高軍紅 付必偉 董宗正

(1.中國(guó)石油銷售湖南公司 2.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 3.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

0 引 言

天然氣水合物作為具有巨大開發(fā)前景的新型清潔能源，受到人們的廣泛關(guān)注。目前天然氣水合物還處于勘探、試采和小規(guī)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(chǔ)層環(huán)境復(fù)雜，存在鉆井安全、地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題，現(xiàn)有方法很難高效、安全、經(jīng)濟(jì)開采天然氣水合物。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)天然氣儲(chǔ)層改造可發(fā)展形成更安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的新型水合物開采技術(shù)，更有利于實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的商業(yè)化開采[1-2]。李根生等[3]詳細(xì)論證水力徑向鉆井技術(shù)是水合物開采和儲(chǔ)層改造的一種有效方法。

自進(jìn)式噴嘴作為水力徑向鉆井系統(tǒng)的動(dòng)力工具和破巖工具，其性能直接決定了該系統(tǒng)的鉆進(jìn)能力。自進(jìn)式噴嘴結(jié)構(gòu)主要由后噴口和前噴口2部分組成，后噴口射流產(chǎn)生的反沖力為系統(tǒng)提供推進(jìn)動(dòng)力，前噴口射流主要用于沖擊破巖。前人主要集中對(duì)直射流噴嘴、旋轉(zhuǎn)射流噴嘴和直旋混合射流噴嘴3類常用噴嘴進(jìn)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(guò)試驗(yàn)和數(shù)值仿真分析發(fā)現(xiàn)，單孔直射流雖然鉆孔能力強(qiáng)、孔眼形狀規(guī)則，但鉆孔孔徑較小，限制了噴嘴向前推進(jìn)；多孔直射流噴嘴鉆孔孔徑較大，但是孔眼形狀不規(guī)則不利于巖屑排出。②在旋轉(zhuǎn)射流噴嘴研究方面，步玉環(huán)等[6-8]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值仿真分析表明，旋轉(zhuǎn)射流具有較強(qiáng)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(tái)不利于噴嘴向前推進(jìn)。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(guī)則，能解決鉆孔孔徑小和孔底凸臺(tái)等問(wèn)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(duì)噴嘴推進(jìn)力、射流速度以及破巖效果的影響較大[11]，對(duì)設(shè)計(jì)高效自進(jìn)式破巖噴嘴，增大水平孔鉆井深度，增強(qiáng)水合物開采效率和儲(chǔ)層改造效果具有重要意義。

雖然目前對(duì)直旋混合射流噴嘴的破巖效果和速度場(chǎng)的分布規(guī)律已有相關(guān)研究，但研究中沒(méi)有綜合考慮推進(jìn)性能和破巖效果的相互影響。實(shí)際上地面泵壓一定時(shí)，自進(jìn)式噴嘴的推進(jìn)性能和破巖效果互相矛盾，因此綜合考慮噴嘴的推進(jìn)性能和破巖效果才能全面評(píng)價(jià)自進(jìn)式噴嘴的鉆進(jìn)性能。筆者考慮后噴口對(duì)自進(jìn)式噴嘴鉆進(jìn)性能的影響，綜合對(duì)比單孔直射流噴嘴、旋轉(zhuǎn)射流噴嘴和直旋混合射流噴嘴的射流流場(chǎng)，分析了直旋混合射流噴嘴的破巖機(jī)理和鉆進(jìn)性能，研究結(jié)果可為高效直旋混合射流噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)及其鉆進(jìn)性能

1.1 噴嘴結(jié)構(gòu)

1.1.1 水力徑向鉆井技術(shù)

圖1所示為水力徑向鉆井作業(yè)示意圖。由地面高壓水泵將水泵入連續(xù)管，再經(jīng)過(guò)高壓軟管到自進(jìn)式噴嘴，最后由噴嘴將高壓水轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚偎淞髌扑閹r石，形成徑向水平孔，達(dá)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(yè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hydraulic radial drilling

1.1.2 3種噴嘴結(jié)構(gòu)

圖2是3種常用自進(jìn)式噴嘴的三維模型。3種噴嘴的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括后噴口直徑為1.5 mm，噴口數(shù)量6個(gè)，后噴口傾角為30°，前噴口直徑為1.8 mm，噴嘴總長(zhǎng)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(jìn)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

推進(jìn)力和破巖能力是衡量自進(jìn)式噴嘴鉆進(jìn)性能的2個(gè)重要指標(biāo)。

1.2.1 推進(jìn)力

基于流動(dòng)反沖力計(jì)算原理，自進(jìn)式噴嘴的推進(jìn)力計(jì)算模型為：

(1)

式中：Ft為推進(jìn)力，N；ρ為流體密度，kg/m3;N為后噴口個(gè)數(shù)，無(wú)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(jī)理可以分為3種類型：

