楚恒智 郭勇 張楠 劉斌 任銘 郝晨 畢文欣

(1.新疆油田公司工程技術研究院 2.中國石油集團工程技術研究院有限公司)

0 引 言

當液體局部靜壓小于飽和蒸氣壓時，部分液體氣化形成空化氣泡，這一現(xiàn)象稱為空化[1]。空化氣泡潰滅時會產生高溫高壓、微射流和壓力波等效應，在材料表面形成空蝕作用，最終導致材料的損傷和破壞[2-4]?？栈瘡V泛存在于流體機械中，是一種需要避免的有害現(xiàn)象。另一方面，如果控制得當，空泡潰滅的強大能量也能為人所用?？栈淞魇且环N利用空化效應增強射流沖蝕能力的技術，在石油鉆井[5-10]、材料表面處理[11]等領域得到了廣泛的應用。

空化射流開展的研究主要集中在可視化試驗和沖蝕試驗兩方面。G.L.CHAHINE等[11]首次利用高速攝影技術拍攝到射流空泡云，發(fā)現(xiàn)了空泡云周期性產生和脫落的現(xiàn)象。隨后的研究證明，空泡云的動態(tài)變化受噴嘴結構和水力參數(shù)影響，空泡云脫落頻率與泵壓成反比[12-14]。M.M.WRIGHT等[15]試驗研究了不同雷諾數(shù)下空泡云的運移距離、運移速度、脫落頻率和面積變化規(guī)律?？栈淞鳑_蝕試驗側重于分析不同水力參數(shù)(泵壓、圍壓、噴距、空化數(shù)、環(huán)境溫度、噴嘴結構等)和噴嘴結構下射流的空化沖蝕能力[16-17]。E.HUTLI等[18]證明了沖蝕靶件表面環(huán)形沖蝕坑與空泡潰滅位置之間的對應關系。LI.D等[19-20]研究了噴嘴內表面粗糙度、噴嘴接頭尺寸和斯特勞哈爾數(shù)對空化射流沖蝕能力的影響。PENG K.W.等[21]分析了空化射流在高圍壓條件下的空化和沖蝕性能。

隨著石油鉆井深度的不斷增加，鉆遇巖石強度不斷增大。前人的研究證明，空化射流破巖能力與空化強度成正比，提高鉆頭在井底所產生射流的空化強度，可增強射流沖蝕破巖能力以及水力輔助破巖效果。增大噴嘴上游壓力(提高泵壓)是增加空化強度最為簡單直接的方法。但在深井條件下，泵壓大部分用于補償沿程水力壓耗，進一步提高泵壓十分困難，而井下增壓工具又存在可靠性問題。根據(jù)異質化成核理論[22]，在液體中加入微顆粒有助于降低空化初生臨界負壓，從而有利于產生空化氣泡[23]。H.B.MARSCHALL等[24]在純水中加入直徑小于76 μm的微顆粒，成功將空化初生所需的臨界負壓降低為原來的。同時，超聲空化沖蝕試驗已經證明[25-26]，加入顆?？梢源蠓黾訉Π屑目瘴g作用。然而，目前關于微顆粒強化射流空化和破巖能力的研究較少。為此，筆者提出采用在空化射流中添加微顆粒的方法降低空化初生難度、提供額外的空化核，基于高速攝影、水聽器和沖蝕破巖試驗3種手段，研究在空化射流中加入石英砂微顆粒后射流的空化強度和破巖能力變化。研究結果可為提高深部地層難鉆射流輔助破巖效率提供參考。

1 試驗

1.1 試驗設備

試驗設備如圖1所示，高壓柱塞泵用于提供噴嘴上游壓力，壓力表測量柱塞泵出口壓力，渦輪流量計測量射流流量。微顆粒和純水、瓜膠以一定比例配置成懸浮液放置在塑料桶中，并用攪拌機不斷攪拌防止沉淀，通過蠕動泵輸送到射流中。試驗采用的圓柱形空化噴嘴下游開有加砂口，如圖2所示，蠕動泵將微顆粒懸浮液輸送到加砂口中，射流的卷吸效應使懸浮液和空化射流混合，完成后混加砂。在懸浮液顆粒濃度一定的情況下，通過調整蠕動泵的排量，就可以精確控制射流中的微顆粒含量。透明有機玻璃桶提供空化射流所需淹沒環(huán)境，高速攝像機用于拍攝空化射流中的空泡云，大功率鹵素燈放置在攝像機對面用以提供光源。由于光線無法穿透由大量空化氣泡組成的空泡云，在高速攝影圖片中深色的部分對應著空泡云的范圍。同時，采用水聽器測量射流空化噪聲。

