超臨界CO2直旋混合射流破巖特性的實驗研究*

田守嶒，張啟龍，李根生，賀振國，劉 晗，劉欣然

(1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 100083;2.中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300425)

超臨界CO2直旋混合射流破巖特性的實驗研究*

田守嶒1，張啟龍2，李根生1，賀振國1，劉 晗1，劉欣然1

(1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 100083;2.中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300425)

超臨界二氧化碳(CO2)射流破巖既能降低巖石門限壓力又能有效保護儲層，直旋混合射流兼具直射流和旋轉(zhuǎn)射流特點可提高破巖效率，基于此提出了超臨界CO2直旋混合射流的破巖方法。為了揭示超臨界CO2直旋混合射流破巖特性，設(shè)計加工出葉輪式直旋混合射流噴嘴，通過巖石定點沖擊破碎實驗對比了該射流與常規(guī)水射流的破巖效果，并研究了葉輪長度、葉輪中心孔直徑、混合腔長度、噴射距離、射流壓力等重要參數(shù)對超臨界CO2直旋混合射流破巖效果的影響。結(jié)果表明：相同實驗條件下，該射流方法的平均破巖能力比常規(guī)水射流提高了42.9%；超臨界CO2直旋混合射流破巖易出現(xiàn)較大體積巖屑崩落現(xiàn)象；隨著葉輪長度、混合腔長度、噴射距離的增大破巖效果均先增強后減弱，實驗條件下上述參數(shù)存在最優(yōu)范圍值；葉輪中心孔直徑的增大會導致巖石破碎孔深度增加、直徑減??；隨著射流壓力的升高，超臨界CO2直旋混合射流破巖效果有著較為明顯的提升。研究結(jié)果可為超臨界CO2直旋混合射流破巖方法的進一步研究提供實驗依據(jù)。

爆炸力學；破巖實驗；直旋混合射流；沖擊射流；超臨界二氧化碳

我國的煤層氣、頁巖氣、低滲透油氣等非常規(guī)油氣資源具有巨大的開采潛力[1]，但由于儲層滲透率較低，單井產(chǎn)能較小，采用常規(guī)鉆采方法難以取得經(jīng)濟效益[2]。高壓水射流沖擊破巖輔助鉆井與壓裂技術(shù)是提高鉆速與儲層產(chǎn)能的有效途徑，但水射流較高的破巖比能和門限壓力以及水基流體對儲層的傷害制約著該技術(shù)在煤層氣等非常規(guī)油氣藏上的使用前景[3-9]。目前，有2種解決上述問題的思路與方法：(1)改變流體介質(zhì)，利用破巖門限壓力較低且對儲層無傷害的流體進行噴射作業(yè)[10]；(2)改變鉆頭或壓裂工具上噴嘴的結(jié)構(gòu)，通過改變井下流體對巖石的應(yīng)力場來提高射流的破巖效率[11]。

近年，國內(nèi)外學者提出了超臨界CO2作為鉆井與壓裂流體提高射流破巖能力的方法，并通過理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)實驗等手段開展了探索研究。研究表明超臨界CO2流體的密度接近于液體，但具有接近于氣體的低黏度和高擴散系數(shù)，利用其作為鉆井液或壓裂液能夠有效保護儲層，降低破巖的門限壓力，提高射流的破巖能力[12-14]。部分學者也提出可采用改變射流結(jié)構(gòu)形成直旋混合射流的方法提高射流破巖能力。直旋混合射流是指軸向直射流和徑向旋轉(zhuǎn)射流在混合段混合而形成的高效混合射流，相關(guān)學者以水為流體介質(zhì)研究了直旋混合射流的破巖規(guī)律與流場特性。結(jié)果表明該射流結(jié)合直射流與旋轉(zhuǎn)射流的特點，通過空蝕、直射流沖擊、剪切破壞以及壓力波動等破壞方式對巖石進行沖濁破碎，能夠在巖石上鉆出較大直徑和深度的孔眼，提高射流的破巖效率[15-18]?；谏鲜?種思路，提出超臨界CO2直旋混合射流破巖的方法，期望其能在超臨界CO2鉆井和壓裂作業(yè)中發(fā)揮各自在高效破巖、儲層保護等方面的獨特優(yōu)勢。

