一脈沖空化多孔噴嘴破巖效果試驗研究

馬東軍, 李根生, 金 磊, 黃中偉, 牛繼磊, 宋先知

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101; 2.中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249;3.中國石化石油工程技術(shù)研究院德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司,山東德州 253005)

一脈沖空化多孔噴嘴破巖效果試驗研究

馬東軍1, 李根生2, 金 磊3, 黃中偉2, 牛繼磊2, 宋先知2

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101; 2.中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249;3.中國石化石油工程技術(shù)研究院德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司,山東德州 253005)

射流噴嘴是徑向水平井技術(shù)中的關(guān)鍵部件,其破巖能力直接影響水平井眼的延伸能力和鉆進速度。在多孔噴嘴的基礎(chǔ)上,設(shè)計脈沖空化多孔噴嘴,分析其脈沖空化射流的調(diào)制機制,并通過試驗與多孔噴嘴的破巖效果進行對比。結(jié)果表明:脈沖空化多孔噴嘴破巖效果優(yōu)于多孔噴嘴,孔眼深度是多孔噴嘴的1.02～2.18倍,破巖體積是多孔噴嘴的1.23～2.35倍;為保證噴嘴破巖形成的最小孔眼直徑大于噴嘴外徑,試驗巖樣的噴嘴壓降不能小于30 MPa;射流噴嘴破巖存在最優(yōu)噴距,試驗條件下的最優(yōu)噴距為12 mm;利用脈沖空化多孔噴嘴可增加徑向井的水平延伸長度,提高鉆進速度。

脈沖; 空化; 多孔噴嘴; 孔眼直徑; 孔眼深度; 破巖體積

徑向水平井技術(shù)主要應(yīng)用于枯竭油藏、斷塊油藏、邊際油藏和稠油油藏[1-4],在應(yīng)用過程中存在鉆遇較硬地層時水平延伸長度較短、鉆速低、鉆井周期長等問題。徑向水平井技術(shù)不同于常規(guī)鉆井技術(shù),它僅采用水力能量在地層中鉆進[5-8],因此射流噴嘴的破巖能力是影響徑向井水平延伸長度和鉆進速度的關(guān)鍵。何育榮等[9]提出了旋轉(zhuǎn)射流噴嘴,并通過試驗測得旋轉(zhuǎn)射流中心軸存在一個低壓區(qū),射流最高壓力存在于中心低壓區(qū)與射流邊界之間。王瑞和等[10]研究了旋轉(zhuǎn)射流的破巖機理,主要有剪切破碎、沖蝕破碎、拉伸破碎和旋流磨削。旋轉(zhuǎn)射流的優(yōu)點是鉆孔直徑比較大,缺點是在孔底會形成內(nèi)凸錐柱。William等[11]提出了雙射流噴嘴,雙射流是由旋轉(zhuǎn)射流和中心直射流形成的。李根生和宋劍等[12-14]對雙射流的流場特性、破巖規(guī)律等進行了較為系統(tǒng)的研究。雙射流的優(yōu)點是可以同時獲得較大的孔徑和孔深而不會形成內(nèi)凸錐柱;缺點是有效靶距小于直射流,并且能量損失嚴(yán)重。Carl[15-17]和Buset等[18]提出徑向鉆井系統(tǒng)中應(yīng)用多孔噴嘴在地層中進行鉆進。這種噴嘴通過多股射流組合破巖鉆孔,射流能量分布具有局部集中和總體疊加包絡(luò)的特點。多孔噴嘴的優(yōu)點是有效靶距長,鉆孔直徑和孔深較大,能量損失小于旋轉(zhuǎn)射流噴嘴和雙射流噴嘴;缺點是直射流的破巖效率不如新型射流。目前亟需提高射流噴嘴的破巖能力,設(shè)計出新型高效破巖噴嘴。筆者以多孔噴嘴為基礎(chǔ),設(shè)計脈沖空化多孔噴嘴,通過其內(nèi)部特殊元件調(diào)制出多股脈沖空化射流,進而提高噴嘴的破巖效率;通過破巖試驗的方法,對比新型噴嘴和多孔噴嘴的破巖效果。目標(biāo)是研制出一種可以應(yīng)用于徑向水平井技術(shù)中的高效破巖噴嘴,進而增加其水平延伸長度和提高鉆進速度。