圖1 空化射流可視化及沖蝕試驗裝置示意圖

圖2 圓柱形空化噴嘴結構剖面圖

1.2 試驗步驟與參數(shù)

試驗在淹沒狀態(tài)下進行，具體試驗步驟為：①連接好試驗裝置，在3 MPa低壓條件下進行試運行，并完成高速攝影、水聽器等數(shù)據(jù)采集裝置調試；②逐漸將噴嘴上游壓力提高至50 MPa，并檢查整個試驗裝置運行的穩(wěn)定性；③監(jiān)測記錄未添加微顆粒條件下，空泡云形態(tài)及空化噪聲；④啟動蠕動泵添加不同粒徑微顆粒，監(jiān)測記錄不同粒徑、不同質量分數(shù)條件下，微顆粒對射流空化的強化作用；⑤固定砂巖靶件，調整噴距，測試不同噴距、不同微顆粒粒徑、不同質量分數(shù)條件下，空化射流的破巖能力；⑥整理記錄數(shù)據(jù)，完成試驗測量。

試驗參數(shù)設置如下：噴嘴上游壓力為50 MPa，射流圍壓為大氣壓。射流流量固定為0.96 L/min，所采用噴嘴喉道直徑為0.3 mm，噴嘴流量系數(shù)為0.71。由下式可得射流空化數(shù)為0.038：

(1)

式中：σ為空化數(shù)，無量綱；pw為淹沒射流所處圍壓，Pa；pb為水在常溫條件下的飽和蒸氣壓，Pa；ρ為水的密度，kg/m3；vh為射流在噴嘴吼道處的速度，m/s。

為試驗不同噴距、沖蝕時間下射流對靶件的沖蝕效果，噴距設置為5～50 mm，沖蝕時間設置為120～960 s。同時，為研究微顆粒大小、微顆粒對空化作用強度的影響，優(yōu)選了4種微顆粒直徑及5種質量分數(shù)。

1.3 試驗材料

選擇石英砂顆粒作為微顆粒材料：4種顆粒尺寸40目(0.425 mm)、80目(0.180 mm)、120目(0.125 mm)和200目(0.075 mm)；5種顆粒質量分數(shù)0.56%、1.12%、1.53%、2.25%和3.05%。從圖3可見，石英砂顆粒為空間多面體，棱角銳利且表面粗糙。一方面，表面粗糙的微顆粒比表面光滑的顆粒更有利于誘導產生空化[24-25]；另一方面，顆粒銳利的棱角提高了微顆粒的沖擊和磨蝕能力。

圖3 石英砂顆粒微觀形態(tài)

選用砂巖作為靶件，巖樣取自四川盆地，其礦物組成為石英51.2%、鉀長石29.6%、黏土礦物17.2%及鈉長石2%。經測定，巖石密度為2 240 kg/m3，彈性模量為9.8 GPa，屈服強度為110.7 MPa，泊松比為0.24。巖樣被加工為直徑25 mm、高50 mm的標準巖心，巖心端面經過打磨，初始表面粗糙度在5 μm以下，制備好的砂巖巖心如圖4所示。在破巖試驗中使用一臺精度為0.1 mg的分析天平測量砂巖質量損失，在射流可視化試驗中，夾持器上放置一直徑為100 mm的不銹鋼圓盤，用以調整噴距。