本文中針對葉輪長度、葉輪中心孔直徑、混合腔長度、噴射距離、噴射壓力等5個重要參數(shù)對破巖效果的影響，開展了超臨界CO2直旋混合射流破巖特性的室內(nèi)實驗，研究了實驗條件下各參數(shù)的最優(yōu)范圍，為進一步研究超臨界CO2直旋混合射流破巖方法提供實驗依據(jù)。

1 實驗裝置和實驗方法

1.1 實驗裝置

利用超臨界CO2噴射破巖實驗系統(tǒng)完成相關(guān)實驗，如圖1所示，該實驗裝置根據(jù)相似原理進行設(shè)計，其可通過調(diào)節(jié)射流壓力、射流溫度、圍壓、噴距等參數(shù)模擬實際井下情況，具備了較高的模擬精度。

圖1 超臨界CO2噴射破巖實驗系統(tǒng)Fig.1 Rock erosion experiment system of supercritical carbon dioxide jet

實驗所用設(shè)備主要性能參數(shù)如下：

(1)泵：高壓泵的最大工作壓力為100 MPa，最大排量為30 L/min，使用當量直徑為1 mm的噴嘴，射流最高入口壓力可達60 MPa。

(2)井筒模擬裝置：圍壓筒內(nèi)徑150 mm，通過巖石夾持器對巖石進行固定。通過調(diào)節(jié)節(jié)流安全閥的開度調(diào)節(jié)井筒圍壓，范圍為5～30 MPa；通過熱循環(huán)系統(tǒng)改變井筒溫度，范圍為30～90 ℃；通過調(diào)節(jié)噴嘴螺栓調(diào)節(jié)噴距，范圍為0～15 mm。

(3)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)：包括制冷機和水浴加熱設(shè)備，可通過控制柜進行調(diào)節(jié)，調(diào)控范圍分別為0～7 ℃和30～90 ℃。

(4)CO2流體：本實驗所使用的CO2為工業(yè)用瓶裝液態(tài)CO2，其純度大于99%，符合實驗要求，為保證CO2流體能夠自動流入實驗系統(tǒng)中，通過加熱圈對氣瓶進行加熱處理。

(5)人造巖心：分2組進行制作，將石英砂與水泥按照一定比例混合澆注后經(jīng)過21 d風干作用而制成，制成的巖心尺寸均為直徑100 mm、高度160 mm，2組巖心的平均單軸抗壓強度約為47和44 MPa。

(6)噴嘴：根據(jù)實驗要求，設(shè)計并加工不同尺寸的直旋混合射流噴嘴，如圖2～3所示，該噴嘴主要由噴嘴本體和直旋葉輪組成，其中噴嘴本體包含混合腔、收斂腔、擴散腔等結(jié)構(gòu)，實驗時將直旋葉輪放入噴嘴本體后用螺栓固定。具體尺寸為：擴散角α=60°,葉輪槽面積S=6 mm2,葉輪槽出口角γ=60°,噴嘴直徑d=1 mm,葉輪長度L2=3～7 mm；葉輪中心孔直徑d1=0～2 mm；混合腔長度L1=3～6 mm。

圖2 直旋混合噴嘴結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the combined swirling and round jet nozzle

圖3 直旋混合噴嘴實體圖Fig.3 Stereogram of the combined swirling and round jet nozzles

1.2 實驗方法

本實驗采用控制變量的實驗方法研究了不同噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)和部分射流參數(shù)對破巖效果的影響規(guī)律，以破碎孔深度δ和破碎孔孔徑D來評價破巖效果。

