徑向水平井多孔自旋射流噴嘴設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李雷，王方祥，李天陽(yáng)

（1.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院油氣工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061；2.渤海鉆探井下技術(shù)服務(wù)公司，天津 300270；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引言

徑向水平井技術(shù)利用高壓水射流在油氣儲(chǔ)層中噴射出具有一定直徑、一定長(zhǎng)度的水平井眼，有效增加儲(chǔ)層的裸露面積和泄流通道，提高油氣采收率與單井產(chǎn)量，是高效開發(fā)煤層氣、頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源的關(guān)鍵技術(shù)之一［1-4］。自進(jìn)式射流噴嘴是實(shí)現(xiàn)破巖及鉆進(jìn)的執(zhí)行部件，其設(shè)計(jì)的合理性直接決定水平井眼的孔眼直徑、水平進(jìn)尺及鉆進(jìn)效率，關(guān)系鉆井施工的成敗。

為了充分利用有限的水力能量鉆出大直徑深孔，Dickinson等［5］構(gòu)思了利用旋轉(zhuǎn)射流的想法，王瑞和等［6-7］深入研究了旋轉(zhuǎn)射流破巖、攜巖的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)該種射流雖能形成大直徑孔眼，但深度較淺。為此，Buckman等［8］發(fā)明了一種綜合旋轉(zhuǎn)射流和直射流優(yōu)點(diǎn)的直旋混合射流噴嘴，李根生等［9-10］對(duì)該種噴嘴的流場(chǎng)特性和破巖規(guī)律展開了研究，認(rèn)為該種射流破巖效果較好，但射流調(diào)制困難，且噴嘴不易加工。目前，現(xiàn)場(chǎng)多采用多孔射流噴嘴，Buset等［11-12］研究了該噴嘴的破巖機(jī)理和牽引力作用方式，廖華林等［13］對(duì)該噴嘴的破巖鉆孔特性進(jìn)行了分析。若噴嘴水眼的空間布局不合理，易在巖石表面形成多個(gè)不連續(xù)的小孔眼，不利于射流噴嘴繼續(xù)鉆進(jìn)。

為了使射流既具有軸向速度，以增加破巖鉆孔的深度，又具有周向速度，以保證孔眼的直徑，筆者以多孔射流噴嘴為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的多孔自旋射流噴嘴。通過(guò)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，分析了噴嘴的外流場(chǎng)特性；通過(guò)室內(nèi)破巖實(shí)驗(yàn)，分析了噴嘴的破巖方式，并優(yōu)選了噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)。最終得到了一種新型高效的射流噴嘴，有助于加快徑向水平井技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

典型多孔射流噴嘴的水眼布置如圖1所示：噴嘴中軸線上布置一個(gè)與軸線平行的中心水眼，距離軸線一定半徑的圓周上（定位圓）均勻分布多個(gè)與中軸線呈一定夾角（傾斜角）的周向水眼；噴嘴后端側(cè)面布置多個(gè)反向噴射水眼，用于產(chǎn)生噴嘴自進(jìn)力并輔助破巖。其中，前端水眼的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)鉆大直徑深孔的關(guān)鍵。

圖1 多孔射流噴嘴水眼布置

由于單股射流形成的破碎坑較小，而前端水眼產(chǎn)生的射流又相對(duì)獨(dú)立，因此很難形成一個(gè)連續(xù)的孔眼。針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種多孔自旋射流噴嘴，改變了原有的水眼布置方式。

