水力噴砂射孔噴嘴研究

王世強(qiáng)，王星，劉景超，郝宙正，張璽亮

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

水力噴砂射孔技術(shù)是20世紀(jì)90年代末發(fā)展起來的，目前國外應(yīng)用比較廣泛的技術(shù)，與常規(guī)的聚能彈射孔技術(shù)相比，流體噴砂射孔技術(shù)不存在壓實帶，而且射孔的孔徑大、穿透深，被廣泛應(yīng)用于低孔低滲油氣藏的開采。水力噴砂射孔的主要技術(shù)原理是：含砂（磨料）的流體通過地面加壓設(shè)備和井下噴砂射孔噴嘴將高壓流體的壓力勢能轉(zhuǎn)化為流體動能，使噴嘴出口的流體達(dá)到每秒上百米甚至幾百米的速度，同時帶動磨料射向套管，高速運動的磨料撞擊套管壁后形成微切削作用，逐漸射穿套管、水泥環(huán)后，水射流沖擊地層，形成紡錘狀的通道，最終達(dá)到增大地層泄流面積的目的[1-2]。

因此，噴砂射孔噴嘴是整個射孔技術(shù)的關(guān)鍵所在，在同樣的地面設(shè)備條件下，好的噴嘴可以更好地將流體壓力勢能轉(zhuǎn)化為動能，提高噴嘴出口流體及砂粒的橫向速度，增強(qiáng)穿透套管能力。同時，噴嘴自身須具有良好的耐沖蝕性，以保證井下噴砂射孔的作業(yè)壽命。

1 噴嘴參數(shù)計算

描述射流噴嘴特征的基本參數(shù)主要有流體壓力、功率、流速、流量、反沖力等動力學(xué)參數(shù)[3]。

如圖1所示，對于連續(xù)射流模型，在射流噴嘴入口和出口處兩點利用伯努利方程和連續(xù)性方程，假設(shè)壁面光滑，忽略沿程阻力及高度差，可得出如下關(guān)系式：

圖1 噴嘴內(nèi)截面示意圖

式中：p1、p2分別為噴嘴入口和出口處的靜壓力，V1、V2分別為噴嘴入口和出口處的平均流速[4]。

由于噴嘴流道為圓管型結(jié)構(gòu)，則有，并假設(shè)ρ1=ρ2，則由式（1）和式（2）可得

由于高壓射流過程中，p1＞＞p2，d2/d1＜＜1，同時將ρ=998 kg/m3代入式（1）～式（3），最后得出流體射流流速簡化表達(dá)式：

式中：Vt為射流流速，m/s；p為噴嘴入口壓力，MPa；qt為射流流量，L/min；d為噴嘴出口直徑，mm。

由式（4）和式（5）得出的是理論流量和流速，通過噴嘴的實際流速v和流量q要比該值小。

當(dāng)射流流量和噴嘴入口壓力確定后，就可以計算噴嘴的射流功率：

將式（5）代入整理可得

式中，P為射流功率，W。

2 噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)收縮段形式的不同，目前常見的成熟噴砂射孔噴嘴有錐直型、圓弧型、拋物線型3種，如圖2～圖4所示。

圖2 錐直型噴嘴

圖3 圓弧型噴嘴

圖4 拋物線型噴嘴

在相同的工作參數(shù)下，判斷噴嘴性能好壞的參數(shù)為砂粒出口速度和沖蝕率：砂粒出口速度越高，噴嘴的切割性能越強(qiáng)；沖蝕率越低，噴嘴使用壽命越長。

2.1 噴嘴切割性能分析

2.1.1 求解控制[5]

1）求解器的選擇。

選用二維穩(wěn)態(tài)隱式求解器，湍流方程采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，歐拉兩相流模型，SIMPLE算法，動量方程采用二階迎風(fēng)格式，體積分?jǐn)?shù)采用一階迎風(fēng)格式。

2）邊界條件的設(shè)定。

a.入口邊界條件。入口為速度入口，速度大小為15.8 m/s，入口流量為197 L/min，砂粒體積分?jǐn)?shù)為0.08，砂粒直徑為0.3 mm?？紤]液體相的湍動能，則入口湍流強(qiáng)度可表示為