實驗步驟為：打開CO2氣瓶閥與制冷循環(huán)裝置，使液態(tài)CO2儲罐壓力與溫度降到CO2飽和線以下，將CO2以液體狀態(tài)儲存于CO2儲罐中，打開加熱循環(huán)系統(tǒng)使圍壓破巖系統(tǒng)的溫度達到預(yù)設(shè)值；柱塞泵將液態(tài)CO2抽至溫度大于31.1 ℃，壓力大于7.38 MPa的緩沖罐內(nèi)，將液態(tài)CO2變?yōu)槌R界狀態(tài)；調(diào)節(jié)柱塞泵頻率和節(jié)流閥的開度對射流壓力與圍壓進行整，調(diào)至預(yù)設(shè)值后將噴嘴切換至噴射出口，即對巖石進行定點破碎，此時要求圍壓大于7.38 MPa以保證整個噴射過程CO2保持超臨界狀態(tài)；到達預(yù)設(shè)噴射時間后，圍壓筒中的部分CO2經(jīng)過除砂器進入CO2儲罐中循環(huán)使用，剩余CO2通過圍壓筒泄壓閥泄掉，取出巖心測量孔深與孔徑，實驗結(jié)束，相同參數(shù)實驗重復(fù)多次進行，取其平均值。實驗分5組進行，每組實驗將待測參數(shù)選為自變量，其余參數(shù)保持不變，具體實驗方案可見表1，其中H為噴射距離，p為射流壓力。除5個待測參數(shù)外的其他參數(shù)在各組實驗中都選為定值，破巖時間Δt=3 min，射流和模擬井筒溫度T=60 ℃，圍壓pw=8 MPa。

表1 實驗方案Table 1 Experimental scheme

2 實驗結(jié)果分析

2.1 超臨界CO2直旋混合射流與水射流破巖效果對比

圖4 3種射流方案破巖效果對比 Fig.4 Comparison of rock-erosion between three jet schemes

高壓水射流是目前常用的射流輔助破巖方法之一，為了驗證超臨界CO2直旋混合射流的破巖效果，進行超臨界CO2直旋混合射流與2種水射流(直射流和直旋混合水射流)破巖效果的對比實驗。實驗條件為：噴射壓力為25～35 MPa，圍壓為8 MPa，射孔直徑均為1 mm，噴射距離為4 mm，噴射時間為3 min。實驗結(jié)果如圖4所示。在射流壓力為25 MPa時，3種射流的破巖體積都較小，當射流壓力大于30 MPa時，超臨界CO2直旋混合射流的射流效果明顯大于另外2種水射流，其主要原因在于：與水相比，超臨界CO2的黏度較低，擴散系數(shù)較大，更容易向巖石中存在的微裂紋擴散，擴大了射流的作用范圍從而提高了破巖效率。綜合不同射流條件下的破巖體積，超臨界CO2直旋混合射流的平均破巖能力比常規(guī)直射水射流的提高了42.9%，比直旋混合水射流提高了25.3%。可見，超臨界CO2直旋混合射流在破巖效率方面具有獨特優(yōu)勢。

2.2 超臨界CO2直旋混合射流破巖基本特征

為了探究超臨界CO2直旋混合射流的破巖特性，在相同噴射壓力、噴射距離、噴嘴當量直徑等條件下(噴射壓力為35 MPa，圍壓為8 MPa，噴嘴直徑為1 mm)，通過鉆孔實驗對比了相同當量直徑的超臨界CO2旋轉(zhuǎn)射流，超臨界CO2直旋混合射流、超臨界CO2直射流的破巖效果，結(jié)果如圖5～6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，超臨界CO2直旋混合射流比直射流擴孔能力強，比旋轉(zhuǎn)射流射孔深度大，在該實驗條件下，其破巖體積是超臨界CO2旋轉(zhuǎn)射流的2.16倍，是超臨界CO2直射流的1.27倍。分析可得，超臨界CO2直旋混合射流有效的結(jié)合了超臨界CO2旋轉(zhuǎn)射流的徑向破巖能力和超臨界CO2直射流的軸向破巖能力，在射流射孔面積與射孔深度這對矛盾中找到了平衡點，提高了射流的破巖能力。