圖4 砂巖靶件

試驗所用介質為自來水，試驗前將自來水在供水箱中靜置24 h，以穩(wěn)定水中氣體含量，試驗過程中水溫保持在20～23 ℃。

2 試驗結果及分析

2.1 加入微顆粒后空泡云變化

圖5對比了添加微顆粒前后空化射流空泡云的變化特征。圖5a為沒有添加微顆粒，在噴距為30 mm情況下，射流空泡云的周期性變化規(guī)律。由圖5可見，在0～0.9 ms間，空泡云經歷了一個從初生到潰滅的完整周期。新空泡云在 0 時刻產生，同時上一周期空泡云已經完全潰滅。新空泡云向射流下游移動，同時不斷發(fā)展擴大，在 0.4 ms 左右到達靶件表面。此后，圍壓使空化氣泡潰滅，空泡云面積不斷縮小，潰滅階段從 0.5 ms 持續(xù)到 1.15 ms?？张菰圃?1 ms 左右發(fā)生了脫落。圖5a中箭頭A指出了空泡云的“回流效應”，即噴嘴出口附近的空泡云不斷縮小最后脫落的過程。方框 B 中的凸起體現(xiàn)了剪切層中的擬序結構。此外，空泡云在不同周期內面積會有少許波動，這是由空化成核及湍流的隨機性造成的。在加入微顆粒后(見圖5b)，在圖5b中，噴距為30 mm，微顆粒直徑為40目，質量分數(shù)為3.05%，在與圖5a相同時間內(0～0.9 ms)空泡云的周期性消失，空泡云面積變化未呈現(xiàn)明顯的周期性特征。雖然空泡云的面積有小幅變化，但其一直存在，無法觀察到空泡云初生或脫落等現(xiàn)象?？张菰浦芷谛韵У脑蚴怯捎谖㈩w粒降低了空化初生的難度。當水高速流過噴嘴時，根據(jù)伯努利原理，噴嘴喉道處的靜壓力迅速降低，水中的溶解氣和微小雜質充當了空化核，產生了空化氣泡?？栈瘹馀蓦S著射流噴嘴噴出進入下游流場，射流剪切層的湍流低壓為空化氣泡進一步發(fā)展提供了條件，大量的空化氣泡最終形成了肉眼可見的空泡云。在空化射流中，射流剪切層內的復雜壓力場是空泡云產生周期性動態(tài)變化的根本原因。當射流流場中存在微顆粒時，它們廣泛地分布在整個流場中，顯著降低了空化初生臨界負壓，誘導產生了更多的空化氣泡。在這種情況下，原來空化射流中存在的較小湍流壓力在加入微顆粒后也能產生空化現(xiàn)象，因此射流剪切層湍流壓力不再是決定空泡云變化的關鍵因素。根據(jù)不同微顆粒質量分數(shù)下的高速攝影結果，當采用40目石英砂，其質量分數(shù)≥1.53%時，空泡云周期性就會完全消失。另一方面，從圖5b還可以看出，空泡云的面積大大增加，其徑向分布范圍達到了20 mm，這直接證明了微顆粒強化了射流的空化效應。

圖5 添加微顆粒前后的空化射流空泡云灰度圖

微顆粒對空泡云面積的影響規(guī)律如圖6所示。在圖6a中，微顆粒的質量分數(shù)為2.25%；圖6b中，微顆粒直徑40目，噴距均為40 mm。從圖6a可以看出，在微顆粒質量分數(shù)一定時，空泡云面積隨顆粒直徑的減小而增大。這是因為當加入顆粒的質量不變時，顆粒數(shù)目隨顆粒直徑的減小而增加，即流場中的空化核數(shù)目增加，產生了更多的空化氣泡。由圖6b可見，在顆粒直徑不變時，新增空化核數(shù)目與顆粒質量分數(shù)成正比，因而空泡云面積隨顆粒質量分數(shù)增加而線性增加。同未添加微顆粒時相比，加入質量分數(shù)為3.05%的40目石英砂顆粒使空泡云面積增加了435.15%。

圖6 加入微顆粒對空化射流空泡云面積的影響

2.2 微顆粒對空化噪聲的影響

空化氣泡潰滅會產生空化噪聲，可以利用空化噪聲的大小來評價空化現(xiàn)象的強弱。微顆粒對空化噪聲的影響如圖7所示。在圖7a中，微顆粒直徑為40目，質量分數(shù)為30%。其中無因次噴距為噴距與噴嘴直徑的比值，噴嘴直徑為0.3 mm。在圖7b中，噴距為50 mm，質量分數(shù)為1.53%。在圖7c中，微顆粒直徑為40目，噴距為40 mm。從圖7a可以看出，加入微顆粒大幅提高了射流在各個噴距下的空化噪聲聲功率，聲功率增幅隨噴距增加先增大而后略有平緩，再次證明加入微顆粒有助于增強射流空化強度。噴距10 mm(無因次噴距33.3)時空化噪聲聲功率增加不顯著，在噴距達到30 mm(無因次噴距100)以后，空化噪聲的聲功率增幅均超過了100%。在兩種情況下噴距對空化噪聲聲功率的影響相似，空化噪聲隨噴距增加而增大，在噴距超過40 mm(無因次噴距133.3)后有飽和的趨勢。這是因為當噴距較小時，空化氣泡從噴嘴噴出后很快就到達了壁面附近，沒有足夠的時間發(fā)展長大，而空化氣泡的潰滅強度與其尺寸成正比，所以短噴距下的空化噪聲不大。隨著噴距增加，空化氣泡在流場中存在的時間更長，空泡潰滅時的尺寸和潰滅強度也隨之增加，空化噪聲顯著增大。當噴距超過40 mm(無因次噴距133.3)后，射流的影響減弱，流場中的部分空泡提前潰滅，空化噪聲增幅減小。由圖7b和圖7c可見，顆粒直徑和顆粒質量分數(shù)對空化噪聲的影響與其對空泡云面積的影響類似，隨著顆粒直徑減小，顆粒和空化核的數(shù)量增加，空化噪聲增大；隨磨料質量分數(shù)增加，空化噪聲聲功率線性增大。需要指出的是，空化噪聲不能無限增大，當流場中的微顆粒達到飽和狀態(tài)時，空化噪聲就會達到最大值。

