中心射流泵降壓性能參數敏感性分析

摘要：為分析射流泵結構參數對井下環空鉆井液壓降的影響，應用CFD仿真軟件對中心射流泵的不同結構參數產生的降壓效果進行仿真分析。結合實際工況模擬了射流泵的喉管長度、喉管直徑、噴嘴直徑、噴嘴角度四個關鍵結構參數以及鉆井液密度和排量對壓降影響的敏感性。同時，運用CFD-DPM方法對射流泵進行了沖蝕分析，給出沖蝕較大的區域。研究結果表明：噴嘴直徑相比其他三種參數對環空壓降影響較顯著，喉管長度、喉管直徑、噴嘴角度對環空壓降影響較小;鉆井液排量相對與鉆井液密度對射流泵的降壓效果影響更為顯著;沖蝕較大區域主要出現在射流泵入口處、射流泵彎管拐角處、噴嘴縮徑處。研究結果可為用于井下起抽吸降壓作用的中心射流泵的結構尺寸設計提供參考。

關鍵詞：射流泵;井下工具;結構尺寸;敏感性;降壓

中圖分類號：TE921.2" " " " "文獻標志碼：A" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.04.002

Sensitivity Analysis of Pressure Reduction Performance Parameters of Central

Jet Pumps

XIE Renjun1， REN Meipeng1， WANG Junyan1，SHI Changshuai2， ZHAO Yuanhao2， CHENG Feilong2

（1.CNOOC Research Institute Company Limited，Beijing 100027，China;

2. School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

Abstract： To analyze the influence of jet pump structural parameters on the hydraulic drop of annular wells，CFD simulation software was used to simulate and analyze the pressure reduction effect of different structural parameters of the central jet pump. Four key structural parameters， including pipe length，pipe diameter，nozzle diameter，and nozzle angle，as well as the sensitivity of drilling fluid density and displacement to pressure drop，were simulated based on actual working conditions. In addition，the erosion analysis of the jet pump is carried out by CFD-DPM method，and the area with large erosion is given. The results show that，compared with the other three parameters，the nozzle diameter has a significant effect on the annular pressure drop，while the pipe length，pipe diameter and nozzle angle have little effect on the annular pressure drop. Compared with drilling fluid density，drilling fluid displacement has a more significant effect on the pressure reduction effect of jet pump. The large area of erosion occurs mainly at the inlet of the jet pump，the corner of the jet pump bend and the nozzle reduction. The research results provide a reference for the structural size design of the central jet pump used for pumping and depressurizing.

Key words： jet pump; downhole tools; structure size; sensitivity; decompression

水力射流泵作為一種井下降壓工具，鉆井液通過射流泵噴嘴射出高速低壓流體，從而在端面周圍形成相對“負壓”區，產生一定的抽吸作用，吸入流體與動力液經喉管混合，再經擴散管擴散[1]，達到對環空中鉆井液壓力降低的效果。根據其噴嘴和吸入室位置的不同，射流泵分為中心射流泵和環形射流泵[2-3]。本文主要分析一種用于井下降壓的中心射流泵，主要通過內部流道中的高壓鉆井液，通過射流泵噴出高速流體抽吸環控中的鉆井液，達到降壓的目的。降低環空鉆井液壓力從而降低井底壓差，降低井底壓差，減小巖屑的壓持效應，可以顯著提高鉆井的機械鉆速[4-5]，保證整個鉆井系統的安全運行。

中心射流泵由于內部流場復雜，且傳統以實驗為基礎的研究方法需要消耗大量時間，周期較長，相比之下，有限元仿真模擬作為有效途徑，得到廣泛應用。Malllela等人[6]分析了影響射流泵效率的原因，發現混合管內工作流體和引射流體的混合程度是影響射流泵效率的關鍵因素; 吳穎東等人[7]采用數值模擬方法研究了可調式射流泵的噴嘴距、噴針行程和流量比對其性能和效率的影響，確定了最佳工況參數;白雅婷等人[8]采用ANSYS Fluent對一種應用于石油開采的射流泵結構進行數值模擬，發現喉嘴距為1.0～2.0d時射流泵性能較好，面積比約為6.76時效率最佳;王常斌等人[9]利用PHOENICS模擬研究中心射流泵喉嘴距，確定最優喉嘴距范圍為0.7～1.3倍噴嘴直徑;龍新平[10]采用數值模擬方法研究中心射流泵喉嘴距，發現最優喉嘴距范圍為0.5～1.5倍噴嘴直徑。