圖5 3種超臨界CO2射流方案破破巖效果實體對比圖Fig.5 Stereogram of rock-erosion with three jets of supercritical carbon dioxide

圖6 3種超臨界CO2射流方案破巖效果對比Fig.6 Comparison of rock-erosion between three jets of supercritical carbon dioxide

圖7 破巖過程中大體積巖塊崩落現(xiàn)象Fig.7 Phenomenon of rock mass breakaway in rock-erosion process

實驗還發(fā)現(xiàn)，超臨界CO2直旋混合射流易導致巖心發(fā)生大體積不規(guī)則巖塊崩落，如圖7所示，發(fā)生這種現(xiàn)象的原因主要有2個：首先，因為超臨界CO2的黏度比水低，擴散系數(shù)較大，與水射流相比更易向微孔隙、微裂紋中繼續(xù)擴展，射流作用范圍增大，體積膨脹泄壓后可以在巖石破碎坑周圍形成比較大的拉應(yīng)力，從而使巖石破碎坑的直徑變大，較易造成巖塊大體積崩落[13]；其次，由于直旋混合射流作用在巖石上時具有較大的切向速度，射流進入微裂紋后對巖石產(chǎn)生較大的切應(yīng)力作用，從而將大體積巖塊切離巖石本體。正是由于這種拉應(yīng)力與切應(yīng)力的聯(lián)合作用，使巖石發(fā)生大體積崩落現(xiàn)象，從而降低射流破巖的門限壓力，提高破巖效率。

2.3 實驗參數(shù)影響規(guī)律分析

2.3.1 葉輪長度的影響規(guī)律

圖8 葉輪長度對射流破巖效果的影響Fig.8 Effect of the impeller length on rock-erosion

直旋葉輪長度決定著超臨界CO2旋轉(zhuǎn)射流和直射流各自的發(fā)展程度，其是影響破巖效率的重要參數(shù)，通過實驗研究不同直旋葉輪長度對超臨界CO2直旋混合射流破巖效果的影響規(guī)律，其實驗結(jié)果如圖8所示。當其他條件不變時，破巖孔徑在葉輪長度大于3后無明顯變化，而破巖深度隨葉輪長度的增加有先增加后減小的趨勢，存在最優(yōu)值，這是因為當直旋葉輪長度較小時，旋轉(zhuǎn)槽部分射流并未充分發(fā)展為旋轉(zhuǎn)射流，其進入混合腔后會對軸向直射流產(chǎn)生較大干擾，影響射流對軸心部分的沖擊進而影響射孔深度，因此射孔深度隨著葉輪長度的增加而增加；但當葉輪長度過大時，直射流與旋轉(zhuǎn)射流會因為各自孔道上的摩阻而產(chǎn)生能量損失，由于葉輪中心孔直徑較小，所以直射流的摩阻損失更為嚴重，從而對破巖效果尤其是射孔深度產(chǎn)生較大的影響。綜合射孔深度和孔徑，我們可以得出該實驗條件下的最優(yōu)直旋葉輪長為6 mm。

2.3.2 葉輪中心孔直徑的影響規(guī)律

圖9 葉輪中心孔直徑對射流破巖效果的影響Fig.9 Effect of the impeller center hole diameter on rock-erosion