(1)沖蝕作用：高速射流對(duì)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(dá)：

(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(duì)井底巖石的剪切破壞作用越強(qiáng)。

(3)水楔作用：射流在巖石裂縫處產(chǎn)生壓力場(chǎng)，使裂縫受到擠壓應(yīng)力導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，致使巖石破碎。

2 數(shù)值模型

2.1 計(jì)算模型與網(wǎng)格離散化

2.1.1 模型假設(shè)與計(jì)算流體域

模型假設(shè)：①假設(shè)徑向孔眼為規(guī)則的圓孔；②假設(shè)噴嘴軸線與孔眼軸線重合；③將噴嘴尾部環(huán)空長(zhǎng)度進(jìn)行適度延長(zhǎng)，以消除回流影響?；诩僭O(shè)條件建立直旋混合射流自進(jìn)式噴嘴的徑向鉆進(jìn)作業(yè)計(jì)算流體域，如圖3所示。流體域的孔眼直徑設(shè)置為30 mm，靶距為15 mm，長(zhǎng)為75 mm。

圖3 計(jì)算流體域Fig.3 Calculation of fluid domain

2.1.2 網(wǎng)格離散化

由于旋轉(zhuǎn)射流噴嘴的葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體域很難采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。但是采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分會(huì)帶來(lái)網(wǎng)格數(shù)量多、計(jì)算速度慢以及計(jì)算精度差等問(wèn)題。因此，計(jì)算流體域選擇了混合網(wǎng)格劃分方案(圖4)，葉輪區(qū)域采用適用性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余區(qū)域采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法。該方法既具有很好的適用性，又可以減小網(wǎng)格帶來(lái)的計(jì)算誤差。

圖4 流體域網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh division of fluid domain

2.1.3 邊界條件

考慮海洋井底環(huán)境壓力與地面高壓水泵的額定工作壓力，其邊界條件設(shè)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(biāo)準(zhǔn)k-ε方程為湍流模型[12-13]。

(1)連續(xù)性方程。

(3)

(2)Navier-Stokes方程。

(4)

其中，i=x、y、z，作為下標(biāo)時(shí)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(dòng)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(guān)參數(shù)的默認(rèn)值如表2所示。

表2 k-ε模型相關(guān)參數(shù)值Table 2 Relative parameters of model

3 結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)分析

3.1.1 縱截面速度場(chǎng)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(qū)域?yàn)樯淞骱诵膮^(qū)。圖5顯示直射流噴嘴因射流集束性好，其射流擴(kuò)散角較小，射流核心長(zhǎng)，沖擊破巖能力強(qiáng)。旋轉(zhuǎn)射流噴嘴產(chǎn)生的高速旋流射流，卷吸能力強(qiáng)，擴(kuò)散角大，對(duì)巖石的剪切破壞能力強(qiáng)。但是旋轉(zhuǎn)射流中心存在明顯的低速區(qū)，導(dǎo)致在孔眼底部易形成凸臺(tái)，不利于噴嘴向前推進(jìn)。與旋轉(zhuǎn)射流噴嘴相比，直旋混合射流噴嘴消除了旋轉(zhuǎn)射流的中心低速區(qū)域，并且射流核心長(zhǎng)度較大，保證了射流中心區(qū)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(huán)境的低速流體，射流能量沿軸向快速耗散，導(dǎo)致射流速度快速衰減。其中因旋轉(zhuǎn)射流卷吸能力最強(qiáng)，直旋混合射流其次，直射流最弱，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)射流最差。以圖5中將等值線9對(duì)應(yīng)的速度160m/s做為射流核心分界線，由此可以發(fā)現(xiàn)直射流噴嘴的射流核心長(zhǎng)度為12.4mm，旋轉(zhuǎn)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(nèi)部流場(chǎng)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(nèi)部流場(chǎng)不存在旋流，均為直射流。高壓水經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)射流噴嘴內(nèi)部葉輪加旋作用后，其速度云圖和矢量圖表明其內(nèi)部流場(chǎng)形成了明顯的旋流，但是中心區(qū)域速度較小。當(dāng)高壓水經(jīng)過(guò)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(guò)葉輪加旋后在噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的外圍形成了旋流，其余流體通過(guò)葉輪中心孔后，在中心區(qū)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(jìn)力分析