圖7 加入微顆粒對空化射流空化噪聲的影響

2.3 微顆粒對空化射流破巖能力的影響

不同噴距下砂巖靶件的質量損失如圖8a所示。圖8a中，沖蝕時間為480 s，質量分數(shù)為3.05%時，在添加40目微顆粒和未添加微顆粒2種情況下，隨著噴距增加，砂巖質量損失均先從第一峰值迅速減小，隨后上升至第二峰值，最后繼續(xù)降低。其質量損失隨著噴距的增加而出現(xiàn)雙峰值，這是空化射流與普通水射流的重要區(qū)別[12]。在最小噴距條件下，水射流衰減小、速度快、沖擊力大，造成了砂巖最大質量損失；在添加微顆粒后，顆粒的沖擊與磨蝕作用也促進了砂巖的破壞(類似于磨料射流)。而質量損失第二峰值來源于空化空蝕作用。2.2節(jié)已經證明，射流的空化強度隨著噴距增大而增大，但當噴距過大時，大部分空化氣泡會在到達靶件前就發(fā)生潰滅。因此，砂巖質量損失第二峰值出現(xiàn)在一個適中的噴距下，該噴距下空泡潰滅強度(隨噴距增加而增大)和到達靶件表面的空泡數(shù)目(隨噴距增加而減小)達到了較好的平衡。另一方面，加入微顆粒顯著增加了砂巖的質量損失，最小增幅為43.94%，最大增幅超過了70%。由圖7a和圖8a還可以看出，當噴距不小于30 mm時，添加微顆粒引起的砂巖質量損失增加幅度要遠小于空化噪聲聲功率的增加幅度。這是因為試驗中測得的空化噪聲是射流在全流場中的空化噪聲，反映了射流整體的空化強度，而砂巖空蝕質量損失只與砂巖靶件表面附近的局部空化強度有關。沖蝕時間對砂巖質量損失的影響如圖8b所示。由圖8b可知，噴距為30 mm，質量分數(shù)為3.05%，沖蝕時間為120～960 s時，加入微顆粒使砂巖質量損失增加了24.74%～86.96%，隨沖蝕時間的增加其質量損失的增幅放緩。微顆粒質量分數(shù)對砂巖質量損失的影響如圖8c所示。由圖8c可知，噴距為30 mm，沖蝕時間為480 s時，砂巖質量損失隨微顆粒質量分數(shù)增加而增加，但增加幅度逐漸放緩。這是因為射流空化空蝕在砂巖表面的作用范圍是一個平面，即使流場中的微顆粒和空化氣泡數(shù)目隨顆粒質量分數(shù)線性增加，能夠到達砂巖靶件表面并形成沖蝕作用的微顆粒和空化氣泡數(shù)目也比較有限。

圖8 加入微顆粒后空化射流沖蝕砂巖質量損失

不同噴距下沖蝕后的砂巖靶件如圖9所示。由圖9可知，在微顆粒直徑為40目，質量分數(shù)為3.05%，沖蝕時間為480 s時，隨著噴距增加，砂巖的破壞特征發(fā)生變化。在10 mm噴距未添加微顆粒情況下，砂巖的質量損失主要來自于射流沖擊形成的中心坑，未見明顯的空化破壞痕跡；在添加微顆粒的情況下，微顆粒由水射流加速后高速沖擊砂巖，使中心坑的直徑和深度均顯著增加。由于環(huán)境流體的阻滯，射流的直接沖擊作用隨著噴距增加迅速衰減，在噴距為30 mm時，即使添加微顆粒也只能在砂巖表面形成一個很淺的中心坑。此噴距下的射流空化強度最大，在射流中心坑周圍可見大范圍分布的空蝕坑，空蝕坑大小各異，空化空蝕成為造成砂巖質量損失的主要原因。相較而言，加入微顆粒后的砂巖空蝕破壞范圍更廣、深度更大。微顆粒一方面促進了空泡產生，增強了空化強度，另一方面微顆粒的磨蝕作用也造成了額外的質量損失。當噴距增加到 50 mm時，射流沖擊能量急劇下降，中心坑已不可見。同時射流剪切層閉合，沖蝕作用范圍大大減小，能夠到達砂巖表面的空泡數(shù)目十分有限，空蝕減弱?？偟膩砜?，微顆粒的存在極大地提高了射流的沖蝕破巖能力。