在研究超臨界CO2直旋混合射流噴嘴葉輪中心孔直徑對破巖效率的影響實驗中，其他實驗參數(shù)均保持不變，只改變噴嘴的葉輪中心孔直徑，對同一批次人造巖心進行破巖實驗。其實驗結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，隨著中心孔直徑的增大，射流破巖的射孔深度逐漸增加，但破巖的孔徑卻逐漸減小。這是因為巖石中心的射孔深度主要受直旋混合射流中的直射流部分影響，而旋轉(zhuǎn)射流的強弱決定著射孔孔徑的大小[15]。當入口流量一定的情況下，隨著中心孔直徑的增大，中心孔所占流量比例隨之增大而旋轉(zhuǎn)槽所占流量比例減小，從而混合射流中對孔深起主要作用的直射流能量增強而旋轉(zhuǎn)射流能量減弱。從圖中得出當中心孔直徑為1.5 mm時，既有較大的破巖深度又能保持較大的破巖面積，可以認為是該實驗條件下的最優(yōu)值。

2.3.3 混合腔長度的影響規(guī)律

圖10 混合腔長度對射流破巖效果的影響Fig.10 Effect of the mixing chamber length on rock-erosion

超臨界CO2射流經(jīng)過直旋葉輪分流成直和旋轉(zhuǎn)射流2個部分，其混合程度直接影響射流的破巖能力。射流的混合程度在噴嘴中可以用混合腔的長度來表征，圖10所示為噴嘴的混合腔長度對破巖效率的影響規(guī)律。隨著混合腔長度的增加，射孔深度和射孔孔徑均先增大后減小，存在最優(yōu)混合腔長度。這是因為混合腔的長度會限制或促進直旋混合射流的混合程度和射流能量，當混合腔長度過小時，直旋射流在未充分混合后便進入收斂腔，在收縮面上產(chǎn)生較大的回流作用。由于超臨界CO2具有低黏度、高擴散性等特點，其直、旋2種射流在未充分混合條件下的相互滲透及相互干擾較強，增大了流動阻力從而影響破巖效率；隨著混合腔長度增大，混合程度會隨之增加，2種射流之間的相互干擾以及在收縮壁面產(chǎn)生的回流會隨之減少；當混合段長度過大時，混合程度較高的直旋射流會在混合腔內(nèi)產(chǎn)生較大的摩擦損失，導致射流能量的減小，使孔深和孔徑都隨之減小。當混合腔長度為5 mm時，破巖深度和孔徑都較大，為該實驗條件下的最優(yōu)混合腔長度。

2.3.4 噴射距離的影響規(guī)律

圖11 噴射距離對射流破巖效果的影響Fig.11 Effect of the jet standoff on rock-erosion

常規(guī)射流破巖實驗中噴距是對破巖效果影響較大的參數(shù)，而對超臨界CO2直旋混合射流同樣如此，在射流壓力35 MPa，圍壓8 MPa，溫度60 ℃的條件下，研究噴距(1～6 mm)對破巖效果的影響規(guī)律，實驗結(jié)果如圖11所示。隨著噴距的增加，射流深度和射流面積有先增大后減小的趨勢，這與直射流和旋轉(zhuǎn)射流在射流區(qū)域的發(fā)展程度和能量損耗有關(guān)。當噴距較小時，超臨界CO2直射流和旋轉(zhuǎn)射流都未充分擴展，其作用面積較小，導致破巖直徑較小，同時由于壁面離噴嘴較近，其沖擊破碎過程中壁面的回流會對噴嘴附近的直旋射流產(chǎn)生干擾，導致能量損耗較大，從而影響破巖深度；隨著噴距的增大，超臨界CO2的旋轉(zhuǎn)射流有較好的發(fā)展，沖擊區(qū)域變大，具有較好的旋向速度，并形成有利于直射流發(fā)展的負壓區(qū)[17]，巖石壁面的反流的干擾作用也變小，因此可以得到直徑和深度都較大的孔眼；但當噴距進一步增大時，直旋射流的速度與能量衰減較為嚴重，雖然射流作用在巖石壁面上的面積較大，但其沖擊速度和沖擊能量較小，徑向邊緣射流不足以破壞巖石，從而孔深和孔徑都減少。綜合射孔深度與射孔直徑，該實驗條件下的最優(yōu)噴距為3～4 mm。