圖8是3種噴嘴的推進(jìn)力隨進(jìn)出口壓差的變化曲線。

圖8 推進(jìn)力變化曲線Fig.8 Change curve of propulsive force

圖8顯示推進(jìn)力與壓差基本呈線性遞增的關(guān)系。在相同壓力條件下，因?yàn)樾D(zhuǎn)射流噴嘴內(nèi)部存在葉輪，流動(dòng)阻力較大，使更多流體經(jīng)后噴口噴出，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)射流噴嘴的推進(jìn)力最大。與旋轉(zhuǎn)射流噴嘴相比，直旋混合射流噴嘴的葉輪多1個(gè)中心孔，此時(shí)葉輪的流動(dòng)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(jìn)力小于旋轉(zhuǎn)射流噴嘴。直射流噴嘴中心沒(méi)有葉輪，流動(dòng)阻力較小，在相同壓力下入口流量增大，此時(shí)前后噴口的流體流量均增大，導(dǎo)致直射流噴嘴的推進(jìn)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(duì)流體的阻礙作用放大，使更多的流體從后噴口噴射，導(dǎo)致直旋混合射流噴嘴的推進(jìn)力增幅大于直射流噴嘴。當(dāng)壓差超過(guò)40MPa后，直旋混合射流噴嘴的推進(jìn)力超過(guò)了直射流噴嘴。

圖9是破巖力隨進(jìn)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(jìn)力呈現(xiàn)相反的變化規(guī)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(zhuǎn)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(duì)中心直射流的卷吸作用增強(qiáng)，引起軸向射流速度降幅增大，導(dǎo)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(chǎng)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(qiáng)、在井底中心區(qū)域射流速度大，沖擊破巖效果較好。旋轉(zhuǎn)射流噴嘴因射流高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生較強(qiáng)的卷吸效應(yīng)，射流擴(kuò)散性好，但能量耗散快，導(dǎo)致在井底射流速度小，射流對(duì)井底的沖擊破巖效果差，但是旋轉(zhuǎn)射流對(duì)巖石的剪切破壞效果好。同時(shí)還可以看出，旋轉(zhuǎn)射流在近井底截面存在明顯的中心低速區(qū)，這是造成井底中心存在凸臺(tái)的主要原因。與旋轉(zhuǎn)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(duì)井底的沖擊破巖效果好，并且中心低速區(qū)基本消失，可以有效解決旋轉(zhuǎn)射流帶來(lái)的中心凸臺(tái)問(wèn)題，更有利于噴嘴向前推進(jìn)。同時(shí)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(guò)對(duì)比數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，井底漫流區(qū)的速度分布規(guī)律與鉆孔結(jié)構(gòu)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(qū)域的射流速度明顯較大。旋轉(zhuǎn)射流噴嘴因射流擴(kuò)散性好，能量耗散快，中心區(qū)域速度相對(duì)較小，并且存在一個(gè)明顯的中心低速區(qū)，導(dǎo)致井底留下一個(gè)明顯的臺(tái)階，同時(shí)射流中心周圍出現(xiàn)兩個(gè)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(zhuǎn)射流噴嘴相比，中心低速區(qū)明顯減小，可有效解決中心凸臺(tái)問(wèn)題。直旋混合射流中心處還存在一個(gè)相對(duì)較小的低速區(qū)，這是因?yàn)橹行目讖捷^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(zhuǎn)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?yàn)榱黧w在葉輪的導(dǎo)流作用下，形成高速的旋轉(zhuǎn)射流，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)射流噴嘴產(chǎn)生較大的旋流，此時(shí)對(duì)應(yīng)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(jīng)過(guò)中心孔在射流中心區(qū)域產(chǎn)生高速直射流，外圍流體經(jīng)葉輪導(dǎo)流也形成了高速旋轉(zhuǎn)射流。此時(shí)，直旋混合射流噴嘴的外圍旋流能量低于旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)射流噴嘴。但是直旋混合射流噴嘴對(duì)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(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1/15～1/8倍，抗拉強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的1/80～1/16倍，所以直旋混合射流對(duì)巖石的剪切破壞效果，有利于提高水力徑向鉆井作業(yè)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(zhuǎn)射流噴嘴。因?yàn)橹毙旌仙淞鲊娮斓男髟陔x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(kuò)散性小于旋轉(zhuǎn)射流噴嘴，導(dǎo)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(qū)產(chǎn)生的最大徑向速度為42m/s，而旋轉(zhuǎn)射流噴嘴最大徑向速度為35m/s。因此，直旋混合射流對(duì)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(yè)效率。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)比直射流噴嘴、旋轉(zhuǎn)射流噴嘴和直旋混合射流噴嘴的流場(chǎng)特征和鉆進(jìn)性能發(fā)現(xiàn)：

(1)直旋混合射流噴嘴的射流核心長(zhǎng)度是旋轉(zhuǎn)射流噴嘴的1.18倍，可消除旋轉(zhuǎn)射流的中心低速區(qū)，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(jìn)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(jìn)力增幅大于直射流噴嘴，但是破巖力增幅減小。存在一個(gè)較優(yōu)的作業(yè)壓力，可使直旋混合射流噴嘴具有最佳的鉆進(jìn)性能。

(3)在井底漫流層，直旋混合射流噴嘴的高速區(qū)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(qū)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(jìn)性能較好，比較適用于高壓水力徑向鉆井作業(yè)。