圖9 不同噴距下微顆粒對砂巖靶件破壞特征的影響

圖10展示了不同噴距下砂巖靶件微觀表面形態(tài)(對應圖9中紅色方框區(qū)域)。圖10中，微顆粒直徑為40目，質量分數(shù)為3.05%，沖蝕時間為480 s。從圖10可以看出，在噴距為30 mm時，沖蝕后的砂巖表面存在較大的空蝕坑，空蝕坑形狀不規(guī)則、壁面粗糙。當噴距增加到50 mm后，射流剪切層閉合，空化氣泡有局部集中的趨勢，因此空蝕坑的面積有所增加。然而，由于大噴距下空化氣泡的潰滅強度降低，空蝕坑深度大大減小。在2種噴距條件下，添加微顆粒均增大了空蝕區(qū)域的表面粗糙度，即造成了更嚴重的空蝕。

不同沖蝕時間下微顆粒對砂巖靶件破壞特征的影響如圖 11所示。圖11中，微顆粒直徑為40目，質量分數(shù)為3.05%，噴距為30 mm。由圖11可知，沖蝕時間為240 s時，砂巖表面形成的中心坑較淺，中心坑附近的區(qū)域在空蝕作用下變得粗糙，微顆粒的影響不明顯?？瘴g坑隨著沖蝕時間增加不斷發(fā)展擴大，形成環(huán)繞中心坑的環(huán)狀空蝕區(qū)，同時中心坑的尺寸也略有增加，當沖蝕時間達到960 s時空蝕區(qū)域十分顯著。添加微顆粒后砂巖表面空蝕區(qū)域范圍更廣，空蝕坑的面積和深度都有所增加。此外，砂巖表面空蝕區(qū)域內空蝕坑的分布并不均勻，有些區(qū)域的空蝕破壞更為明顯，這是由巖石的非均質性和空化現(xiàn)象的隨機性造成的。

3 結 論

(1)空化射流空泡云具有周期性特征，1個周期內包括了空泡的初生-發(fā)展-脫落-潰滅4個階段。在添加微顆粒后，除了自由氣泡以外，微顆粒裂隙中的氣體也是空化核，對射流空化強度的提高起到了積極作用?？傮w而言，微顆粒降低了空化初生臨界負壓、增加了空化核數(shù)目，從而增強了射流的空化強度。

(2)隨著微顆粒質量分數(shù)的增加(0～3.05%)，射流空泡云周期性逐漸消失。與未添加微顆粒時相比，加入質量分數(shù)為3.05%的40目石英砂顆粒后，空泡云面積增加了435.15%，相同質量分數(shù)下微顆粒對空化的促進作用隨著粒徑(0.075～0.425 mm)增大而減小。

(3)無因次噴距為33.3～166.7時，加入微顆粒后射流空化噪聲聲功率增幅為33.85%～113.24%。

(4)射流破巖能力隨微顆粒質量分數(shù)增加而增加，添加微顆粒使射流在砂巖表面形成的中心坑和空蝕坑增大。當噴距30 mm，質量分數(shù)3.05%，沖蝕時間在120～960 s時，添加微顆粒后砂巖靶件質量損失增加了24.74%～86.96%，損失量隨微顆粒質量分數(shù)的增加而增加，但增加幅度逐漸減小。

(5)噴距較小時射流形成的中心坑較為明顯，中心坑尺寸隨著噴距增加迅速減小?？栈茐淖饔脛t隨著噴距增大先增加后減小，射流空化效應在無因次噴距為100時最強，此時到達靶件表面的空泡數(shù)目仍較充足、空泡潰滅強度大，空蝕坑最為顯著。因此，優(yōu)化設計鉆頭水眼出口到井底巖石的距離，是保障空化射流輔助破巖效果的關鍵所在。