圖12 噴射壓力對射流破巖效果的影響Fig.12 Effect of the jet pressure on rock-erosion

2.3.5 噴射壓力的影響規(guī)律

射流壓力可以表征射流能量的大小,它是影響射流破巖效果的最直接因素之一，保持其他參數(shù)不變，研究了不同噴射壓力(20～45 MPa)條件下超臨界CO2直旋混合射流的破巖規(guī)律，結(jié)果如圖12所示。當射流壓力達到25 MPa時，巖石發(fā)生輕微的破碎，隨著射流壓力的增高，其破巖深度和破巖直徑都有較為明顯的提高。由于實驗保持圍壓為8 MPa不變，隨著射流壓力的升高，噴嘴壓降(射流壓力與圍壓之差)隨之增大，其會導致參與破巖的射流動能的增加。射流動能的增加一方面使中心直射流的軸向速度增加，從而使破巖深度隨之增大，另外它還增大了周圍旋轉(zhuǎn)射流的切向速度，在旋轉(zhuǎn)射流的沖擊和剪切作用下，巖石的破碎直徑有所增加，但在40和45 MPa條件下的射孔直徑變化較小，這主要是受一定噴距下旋轉(zhuǎn)射流的作用面積有限所致[19]。此外，隨著射流壓力的升高，巖石更容易發(fā)生大體積崩落現(xiàn)象，這是因為壓力的升高能夠使擴散性較強的超臨界CO2更容易進入較深的巖石裂縫中，從而使深處裂縫面以上的大塊巖石在拉、切應(yīng)力的作用下脫離巖石本體。綜上所述，在條件允許的情況下，應(yīng)努力提高射流壓力，增大超臨界CO2直旋射流的破巖能力，進而提高破巖效率和鉆井速度。

3 結(jié) 論

(1)超臨界CO2直旋混合射流的破巖效果優(yōu)于常規(guī)水射流，相同實驗條件下，該射流的平均破巖能力比常規(guī)水射流提高42.9%，比直旋混合水射流提高25.3%。

(2)超臨界CO2直旋混合射流有效的結(jié)合了超臨界CO2旋轉(zhuǎn)射流的徑向破巖能力和超臨界CO2直射流的軸向破巖能力，相同實驗條件下，其破巖體積是超臨界CO2旋轉(zhuǎn)射流的2.16倍，是超臨界CO2直射流的1.3倍。

(3)超臨界CO2直旋混合噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流的破巖效果影響較大，實驗條件下的最優(yōu)值可取為：葉輪中心孔直徑1.5 mm，葉輪長度6 mm，直旋混合腔長度5 mm。

(4)隨著噴射距離的增大，超臨界CO2直旋混合射流的破巖效果有先增強后減弱的趨勢，實驗條件下的最優(yōu)噴距為3～4 mm。

(5)超臨界CO2直旋混合射流噴射壓力的升高會增強射流的破巖效果：一方面會使射流對巖石的沖擊破壞力增大；另一方面，會促進超臨界CO2進入較深巖石裂縫中，使巖石在拉、切應(yīng)力的作用下發(fā)生大體積的崩落現(xiàn)象，從而降低了巖石的門限壓力。

[1] 李建忠,鄭民,張國生,等.中國常規(guī)與非常規(guī)天然氣資源潛力及發(fā)展前景[J].石油學報,2012,33(1):89-98. Li Jianzhong, Zheng Min, Zhang Guosheng, et al. Potential and prospects of conventional and unconventional natural gas resource in China[J]. Acta Petrolei Sinica, 2012,33(1):89-98.

[2] 宋巖,張新民,柳少波,等.中國煤層氣基礎(chǔ)研究和勘探開發(fā)技術(shù)新進展[J].天然氣工業(yè),2005,25(1):1-7. Song Yan, Zhang Xinmin, Liu Shaobo.Progress in the basic studies and exploration & development techniques of coalbed methane in China[J]. Natural Gas Industry, 2005,25(1):1-7.