目前，關于中心射流泵的大部分研究都僅是研究了在常規環境下射流泵的結構尺寸對射流泵效率的影響，研究用于井下降壓的中心射流泵的相關文獻較少，且大多數未結合實際工況分析射流泵的降壓效果。本文針對一種降低環空鉆井液壓力的射流泵結構參數進行數值模擬研究，分析其對不同結構尺寸參數以及工況參數對井底環空降壓的敏感性。

1 計算模型

鉆井過程中，鉆井液沿工具中心向下流動，一小部分流體作為動力液通過射流泵的入口進入噴嘴，壓力降低，速度增大;另一部分流體向井底流動，攜帶巖屑，在動力液體的作用下，抽汲加速，實現壓降。其射流泵結構原理如圖 1所示，主要通過動力液通過噴嘴射流出高速低壓流體對環控中的鉆井液進行抽吸。

1.1 理論分析

射流泵的基本參數主要包括面積比m、流量比q和壓力比h等[11]。

1） 無量綱流量比q。

q= （1）

式中：q1為動力液的體積流量，m3/s;q2為吸入液的體積流量，m3/s。

2） 無量綱壓力比p

p= （2）

式中：pd為擴散管出口處的截面壓力，Pa;ps為吸入液入口處的截面壓力，Pa;pn為動力液入口處的截面壓力，Pa。

3） 無量綱揚程比N

N= （3）

式中：Hd為射流泵的排出揚程，m;Hs為射流泵的吸入揚程，m;Hn為射流泵的工作揚程，m;ρ3為混合液的密度，kg/m3;ρ2為吸入液的密度， kg/m3;ρ1為動力液的密度，kg/m3。

4） 無量綱面積比m

m =" = （4）

式中：S1為喉管截面積，mm2;S2為噴嘴出口處的面積，mm2;D為喉管界面直徑，mm;d為噴嘴出口截面直徑，mm。

5） 射流泵效率

η = q （5）

射流泵在具體射流過程中，吸入室流體流場和能量交換及其復雜，在喉管區域由于兩股流體混合同樣伴隨著流體速度、壓力的劇烈變化，動力液為環空中的鉆井液提供能量，在吸入室和喉管區域進行能量交換，實現降低環空中鉆井液壓力，在此射流過程中動力液、鉆井液、混合液都存在沿程損失，但這些能量的轉換都符合能量守恒定律。

假設各界面壓力場和速度場分布均勻，根據文獻[11]的推導，現在普遍采用的射流泵基本方程為：

式中：φ1為噴嘴流速系數，0.95～0.975;φ2為喉管流速系數，0.975，φ3為擴散管流速系數，0.9;φ4為喉管入口段流速系數，0.8～0.85;φ1、φ2、φ3、φ4值均由經驗確定。

由式（6）可知，當面積比m和各個流速系數均已確定時，射流泵的基本方程可近似簡化為一次函數，即q-h曲線近似為直線，因此，可將射流泵基本方程式（6）簡化表達為：

h = φ12（q0-q） （7）

式中： h0和q0是性能系數，它與m有關，其表達式為：

m = 1～3，q0 = （5m-0.944 5）0.5-1.75

h0 = 2.667-0.002 3（m+26.07）2（8）

m = 3～25，q0 = （5m-0.94）0.5-1.7

h0 = 1.45m-0.892（9）

式（8）和（9）為射流泵性能方程適用于面積比m為1～25時的經驗式。

由上述推導可知壓力比、流量比、面積比為射流泵基本性能方程中的三個變量，當確定其中的兩項時即可算出另一個參數[12]，最終結合以上理論分析，再結合井底實際工況，初定結構參數如表1所示。

將以上射流泵理論結構參數結合實際井下工況，建立三維實體模型（如圖 2所示），該模型主要模擬了鉆頭水眼及井底，整體上形成一個完整的自循環系統（鉆井液從工具內部到環空）。

1.2 有限元模型

根據圖 2射流泵三維實體模型，對流體域進行抽取，由于射流泵內部流動屬于不規則區域的有限空間射流流動，在射流泵內部流場很難復雜，尤其在噴嘴處，鉆井液流速很大，根據速度梯度進行網格劃分，在速度大、流場復雜的區域對網格進行加密，網格模型如圖 3所示。