1 脈沖空化多孔噴嘴結(jié)構(gòu)與原理

圖1 噴嘴本體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic drawing of pulsed cavitating multi-hole nozzle

脈沖空化多孔噴嘴主要由噴嘴本體、葉輪和葉輪軸等組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,實物照片如圖2所示。噴嘴本體左側(cè)為母接頭,用于連接管線。噴嘴本體內(nèi)部從左至右依次安裝葉輪軸和葉輪。噴嘴本體右側(cè)端面布置多個孔眼,為噴嘴的流體出口。

圖2 脈沖空化多孔噴嘴實物圖Fig.2 Pictures of pulsed cavitating multi-hole nozzle

脈沖射流以不連續(xù)能量的方式作用于巖石,不易產(chǎn)生水墊效應(yīng)。同時,脈沖射流能夠在能級相同的情況下增大射流的瞬時沖擊力,可以提高射流的破巖和清巖效果。空化射流是利用水射流流束內(nèi)空泡破裂所產(chǎn)生的強大沖擊力以增強射流沖蝕能力的方式對巖石進行破碎。空泡破碎產(chǎn)生的沖擊力一般為非空化射流沖擊壓力的8.6～124倍;空泡破裂時產(chǎn)生的能量高度集中,并局限在許多非常小的面積上,從而在巖石表面許多局部區(qū)域產(chǎn)生極高的沖擊壓力和應(yīng)力集中,使巖石表面迅速破壞,所以更容易破碎巖石[19]。由此可知，脈沖空化多孔噴嘴可以較大程度地提高多股射流的清巖破巖能力。

2 試驗裝置與方法

破巖試驗是確定射流噴嘴破巖能力較直接的方法。通過對比不同條件下射流破巖的孔眼直徑、深度和體積可以得到噴嘴破巖能力與射流參數(shù)的變化規(guī)律。脈沖空化多孔噴嘴破巖試驗的設(shè)計借鑒于常規(guī)噴嘴破巖試驗。

2.1 試驗裝置

噴嘴破巖試驗設(shè)備流程圖如圖3所示。高壓泵輸送出的流體經(jīng)過調(diào)壓閥時,一部分流回儲水池,另一部分流經(jīng)管線進入噴射裝置后由噴嘴射出,直接作用于巖樣。

圖3 破巖試驗設(shè)備流程圖Fig.3 Flow chart of rock breaking test

試驗所用設(shè)備的主要性能參數(shù)如下:

(1)高壓水泵。2臺，額定壓力為50 MPa,排量為63 L/min,電機功率為75 kW。

(2)噴射裝置。主要由管線接頭、壓力表、直管、噴嘴接頭和試驗架組成。直管放置于試驗架上部的圓環(huán)內(nèi),圓環(huán)后面布置壓緊螺栓,可用來固定和調(diào)節(jié)噴距。

之后的五月十五日[注]《欽定平定陜甘新疆回匪方略》卷107，同治四年六月壬寅條。、十七日至二十日，察哈爾蒙古兵跟隨棍噶扎勒參鎮(zhèn)壓起事者，至五月二十一日晚，蒙古兵與守城官兵從東南兩面夾擊起事者，使起事者全數(shù)擊退，“大獲全勝”，[注]《欽定平定陜甘新疆回匪方略》卷107，同治四年六月壬寅條。五月二十二日凌晨，塔爾巴哈臺城終獲解圍。察哈爾蒙古兵為解圍塔爾巴哈臺城起到了重作用。這將是守護塔爾巴哈臺城的轉(zhuǎn)折點。

(3)巖樣桶。內(nèi)部用于安裝試驗用巖樣,試驗時將其放置于噴嘴正下方的巖樣槽內(nèi),通過添加墊片使其固定。

(4)噴嘴。脈沖空化多孔噴嘴和多孔噴嘴(脈沖空化多孔噴嘴本體),射流入口壓力可達35 MPa。

(5)試驗巖樣。人造混凝土巖樣,單軸抗壓強度為50 MPa。

2.2 試驗方法

噴嘴破巖試驗采用固定時間定點沖擊破碎的方式,以孔眼直徑、深度和破巖體積評價破巖效果。試驗參數(shù)取值:噴距L為9、12、15、18、21 mm;噴嘴壓降p為25、30、35 MPa;噴嘴類型為脈沖空化多孔噴嘴和多孔噴嘴(脈沖空化多孔噴嘴本體)。噴射時間t為5 min,經(jīng)前期試驗驗證,當(dāng)噴射時間大于5 min時,破巖效果基本不再增加。