[3] 程宇雄,李根生,王海柱,等.超臨界CO2連續(xù)油管噴射壓裂可行性分析[J].石油鉆采工藝,2013(6):73-77. Cheng Yuxiong, Li Gensheng, Wang Haizhu, et al. Feasibility analysis on coiled-tubing jet fracturing with supercritical CO2[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2013(6):73-77.

[4] Cohen J H, Deskins W G, Rogers J D. High-pressure jet kerf drilling shows significant potential to increase ROP[C]∥The Society of Petroleum Engineers, Annual Technical Conference and Exhibition. Dallas, Texas, 2005.

[5] 廖華林,李根生.水射流沖擊含飽和流體巖石介質(zhì)耦合機理分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(15):2697-2703. Liao Hualin, Li Gensheng. Fluid-structure interaction mechanism of water jet imping rock with saturated fluid[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005,24(15):2697-2703.

[6] Butler T, Fontana P, Ottawa R. A method for combined jet and mechanical drilling[C]∥The Society of Petroleum Engineers, Annual Technical Conference and Exhibition. New Orleans, Louisiana, 1990.

[7] Kolle J J, Marvin M H . Jet assisted drilling with supercritical carbon dioxide[C]∥SPE/CIM International Conference on Horizontal Well Technology. Calgary, Alberta, Canada, 2002.

[8] Kolle J J, Ottawa R, Stang D L. Laboratory and field testing of an ultra-high pressure, jet-assisted drilling system[C]∥SPE/IADC Drilling Conference. Amsterdam, Netherlands, 1991.

[9] 廖華林,李根生,熊偉,等.超高壓水射流輔助破巖鉆孔研究進展[J].巖石力學與工程學報,2002,21(2):2583-2587. Liao Hualin,Li Gensheng, Xiong Wei, et al. Development of ultra-high pressure waterjet assisted drilling technology[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002,21(2):2583-2587.

[10] 王海柱,李根生,沈忠厚,等.超臨界CO2鉆井與未來鉆井技術(shù)發(fā)展[J].特種油氣藏,2012,19(2):1-5. Wang Haizhu, Li Gensheng, Shen Zhonghou, et al. Supercritical carbon dioxide drilling and the development of future drilling technology[J]. Special Oil & Gas Reservoirs, 2012,19(2):1-5.

[11] 羅洪斌,李根生,宋劍,等.同軸旋轉(zhuǎn)雙射流沖蝕巖石機制與實驗研究[J].巖石力學工程學報,2008,27(增1):2754-2759. Luo Hongbin, Li Gensheng, Song Jian, et al. Experimental study on rock breaking mechanism of coaxial swirl dual-jet[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008,27(Suppl 1):2754-2759.

[12] Kolle J J. Coiled tubing drilling with supercritical carbon dioxide: 6347675[P]. United States Patent, 2002.

[13] 沈忠厚,王海柱,李根生,等.超臨界CO2鉆井水平井段攜巖能力數(shù)值模擬[J].石油勘探與開發(fā),2011,38(2):233-236. Shen Zhonghou, Wang Haizhu, Li Gensheng, et al. Numerical simulation of the cutting-carring ability of supercritical carbon dioxide drilling at horizontal section[J]. Petroleum Exploration and Development, 2011,38(2):233-236.

[14] 杜玉昆,王瑞和,倪紅堅,等.超臨界二氧化碳射流破巖試驗[J].中國石油大學學報:自然科學版,2012,36(4):93-96. Du Yukun, Wang Ruihe,Ni Hongjian, et al. Rock-breaking experiment with supercritical carbon dioxide jet[J]. Journal of China University of Petroleum: Edition of Natural Science, 2012,36(4):93-96.