多孔自旋射流噴嘴的設(shè)計(jì)以單個(gè)周向水眼為例進(jìn)行闡述，定義2個(gè)特征平面（見圖2）：1）傾斜投影平面。經(jīng)過(guò)周向水眼出口中心點(diǎn)和噴嘴軸線的平面，記在傾斜投影平面內(nèi)，經(jīng)過(guò)周向水眼出口中心點(diǎn)，且平行噴嘴軸線的直線為周向水眼參考軸線。2）切向投影平面。經(jīng)過(guò)周向水眼參考軸線，并垂直于傾斜投影平面的平面。周向水眼傾斜角為其軸線在傾斜投影平面內(nèi)的投影與其參考軸的夾角，周向水眼切向角為其軸線在切向投影平面內(nèi)的投影與其參考軸的夾角，周向水眼定位圓半徑為其出口中心點(diǎn)到噴嘴軸線的距離。

圖2 多孔射流噴嘴特征平面定義

經(jīng)過(guò)改進(jìn)的噴嘴形成的射流同時(shí)具有軸向、徑向和周向三維速度，既具有旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)孔的優(yōu)點(diǎn)，保證孔徑，又能夠?qū)崿F(xiàn)快速鉆進(jìn)，增加孔深。通過(guò)多股射流的組合和疊加包絡(luò)，實(shí)現(xiàn)鉆大直徑深孔的目標(biāo)。

2 噴嘴外流場(chǎng)特性數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

由于與噴嘴配合使用的導(dǎo)向器內(nèi)滑道直徑為30 mm，且噴嘴尾部連接外徑16 mm的高壓鉆管；因此，在該工況下，設(shè)計(jì)射流噴嘴外徑17 mm，內(nèi)徑12.5 mm，前端周向水眼8個(gè)、中心水眼1個(gè)，后端反向水眼6個(gè)，噴嘴水眼當(dāng)量直徑2.11 mm。設(shè)計(jì)入口流量40 L/min，壓力40 MPa，出口壓力1 MPa，流場(chǎng)外徑 30 mm，噴距20 mm。依據(jù)上述參數(shù)，建立多孔自旋射流噴嘴的物理模型和流場(chǎng)模型。

2.2 計(jì)算方法

多孔自旋射流噴嘴外部流場(chǎng)介質(zhì)為水，不可壓縮流體，密度為常數(shù)。采用時(shí)均方法對(duì)連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行時(shí)均化，得到雷諾時(shí)均N-S方程，使用基于Boussinesq假設(shè)的渦黏模型對(duì)雷諾時(shí)均N-S方程組進(jìn)行封閉，采用Realizable κ-ε模型計(jì)算渦黏系數(shù)。

采用以壓力和動(dòng)量為基本變量的原始變量法求解流場(chǎng)，并用SIMPLEC算法處理壓力-速度耦合關(guān)系。對(duì)各項(xiàng)采用不同的離散方法，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，梯度采用基于單元的最小二乘格式，壓力項(xiàng)采用線性格式，湍動(dòng)能和湍流耗散率采用一階迎風(fēng)格式。

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 噴嘴外流場(chǎng)特性

圖3為多孔自旋射流噴嘴外流場(chǎng)速度結(jié)構(gòu)。前端水眼形成多股射流，噴嘴的定位圓半徑（r0）決定了流場(chǎng)是否能夠覆蓋整個(gè)井底，而水眼的傾斜角（θ1）和切向角（θ2）決定了射流沖擊井底巖石的速度分量，關(guān)系著破巖效率和成孔效果；后端反向水眼形成的射流提供噴嘴和高壓鉆管前進(jìn)的動(dòng)力，同時(shí)沖擊孔眼的壁面，在一定程度上起到擴(kuò)孔的作用。

圖3 多孔自旋射流噴嘴外流場(chǎng)速度結(jié)構(gòu)