本文采用k-ε湍流模型中的RNG模型，該模型可以通過在公式中增加條件，從而提高求解精度，該模型考慮了湍流引起的漩渦，所以相比標準k-ε模型更加復合實際問題，且該模型對瞬變流等可以做出很好的反應。在有限元仿真軟件中，壁面函數為標準壁面函數，流體選取水作為介質，通過改變密度來模擬鉆井液;選擇入口為速度邊界條件，通過入口流量和入口截面面積確定入口速度;出口為壓力出口邊界條件，設置為0;選擇瞬態進行求解，選擇求解方法為SIMPLE，時間步長為1×10-3 s。

1.3 網格無關性驗證

射流泵內的流動為有限空間軸對稱流動，依照相關成果資料[13-15]， 采用二維軸對稱模型可以滿足研究需要。在網格劃分時分別取15 804、27 692、62 933三種不同網格數量，研究在不同網格數量下隨流量變化對壓降的影響。如圖 4所示，在三種不同網格數量下壓降隨流量變化趨勢相同，在網格數量為15 804的模型相比其他兩種模型在流量為2.5和3 m3/min相對誤差較大，而網格數量為27 692和62 933兩種模型隨流量變化的壓降值基本一致，誤差在5%以內。從整體上看，隨網格數量增大相對誤差降低，但綜合考慮相對誤差和計算效率，最終選擇網格數量為27 692進行模擬計算。

1.4 流場分析

為分析該工具的可行性，對整體流場進行了仿真分析。如圖 5所示為整體流體域速度矢量分布圖，流體由入口流入，一部分沿射流泵入口流入內表面進入噴嘴，另一部分沿主流道流入井底再到環空返排出去。在鉆井液流到井底時，由于井底工況復雜，會存在渦旋且流場復雜，但由于本文主要研究射流泵幾個關鍵參數對壓降的敏感性，井底復雜流場影響較小，不影響結果。整個流體域的流體大體方向跟圖 2一致，且在噴嘴出口區域可以看到噴出高速低壓流體對環空中鉆井液進行抽吸，可以實現降壓效果。

如圖 6所示為整體速度云圖。從圖6中6個切片可以看出，工作液由射流泵入口進入噴嘴內部，速度相對較小;在噴嘴縮徑，流體速度增大;由噴嘴出口噴出高速低壓流體;在吸入腔產生負壓抽吸環空鉆井液，此時噴嘴噴出流體進行初步混合，混合流體流速逐漸下降;然后經喉管進行混合，在喉管入口處，流場復雜，混合未完全，速度相對喉管中部來說相對較低;在喉管中下部是工作液和環空鉆井液發生劇烈混合的主要區域，流速達到最大值。

2 結構參數敏感性分析

2.1 噴嘴角度結構參數敏感性數值模擬

隨噴嘴角度α的變化對射流泵在噴嘴處的局部損失有一定影響，從而影響射流泵產生的壓降，所以對射流泵的噴嘴角度敏感性分析很有必要。選取射流泵結構參數為：噴嘴直徑6 mm;喉管直徑14 mm;喉管長度30 mm;分別選擇噴嘴角度為11°、13°、15°、17°分析噴嘴角度對射流泵壓降的影響。

噴嘴角度與噴嘴出口壓力關系如圖7所示，隨噴嘴角度增大，噴嘴出口產生的負壓線性降低，由于測量值為靜壓，出口壓力數值上為負值。噴嘴角度增大會使得在噴嘴處局部損失增大，導致在噴嘴出口處產生的負壓降低。噴嘴角度由11°增大到17°，噴嘴出口產生的負壓由0.239 2 MPa降低到0.225 MPa，降低了6%，表明噴嘴角度對其影響不顯著。

噴嘴角度增大使得噴嘴出口產生的負壓減小，在一定程度上對降低環空鉆井液壓力起消極作用。如圖 8所示，在隨噴嘴角度增加，射流泵產生的壓降線性下降，表明過大的噴嘴角度導致噴嘴產生的局部損失增大;此外，噴嘴由11°增大到17°，壓降由0.63 MPa下降到0.605 MPa，下降了4%，在一定程度上增大了局部損失，但總體來說噴嘴角度對壓降不是很敏感。

2.2 噴嘴直徑結構參數敏感性數值模擬

根據伯努利方程可知，隨噴嘴出口直徑減小，噴嘴出口鉆井液流速將會增大，鉆井液流速越大壓力越小，此外，噴嘴出口直徑對局部損失也存在一定程度的影響，所以分析壓降對噴嘴直徑的敏感性很有必要。選取結構參數為：噴嘴角度13 °;喉管直徑14 mm;喉管長度30 mm;鉆井液密度1.5 g/cm3。分別選擇噴嘴直徑為4、5、6、7 mm分析噴嘴直徑對射流泵壓降的影響。