[15] 吳為,李根生,牛繼磊,等.直旋混合射流破巖鉆孔參數(shù)試驗研究[J].流體機械,2009,37(6):1-6. Wu Wei, Li Gensheng, Niu Jilei, et al. Experim ental study on rock breaking parameters of combined swirling and round jet[J]. Fluid Machinery, 2009,37(6):1-6.

[16] 廖華林,李根生,牛繼磊,等.徑向水平井直旋混合射流鉆頭破巖特性[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學學報,2013,21(3):471-478. Liao Hualin, Li Gensheng, Niu Jilei, et al. Rock breaking characteristic of integrating straight and swirling jet bit for radial horizontal drilling[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2013,21(3):471-478.

[17] 廖華林,李根生,牛繼磊,等.徑向水平鉆孔直旋混合射流鉆頭設(shè)計與破巖特性[J].煤炭學報,2013,38(3):424-429. Liao Hualin, Li Gensheng, Niu Jilei, et al. Integrating straight & swirl jets bit design and its rock breaking characteristics for radial horizontal hole drilling[J]. Journal of China Coal Society, 2013,38(3):424-429.

[18] 廖華林,李根生,李敬彬,等.徑向水平鉆孔直旋混合射流噴嘴流場特性分析[J].煤炭學報,2012,37(11):1895-1900. Liao Hualin, Li Gensheng, Li Jingbin, et al. Flow field study on Integrating straight and swirling jets for radial horizontal drilling[J]. Journal of China Coal Society, 2012,37(11):1895-1900.

[19] 步玉環(huán),王瑞和,周衛(wèi)東,等.旋轉(zhuǎn)射流破巖成孔規(guī)律研究[J].巖石力學與工程學報,2003,22(4):664-668. Bu Yuhuan, Wang Ruihe, Zhou Weidong, et al. Study on rock drilling by swirling jet[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003,22(4):664-668.

(責任編輯 王易難)

Experimental study on rock-erosion features with combined swirling and round jet of supercritical carbon dioxide

Tian Shouceng1, Zhang Qilong2, Li Gensheng1,He Zhenguo1, Liu Han1, Liu Xinran1

(1.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing100083,China;2.BohaiPetroleumResearchInstitute,TianjinBranch,ChinaNationalOffshoreOilCorpCo.Ltd,
Tianjin300425,China)

Integrating supercritical carbon dioxide jet, known for its capability of reducing the threshold pressure of the rock and protecting the reservoir, with the combined swirling and round jet, known for its capability of enhancing the efficiency of rock erosion owing to its features, we would have a new highly efficient jet technology that may be called as combined swirling and round jet with supercritical carbon dioxide. In order to investigate the law governing its rock erosion, we carried out an experiment aiming at comparing the rock erosion capacity of this method with that of the conventional water jet and studying the effects produced by the of five important factors (the impeller length, the central hole diameter of the impeller, the length of the mixing chamber, the standoff, and the jet pressure) on rock erosion by using the nozzle which has been designed and fabricated especially for this purpose. The result shows that the rock erosion efficiency of this jet method is 42.9% higher than that of the conventional water round jet; the swirling and round jet with supercritical carbon dioxide may lead to the occurrence of rock mass breakaway; with the increase of the impeller length, the length of the mixing chamber and the standoff, the erosion performance tends to slacken after an initial good efficiency; the increase of the central hore diameter of the impeller can result in both a greater erosion depth and a reduced erosion diameter; and erosion efficiency can be enhanced by increasing the jet pressure. The results from the present study can be serve as an experimental basis for further research.

mechanics of explosion; rock erosion experiment; combined swirling and round jet; impact jet flow; supercritical carbon dioxide

10.11883/1001-1455(2016)02-0189-09

2014-09-19；

國家自然科學基金項目(51210006,51490652)；國家科技重大專項項目(2011ZX05009-005)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2014CB239203)

田守嶒(1974— )，男，博士，副研究員，tscsydx@163.com。

O383 國標學科代碼： 13035

A

修回日期： 2015-01-20