高壓流體經(jīng)噴嘴前端水眼噴出后，其速度特點(diǎn)經(jīng)歷了3個(gè)階段。階段1：流體速度以軸向速度為主，8股周向射流圍繞1股中心射流。由于周向射流具有三維速度，類似于旋轉(zhuǎn)射流的特點(diǎn)，對(duì)中心射流起到一定的保護(hù)作用，使中心射流的速度衰減降低，能量利用率提高，有利于深孔形成。階段2：隨著噴距增加，軸向速度衰減，射流與周圍流體摻混均勻，部分流體向下游運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，繞噴嘴中心線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成旋渦，使射流具有一定的剪切作用和旋流磨削作用，有利于形成大直徑孔。階段3：由于周向水眼的切向角，沖擊壁面附近的流體仍有周向速度，此時(shí)沖擊壁面上的流體軸向速度為0，并向四周形成漫流，而周向速度的存在，使射流仍然能夠?qū)r石產(chǎn)生一定的剪切拉伸作用。

2.3.2 布孔參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響

為了消除噴嘴尺寸的影響，定義真實(shí)沖擊區(qū)面積與噴嘴定位圓面積的比值為無(wú)因次沖擊區(qū)面積（S*）。圖4為不同布孔參數(shù)條件下S*的變化規(guī)律。

由圖 4a 可知，在不同 θ1，θ2的條件下，S*隨 r0的增大而增大。在同一r0條件下，θ2對(duì)S*的影響較為顯著。隨著r0的增大，周向水眼射流間的空隙增大，卷吸流體增多，在保證沖擊區(qū)連續(xù)的條件下，S*增大。

由圖4b可知，在θ2一定的條件下，S*隨θ1的增大而減小。θ1為6°時(shí)，卷吸損失的能量較小，并能在沖擊壁面形成較大的沖擊區(qū)和速度較高的漫流區(qū)。

由圖4c可知，在 θ1一定的條件下，在 θ2為 16°時(shí)S*最大。較小的 θ2，易產(chǎn)生康達(dá)效應(yīng)［14-15］，減小覆蓋面積和周向射流的沖擊作用。隨著θ2的增大，出口平面內(nèi)射流的切向速度分量增大，射流在沖擊壁面的覆蓋面積增大。較大的θ2，使周向射流沖擊區(qū)遠(yuǎn)離中心沖擊區(qū)，沖擊區(qū)之間形成漫流環(huán)，形成不連續(xù)沖擊區(qū)。

由以上分析可知，多孔自旋射流噴嘴的定位圓半徑、傾斜角和切向角是影響射流噴嘴破巖鉆孔效果的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。三者之間存在最佳的相互匹配關(guān)系，可通過(guò)室內(nèi)破巖實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)選。

圖4 無(wú)因次沖擊區(qū)面積與周向水眼空間形態(tài)參數(shù)關(guān)系

3 室內(nèi)破巖實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用單因素實(shí)驗(yàn)方法開展實(shí)驗(yàn)，加工不同結(jié)構(gòu)的射流噴嘴。多孔自旋射流噴嘴破巖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖5，柱塞泵額定壓力50 MPa，額定排量63 L/min，高壓釜提供圍壓環(huán)境，額定圍壓30 MPa。巖樣為水泥和砂澆注，水∶水泥∶砂=0.5∶2.0∶1.0（質(zhì)量比），抗壓強(qiáng)度 38 MPa。高壓釜一端有轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤可調(diào)節(jié)噴嘴噴距，以模擬噴嘴送進(jìn)過(guò)程。高壓釜長(zhǎng)1.8 m，內(nèi)徑300 mm，承壓能力30 MPa。實(shí)驗(yàn)條件：泵壓40 MPa，噴距20 mm，噴射時(shí)間1 min，圍壓10 MPa，淹沒(méi)環(huán)境。

圖5 多孔自旋射流噴嘴破巖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 定位圓半徑對(duì)破巖效果的影響

在傾斜角為6°、切向角為12°的條件下，進(jìn)行定位圓半徑分別為2，3，4 mm的噴嘴破巖實(shí)驗(yàn)（見圖6）。由圖6可知，巖樣表面成孔直徑隨定位圓半徑的增大而增大，連續(xù)孔深度隨定位圓半徑的增大而減小。由于噴嘴具有一定的傾斜角和切向角，周向水眼射流對(duì)中心水眼射流具有一定的保護(hù)作用，因此上述噴嘴均形成連續(xù)的中心孔。

