出口壓差的變化曲線。

圖9 破巖力變化曲線Fig.9 Change curve of rock-breaking force

由圖9可以看出，破巖力與推進力呈現相反的變化規律。在相同壓力條件下，直射流噴嘴的破巖力最大，直旋混合射流噴嘴其次，旋轉射流噴嘴最小。并且由于直旋混合射流噴嘴外圍射流旋流速度增大，對中心直射流的卷吸作用增強，引起軸向射流速度降幅增大，導致破巖力降幅增大，所以隨壓差增大，直旋混合射流噴嘴的破巖力增幅逐漸減小。

3.3 近井底漫流速度場分析

圖10是距井底0.5mm橫截面速度分布云圖[14]。

圖10 距井底0.5 mm橫截面速度分布云圖Fig.10 Cloud chart of velocity distribution at the section of 0.5 mm away from bottom hole

由圖10可以看出，直射流噴嘴因射流集束性強、在井底中心區域射流速度大，沖擊破巖效果較好。旋轉射流噴嘴因射流高速旋轉產生較強的卷吸效應，射流擴散性好，但能量耗散快，導致在井底射流速度小，射流對井底的沖擊破巖效果差，但是旋轉射流對巖石的剪切破壞效果好。同時還可以看出，旋轉射流在近井底截面存在明顯的中心低速區，這是造成井底中心存在凸臺的主要原因。與旋轉射流相比，直旋混合射流噴嘴近井底截面的射流速度較大，對井底的沖擊破巖效果好，并且中心低速區基本消失，可以有效解決旋轉射流帶來的中心凸臺問題，更有利于噴嘴向前推進。同時由上面分析可知，直旋混合射流外圍為高速旋流，其剪切破巖效果較好。并且，通過對比數值計算結果與試驗結果發現，井底漫流區的速度分布規律與鉆孔結構基本保持一致。

圖11為距井底0.5mm截面上，3種噴嘴的射流速度沿徑向的合速度分布曲線。

圖11 沿徑向的速度分布曲線Fig.11 Velocity distribution curve along radial direction

從圖11可以看出，直射流噴嘴射流中心區域的射流速度明顯較大。旋轉射流噴嘴因射流擴散性好，能量耗散快，中心區域速度相對較小，并且存在一個明顯的中心低速區，導致井底留下一個明顯的臺階，同時射流中心周圍出現兩個速度峰值，使鉆孔孔眼外圍的孔深較大。直旋混合射流噴嘴與旋轉射流噴嘴相比，中心低速區明顯減小，可有效解決中心凸臺問題。直旋混合射流中心處還存在一個相對較小的低速區，這是因為中心孔徑較小軸向射流能量不足而引起的。

圖12為3種噴嘴在井底的切向速度變化曲線。

圖12 切向速度分布曲線Fig.12 Distribution curve of tangential velocity

從圖12可以看出，旋轉射流噴嘴的切向速度最大，直旋混合射流噴嘴的切向速度其次，直射流噴嘴的切向速度近似為0。這是因為流體在葉輪的導流作用下，形成高速的旋轉射流，導致旋轉射流噴嘴產生較大的旋流，此時對應的切向速度較大。而直旋混合射流噴嘴由于中心存在中心孔，部分流體經過中心孔在射流中心區域產生高速直射流，外圍流體經葉輪導流也形成了高速旋轉射流。此時，直旋混合射流噴嘴的外圍旋流能量低于旋轉射流噴嘴的旋流能量，因此在井底漫流層的切向速度小于旋轉射流噴嘴。但是直旋混合射流噴嘴對巖石的剪切破壞效果明顯比直射流噴嘴好。由于巖石的抗剪強度是抗壓強度的1/15～1/8倍，抗拉強度僅為抗壓強度的1/80～1/16倍，所以直旋混合射流對巖石的剪切破壞效果，有利于提高水力徑向鉆井作業效率。

圖13是3種噴嘴在井底漫流層的徑向速度分布曲線。

圖13 徑向速度分布曲線Fig.13 Distribution curve of radial velocity

圖13顯示直射流噴嘴和直旋混合射流噴嘴的徑向速度基本保持一致，明顯大于旋轉射流噴嘴。因為直旋混合射流噴嘴的旋流在離心力的作用下與中心軸向射流的相互作用較小，且在中心高速射流的吸引作用下，射流的擴散性小于旋轉射流噴嘴，導致直旋混合射流噴嘴的徑向速度較大。其中直旋混合射流噴嘴在井底漫流區產生的最大徑向速度為42m/s，而旋轉射流噴嘴最大徑向速度為35m/s。因此，直旋混合射流對巖石有較好的拉伸破壞效果，有利于提高水力徑向鉆井作業效率。

4 結 論

通過對比直射流噴嘴、旋轉射流噴嘴和直旋混合射流噴嘴的流場特征和鉆進性能發現：

(1)直旋混合射流噴嘴的射流核心長度是旋轉射流噴嘴的1.18倍，可消除旋轉射流的中心低速區，有效提高射流沖擊破巖效果。

(2)低壓條件下直旋混合射流噴嘴的推進力略小于直射流噴嘴，隨工作壓力增大直旋混合射流噴嘴推進力增幅大于直射流噴嘴，但是破巖力增幅減小。存在一個較優的作業壓力，可使直旋混合射流噴嘴具有最佳的鉆進性能。

(3)在井底漫流層，直旋混合射流噴嘴的高速區明顯大于直射流噴嘴，并且直旋混合射流噴嘴在近井底漫流區的切向速度和徑向速度較大，剪切破巖效果較好，有利于提高射流的巖石破碎效率和鉆孔孔徑。

研究表明直旋混合射流噴嘴的鉆進性能較好，比較適用于高壓水力徑向鉆井作業。