噴嘴直徑與噴嘴出口壓力關系如圖 9所示，隨噴嘴直徑增大，導致噴嘴噴出的鉆井液流速降低，導致噴嘴出口處產生的負壓線性降低。噴嘴直徑由4 mm增大到7 mm，噴嘴出口處產生的負壓由0.416 8 MPa降到0.200 3 MPa，降低了52%，表明噴嘴直徑對噴嘴出口處產生的負壓影響很顯著。

噴嘴直徑增大使得噴嘴出口產生的負壓降低，影響噴嘴噴出工作液對環空鉆井液的抽吸作用。如圖 10所示為噴嘴出口直徑與環空壓降關系圖，隨噴嘴出口直徑增加，環空壓降線性下降，但由于考慮到鉆井液中攜帶大顆粒巖屑，最小噴嘴直徑只取到了4 mm。噴嘴出口直徑增大，一方面可以降低射流泵由于噴嘴收縮引起的局部壓力損失，但從另一方面來說，噴嘴出口直徑增大，噴嘴出口鉆井液速度將會降低，導致射流泵產生的抽吸作用降低，從而導致壓降下降。噴嘴直徑由4 mm增大到7 mm，環空壓降由0.841 MPa下降到0.59 MPa，下降了30%，相對噴嘴角度來說，噴嘴出口直徑的敏感性更高。

2.3 喉管直徑尺寸敏感性數值模擬

在喉管區域，提供壓力的工作液（噴嘴內部鉆井液）將會與被抽吸的環空中的鉆井液相混合，喉管直徑大小會影響兩者的流進該區域的流量，對最終的壓降也存在影響，所以分析壓降對喉管直徑的敏感性很有必要。選取結構參數為：噴嘴直徑6 mm;噴嘴角度13°;喉管長度30 mm;鉆井液密度1.5 g/cm3。分別選擇喉管直徑為12、13、14、15 mm分析喉管直徑對射流泵壓降的影響。

如圖 11所示為噴嘴出口壓力和喉管直徑關系圖，隨喉管直徑增大，噴嘴出口產生的負壓線性增大，但喉管直徑由12 mm增大到15 mm，噴嘴出口產生的負壓由0.224 5 MPa增大到0.235 7 MPa，增大了5%，表明喉管直徑對噴嘴出口壓力影響不顯著。

雖然喉管直徑增大，噴嘴出口產生的負壓降低，對壓降來說起消極作用，但如圖 11中所示，喉管直徑增大使得喉管中的負壓降低，降低了對環空鉆井液的抽吸效果。如圖 12所示為喉管直徑與壓降關系圖，隨喉管直徑的增大，壓降線性下降。喉管直徑由12 mm增大到15 mm，壓降由0.64 MPa下降到0.617 MPa，下降了3.6%，相對來說喉管直徑對壓降影響不顯著。

2.4 喉管長度尺寸敏感性數值模擬

喉管長度在一定程度上同樣影響著噴嘴噴出的工作液和環空中被抽吸鉆井液的混合程度，過短的喉管長度將會導致兩者未被充分混合就進入擴散管，從而影響降壓性能。選取結構參數為：噴嘴直徑6 mm;噴嘴角度13°;喉管直徑14 mm;鉆井液密度1.5 g/cm3。分別選擇喉管長度為25、30、35、40 mm分析喉管長度對射流泵壓降的影響。

如圖 13所示為噴嘴出口壓力與喉管長度關系圖，隨喉管長度增長，噴嘴出口處噴出的鉆井液產生的負壓先增加后降低，產生的最大負壓為0.234 4 MPa，最小負壓為0.228 7 MPa，降低了2.6%，表明喉管長度對噴嘴產生的負壓影響不顯著。

喉管長度影響著工作液和環空中鉆井液的混合程度，喉管越長兩者的混合程度越好，但由于喉管內部流場復雜，長度越長沿程損失越大。如圖14所示，隨喉管長度增加，壓降先增大后減小。表明喉管長度在25 mm到35 mm范圍內，隨喉管長度增大，工作液和被抽吸鉆井液混合程度增大，這對于環空壓降來說是有利因素，因此在該范圍內壓降線性增大;但隨著喉管長度增大到40 mm時，過長的喉管長度會使得喉管中混合鉆井液的沿程損失增大，使得喉管中混合鉆井液速度降低，在一定程度上會降低環空中的壓降。但總體來說隨喉管長度增大對壓降的影響不大，在喉管直徑為25 ～40 mm范圍內最大壓降為0.626 MPa，最小壓降為0.619 MPa，由最大壓降到最小壓降僅降低了1.1%。表明壓降對喉管長度不敏感。