當(dāng)定位圓半徑較小時(shí)，周向水眼射流對(duì)中心水眼射流的保護(hù)作用較強(qiáng)，并且周向水眼射流之間的干擾較嚴(yán)重，因此形成的連續(xù)孔眼較深，但直徑較小。隨著定位圓半徑的增大，周向水眼射流與中心水眼射流之間的距離增大，周向水眼射流對(duì)中心水眼射流的保護(hù)作用逐漸減小，中心水眼射流的軸向速度衰減加快，因此形成的孔眼深度逐漸減小。周向水眼射流之間的干擾減小，射流之間消耗的能量較少，并且周向水眼射流沖擊面積增大，形成的孔眼直徑逐漸增大。

圖6 定位圓半徑對(duì)破巖鉆孔形態(tài)的影響

3.2.2 傾斜角對(duì)破巖效果的影響

在定位圓半徑為4 mm、切向角為10°的條件下，進(jìn)行傾斜角分別為 6°，10°，14°的噴嘴破巖實(shí)驗(yàn)（見圖7）。由圖7可知，小傾斜角的噴嘴比大傾斜角的噴嘴能夠形成更大的連續(xù)孔眼，但周向孔眼在遠(yuǎn)離中心孔端沒(méi)有完全連通。當(dāng)傾斜角較小時(shí)，在前端周向水眼射流的保護(hù)作用下，中心水眼射流的軸向速度較高，有利于深孔的形成，并且前端周向水眼射流與中心水眼射流形成渦度較強(qiáng)的流場(chǎng)，使作用到巖石上的射流又具有一定的剪切作用和旋流磨削作用，有利于大直徑孔眼的形成；因此，傾斜角較小的噴嘴能形成連續(xù)的大直徑深孔。

噴距一定時(shí)，隨著傾斜角的增大，前端周向水眼形成的射流越來(lái)越發(fā)散，雖然沖擊壁面的面積增大，但有效沖擊壁面面積減小，并且前端周向水眼射流對(duì)中心水眼射流的保護(hù)作用減小，中心水眼射流的軸向速度衰減加快，前端周向水眼與中心水眼形成的流場(chǎng)渦度較弱；因此，噴嘴的傾斜角越大，形成的連續(xù)孔眼越小。當(dāng)傾斜角為14°時(shí)，形成的周向孔眼較淺且不連續(xù)。

圖7 傾斜角對(duì)破巖鉆孔形態(tài)的影響

3.2.3 切向角對(duì)破巖效果的影響

在定位圓半徑為4 mm、傾斜角為6°的條件下，進(jìn)行切向角分別為 0°，10°的噴嘴破巖實(shí)驗(yàn)（見圖 8a，8b）。由圖8a，8b可知，在切向角為0°時(shí)，單個(gè)水眼形成的射流分別形成單獨(dú)孔眼，中心孔和周向孔分別呈圓形和水滴形剖面，中心孔和周向孔之間留有環(huán)形壁面。這是由于切向角為0°，意味著周向水眼射流無(wú)旋轉(zhuǎn)速度，不具有對(duì)中心水眼射流的保護(hù)作用，中心水眼射流的軸向速度衰減較快，前端周向水眼射流與中心水眼射流各自發(fā)展，兩者形成的流場(chǎng)渦度為0，作用到巖石上的射流不具有剪切作用，因此無(wú)法形成連續(xù)孔眼。

圖8 切向角對(duì)破巖成孔形態(tài)的影響

在切向角為10°時(shí)，環(huán)形壁面消失，中心孔和周向孔連通，形成連續(xù)孔眼。此時(shí)在前端周向水眼射流的保護(hù)作用下，中心水眼射流的軸向速度衰減較慢，有利于深孔的形成，并且前端周向水眼射流與中心水眼射流形成具有一定渦度的流場(chǎng)，使作用到巖石上的射流具有一定的剪切作用和旋流磨削作用，中心孔和周向孔之間不存在環(huán)形壁面，且形成的孔眼直徑較大。因此，切向角的存在對(duì)改善噴嘴的破巖效果具有重要影響。