3 結(jié)果分析

選取孔眼直徑、深度和破巖體積3個評價指標(biāo)分析噴嘴壓降、噴嘴類型和噴距對破巖效果的影響。由于射流沖蝕孔眼并非規(guī)則圓形(圖4),選取最小孔眼直徑進行分析(在徑向水平井技術(shù)中,射流沖蝕孔眼的最小直徑?jīng)Q定了噴嘴能否進入孔眼并繼續(xù)向前鉆進)。

圖4 噴射試驗后巖樣Fig.4 Picture of rock samples after jetting

3.1 噴嘴壓降對破巖效果的影響

噴嘴壓降表征了射流總能量。隨著噴嘴壓降的升高,參與破巖的射流能量增大,射流的流速和水功率相對增加,對巖石的沖擊、剪切及拉伸作用加強,因此射流破巖能力相對增強。

圖5 最小孔眼直徑隨噴嘴壓降的變化Fig. 5 Effect of jet impact pressure on minimum hole diameter

如圖5～7所示,在試驗條件下,同一噴嘴在噴距相同時,最小孔眼直徑、孔眼深度和破巖體積隨著噴嘴壓降的增大而呈增大趨勢。這是因為噴嘴壓降增大,射流的能量隨之增大,作用在巖石上體現(xiàn)為破碎孔眼的最小直徑、孔眼深度和破巖體積都相應(yīng)的增大。由于本次試驗巖樣抗壓強度較大(50 MPa),如圖5所示,當(dāng)噴嘴壓降為25 MPa時形成的最小孔眼直徑均比較小,小于噴嘴直徑(18 mm),不滿足繼續(xù)向前鉆進的條件。當(dāng)噴嘴壓降大于30 MPa時,形成的最小孔眼直徑均大于噴嘴直徑,可以繼續(xù)向前鉆進，因此針對于試驗巖樣,設(shè)計噴嘴壓降建議不小于30 MPa。當(dāng)噴嘴壓降為25 MPa時,噴距為15 mm時,脈沖空化多孔噴嘴沖蝕最小孔眼直徑小于多孔噴嘴,這是由于當(dāng)噴嘴壓降較小且噴距較大時脈沖空化多孔噴嘴射流能力損失較快所致。

圖6 孔眼深度隨噴嘴壓降的變化Fig.6 Effect of jet impact pressure on hole depth

圖7 破巖體積隨噴嘴壓降的變化Fig.7 Effect of jet impact pressure on rock breaking volume

3.2 噴距對破巖效果的影響

噴距是影響射流破巖效果的一個重要因素,當(dāng)其他條件一定時,噴距的調(diào)整就成了有效利用射流能量的關(guān)鍵。如果沒有合適的噴距,即使噴嘴壓降超過了巖石的門限壓力,破巖效率也未必很高，因此有必要通過破巖試驗的方法確定噴嘴的最優(yōu)噴距。

圖8 孔眼深度隨噴距的變化Fig.8 Effect of standoff distance on hole depth

如圖8、9所示,在試驗條件下,噴距范圍為9～21 mm,同一噴嘴在噴嘴壓降相同時,孔眼深度和破碎體積隨噴距的增加呈先增大后減小的趨勢,在噴距為12 mm時達到最大值。這是因為噴距在9～12 mm時,射流還沒有充分發(fā)展,同時沖擊巖面后的回流較強,有阻礙后續(xù)流的趨勢,因此孔眼深度和破碎體積隨噴距增大而逐漸增大。當(dāng)噴距為12～21 mm時,射流能量隨噴距的增加而逐漸衰減,因此孔眼深度和破碎體積隨噴距增大而逐漸減小。以孔眼深度和破碎體積作為評價標(biāo)準(zhǔn),本試驗得到的最優(yōu)噴距為12 mm。