3 工況參數對壓降敏感性分析

隨入口排量增大，內部流到中的靜壓增大，導致射流泵內部以及環空中鉆井液壓力變化，從而影響射流泵產生的壓降;此外，由伯努利方程可知，隨流體的密度變化，對相同排量下的鉆井液壓力和速度產生影響，從而影響沿程損失和局部損失，導致對射流泵產生的降壓性能發生變化。所以對于排量和鉆井液密度對射流泵降壓性能分析很有必要。

結合以上對射流泵結構參數的敏感性分析，再結合實際工況，得出最優射流泵就夠參數為：噴嘴角度11°;噴嘴直徑4 mm;喉管直徑12 mm;喉管長度35 mm。

如圖 15所示為在不同鉆井液密度、不同排量下射流泵壓力云圖，在相同排量下，隨鉆井液密度增大，噴嘴內部壓強越高，噴嘴出口處產生的負壓越大;在相同排量下，隨鉆井液密度增大，噴嘴內部壓強越高，噴嘴出口處產生的負壓越大。

如圖16所示為射流泵在不同鉆井液密度下產生的壓降與排量的關系圖，整體來說隨鉆井液排量增大和鉆井液密度增大，都會使壓降線性增大，表明鉆井液排量和鉆井液密度對于壓降來說都是有利因素。射流泵壓降隨排量變化為二次曲線，隨排量增大，壓降效果越顯著;在相同排量下，隨密度增大，壓降增大，但壓降增幅在降低。表明隨鉆井液流量增大，射流泵壓降的敏感性增大;隨鉆井液密度增大，射流泵壓降的敏感性降低;相對來說，鉆井液排量對射流泵的降壓效果影響相比鉆井液密度更為顯著。

4 沖蝕分析

為分析射流泵噴嘴的沖蝕情況，運用CFD-DPM方法，考慮顆粒與流體的雙向耦合作用，對該井下降壓工具進行沖蝕模擬，分析射流泵的沖蝕情況。設置離散相質量流量為0.254 kg/s，惰性顆粒密度2.5 g/cm3，直徑0.5 mm，入口鉆井液速度8.5 m/s，密度1.5 g/cm3。

如圖17～18所示分別為射流泵沖蝕云圖和射流泵速度矢量圖，在射流泵入口處由于流道垂直，顆粒對射流泵入口一側壁面產生高速碰撞，出現較大沖蝕;流進射流泵內流道的顆粒在射流泵彎管拐角處由于流道改變對彎管拐角處上側產生沖蝕;當顆粒運動到噴嘴縮徑處，由于流體部分處于流道上方，主要對噴嘴縮頸上側產生沖蝕。為改善沖蝕，目前主要通過對沖蝕嚴重的表面涂防沖蝕涂層，防沖蝕涂層的種類很多，大致可分為金屬涂層、非金屬涂層和復合涂層三類[16]。對于射流泵入口處和噴嘴縮徑處產生較大沖蝕的區域，可通過涂防沖蝕涂層的方法以改善沖蝕情況，提高射流泵壽命;此外，對于彎管處產生的沖蝕，可采用三角形槽的表面仿生結構[17]，提高抗沖蝕特性。

5 結論

1） 對射流泵四個關鍵結構參數的數值模擬得到四種結構參數對壓降的影響，得出噴嘴直徑相比其他三種參數來說對環空壓降影響較顯著，喉管長度、喉管直徑對環空壓降影響較小。

2） 分析了射流泵在不同鉆井液排量和不同鉆井液密度下對降壓效果的影響，鉆井液排量相對與鉆井液密度來說對射流泵的降壓效果影響更為顯著。

3） 對用于井下起抽吸降壓作用的中心射流泵的結構尺寸設計提供一定的參考。

4） 通過CFD-DPM模型對射流泵沖蝕情況進行數值模擬，指出了射流泵入口處和噴嘴縮徑處及彎管拐角處為沖蝕較大的位置，前兩者可通過對內表面涂防沖蝕涂層改善沖蝕情況;后者可通過采用三角形槽的表面仿生結構提高壽命。

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收稿日期： 2023-12-04

基金項目： 國家自然科學基金（52174210）;南充市-西南石油大學市校科技戰略合作項目（SXHZ049）。

作者簡介： 謝仁軍（1983-），男，陜西陽縣人，教授級高級工程師，主要從事海洋石油鉆完井方面的技術研究工作，E-mail：xierj@cnooc.com.cn。