3.2.4 綜合破巖實(shí)驗(yàn)

在淹沒(méi)條件下，使用水眼定位圓半徑4 mm、傾斜角6°、切向角16°的多孔自旋射流噴嘴進(jìn)行破巖鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)（見圖8c），鉆進(jìn)速度70 mm/min，鉆進(jìn)時(shí)間1 min。由圖8c可知，該噴嘴有效地消除了環(huán)形壁面，同時(shí)周向孔眼在遠(yuǎn)中心孔端形成了有效的連通，破巖效果較好，孔眼形狀較為規(guī)整，有效直徑約為30 mm，可供噴嘴和高壓鉆管通過(guò)，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，周向水眼的切向角是破巖成孔的重要條件。在淹沒(méi)、周向水眼無(wú)切向角的條件下，多孔自旋射流噴嘴在沖擊壁面形成只有徑向速度的漫流層，而且周向射流與中心射流的漫流發(fā)生疊加形成低速漫流環(huán)，不利于巖屑的排開。這2種條件下，在巖石表面，單孔之間易形成環(huán)形壁面形態(tài)。在淹沒(méi)條件下，切向角的存在使流體切向進(jìn)入流場(chǎng)，卷吸周圍流體進(jìn)入環(huán)形區(qū)，并形成旋渦運(yùn)動(dòng)；在沖擊壁面，具有切向速度的流體作用于沖擊區(qū)之間區(qū)域，對(duì)環(huán)形壁面產(chǎn)生剪切作用，使孔眼連續(xù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

山西沁水盆地南部的煤層氣儲(chǔ)層滲透率較低，產(chǎn)能較小。通過(guò)徑向水平鉆孔形成的孔眼，可溝通煤層裂隙，改變煤層的滲流環(huán)境，提高煤層的滲流能力，實(shí)現(xiàn)提高煤層氣產(chǎn)量的目的。

利用新型高效的多孔自旋射流噴嘴，在該地區(qū)完成了1口井的鉆井作業(yè)。徑向水平孔眼穿透的煤層為山西組3號(hào)煤層，煤層深度為761.60～767.70 m（厚度為6.10 m），對(duì)該井分4個(gè)層次實(shí)施徑向水平井作業(yè)，每個(gè)層次分別鉆進(jìn)2個(gè)分支徑向孔，共設(shè)計(jì)8個(gè)徑向孔眼。施工結(jié)果如表1所示，設(shè)計(jì)的多孔自旋射流噴嘴能夠鉆出直徑約35 mm、長(zhǎng)度約90 m的孔眼，滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)煤層氣增產(chǎn)的應(yīng)用要求。

表1 施工結(jié)果

5 結(jié)論

1）多孔自旋射流噴嘴的無(wú)因次沖擊區(qū)面積隨定位圓半徑的增大而增大，隨傾斜角的增大而減小，隨切向角的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。

2）切向角的設(shè)計(jì)使得射流具有三維速度，多孔自旋射流噴嘴以剪切破碎、沖蝕破碎、拉伸破碎以及旋流磨削等綜合方式實(shí)現(xiàn)高效率的破巖鉆孔。

3）定位圓半徑 4 mm、傾斜角 6°、切向角 16°的多孔自旋射流噴嘴可實(shí)現(xiàn)鉆大直徑深孔的目標(biāo)，取得了較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，是一種新型高效的微型多分支井射流噴嘴。

4）本文僅設(shè)計(jì)了多孔自旋射流噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)，沒(méi)有對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，建議開展噴嘴壓降、噴距、圍壓等工藝參數(shù)對(duì)噴嘴破巖效果的影響規(guī)律研究，以便為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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