圖9 破巖體積隨噴距的變化Fig.9 Effect of standoff distance on rock breaking volume

3.3 脈沖空化多孔噴嘴與多孔噴嘴破巖效果對比

脈沖空化多孔噴嘴通過其內(nèi)部特殊元件可調(diào)制出多股脈沖空化射流。多孔噴嘴即為脈沖空化多孔噴嘴本體產(chǎn)生普通直射流。本文中運用破巖試驗方法對比這兩種射流噴嘴的破巖效果。

由圖8、9看出,在試驗條件下,當(dāng)噴嘴壓降和噴距相同時,脈沖空化多孔噴嘴沖蝕巖石產(chǎn)生的孔眼深度和破碎體積都大于多孔噴嘴。脈沖空化多孔噴嘴破巖的孔眼深度是普通多孔噴嘴的1.02～2.18倍;脈沖空化多孔噴嘴的破碎體積是多孔噴嘴的1.23～2.35倍。這是因為脈沖空化多孔噴嘴可調(diào)制出多股脈沖空化射流,而脈沖空化射流既有脈沖射流的特點又有空化射流的特點,其破巖效率要大于普通直射流，因此在噴嘴壓降和噴距相同的情況下,脈沖空化多孔噴嘴的破巖效果優(yōu)于多孔噴嘴。

4 結(jié) 論

(1)脈沖空化多孔噴嘴可調(diào)制出多股脈沖空化射流,脈沖空化多孔噴嘴破巖形成的孔眼深度是多孔噴嘴的1.02～2.18倍,破碎體積是多孔噴嘴的1.23～2.35倍,脈沖空化多孔噴嘴具有較高的破巖效率。

(2)隨著噴嘴壓降的增大,最小孔眼直徑、孔眼深度和破巖體積均呈增大趨勢。針對試驗巖樣,若保證噴嘴破巖形成的最小孔眼直徑大于噴嘴外徑,噴嘴壓降不能小于30 MPa。

(3)噴嘴壓降固定時,隨著噴距的增加,同一種噴嘴破巖孔眼深度和破碎體積隨噴距的增加先增大后減小。試驗條件下的最優(yōu)噴距為12 mm。

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(編輯 劉為清)

Experimental study of rock breaking efficiency by pulsed cavitating multi-hole nozzle

MA Dongjun1, LI Gensheng2,JIN Lei3, HUANG Zhongwei2, NIU Jilei2, SONG Xianzhi2

(1.ResearchInstituteofPetroleumEngineering,SINOPEC,Beijing100101,China;2.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;3.ShelfoilPetroleumEquipment&ServicesCompanyLimited,ResearchInstituteofPetroleumEngineering,SINOPEC,Dezhou253005,China)

Jet nozzle is a key device in radial horizontal well drilling technique, of which the rock breaking ability directly affects the extension of horizontal holes and drilling rate. On the basis of the multi-hole nozzle, a pulsed cavitating multi-hole nozzle was designed, and its modulation mechanism of pulsed cavitating jet was analyzed. Also, the rock breaking test was carried out to compare with the rock breaking result of pulsed cavitating multi-hole nozzle. The results indicate that the rock breaking result of pulsed cavitating multi-hole nozzle is better than that of multi-hole nozzle. The hole depth from pulsed cavitating multi-hole nozzle is 1.02-2.18 times than that from multi-hole nozzle. The rock breaking volume from pulsed cavitating multi-hole nozzle is 1.23-2.35 times than that from multi-hole nozzle. To guarantee the minimum hole diameter is bigger than nozzle diameter, jet impact pressure should not be lower than 30 MPa in the experiment. There is an optimal standoff distance in the bock breaking, which is 12 mm under the current testing conditions. The results suggest that using pulsed cavitating multi-hole nozzle can increase the extension of horizontal holes and improve drilling rate in radial drilling technique.

pulse; cavitating; multi-hole nozzle; hole diameter; hole depth; rock breaking volume

2014-03-01

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2010CB226700);國家科技重大專項(2011ZX05009-005)

馬東軍(1985-),男,高級工程師,博士,研究方向為油氣井流體力學(xué)與井下工具。E-mail:251872726@qq.com。

1673-5005(2015)01-0083-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.01.012

TP 69

A

馬東軍,李根生,金磊,等.脈沖空化多孔噴嘴破巖效果試驗研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015,39(1):83-87.

MA Dongjun, LI Gensheng, JIN Lei, et al. Experimental study of rock breaking efficiency by pulsed cavitating multi-hole nozzle[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2015,39(1):83-87.