式中：u′為湍流脈動速度，m/s；uavg為平均速度，m/s；ReDH為根據(jù)流體水力直徑DH計算得到的雷諾數(shù)。

由于噴嘴入口為圓，所以流體力直徑DH即為圓的直徑。

b.出口邊界條件。出口為壓力出口，大小為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，壓力p=101325 Pa。

c.壁面邊界條件。噴嘴壁面上液相滿足無滑移條件，噴嘴上顆粒相滿足滑移條件，計算域近壁區(qū)采用壁面函數(shù)處理，壁面處u、k、ε為零，不考慮內(nèi)壁的摩擦[6-7]。

3）物料屬性的設(shè)定。

液相：密度為998.2 kg/m3，動力黏度為0.001 003 kg/s[8]。

固相：固相選用石榴石，顆粒直徑為0.3 mm，密度為3.50 g/mm3，動力黏度為8×10-4kg/s。

2.1.2 物理模型的建立

圖5給出的是錐直型噴嘴的二維模型及網(wǎng)格劃分，噴嘴具體的特征尺寸如圖6所示。

圖5 錐直型噴嘴二維模型

圖6 錐直型噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸

噴嘴后方長60 mm、寬10 mm為噴嘴出口后的流體區(qū)域，模擬砂粒出噴嘴后在流體中運動狀態(tài)[9-10]（如圖7）。

圖7 錐直型噴嘴內(nèi)外流場流體速度分布云圖

2.1.3 求解結(jié)果

從圖8可以看出，流體的最大速度出現(xiàn)在距出口12 mm處，為188 m/s；砂粒的最大速度出現(xiàn)在噴嘴外7 mm處，為161 m/s。

圖8 錐直型噴嘴中心線位置與流體速度曲線

圖9 錐直型噴嘴內(nèi)外砂粒速度分布云圖

圖10 錐直型噴嘴中心線位置與砂粒速度曲線

同樣完成圓弧型噴嘴和拋物線型噴嘴后，整理數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 噴嘴流體及砂粒速度

2.1.4 小結(jié)

1）由以上分析可知，流體和砂粒在噴嘴內(nèi)外的速度分布規(guī)律基本相同，流體或砂粒經(jīng)過噴嘴收縮段時進(jìn)行急劇加速，經(jīng)過圓柱段時速度相對穩(wěn)定，而到達(dá)噴嘴外部后，由于與環(huán)境介質(zhì)進(jìn)行碰撞，發(fā)生能量交換，速度逐漸衰減，并出現(xiàn)向軸線衰減的趨勢。

2）流體和砂粒經(jīng)過噴嘴收縮段時同時被加速，但流體速度始終大于砂粒速度，進(jìn)入噴嘴圓柱段后，流體帶動砂粒持續(xù)加速，兩者速度不斷接近。達(dá)到噴嘴出口后，由于與周圍環(huán)境發(fā)生了強(qiáng)烈的熱量和質(zhì)量交換，會形成一個核心區(qū)，此時砂粒還會加速一段距離，達(dá)到最大速度之后，速度會逐漸變小，由于砂粒密度高、質(zhì)量大，速度衰減相對較慢。

3）拋物線形噴嘴砂粒出口速度最大，有利于砂粒射流切割。

2.2 噴嘴耐沖蝕性分析

2.2.1 物理模型

3種形狀噴嘴的三維模型通過對二維內(nèi)流場的旋轉(zhuǎn)得到，如圖11、圖12所示。

圖11 圓弧型噴嘴流場三維模型

圖12 拋物線型噴嘴流場三維模型

2.2.2 求解器設(shè)置

1）邊界條件。

采用離散相模型進(jìn)行沖蝕分析，顆粒砂比為8%，噴嘴入口流量為197 L/min。根據(jù)流量計算可得管道內(nèi)的顆粒的粒子質(zhì)量流量為0.38 kg/s，顆粒由入口處均勻地射入噴嘴內(nèi)。出口相對壓強(qiáng)為0 Pa。

2）模型設(shè)定。

計算為穩(wěn)態(tài)，計算域類型為流體域，即液相與顆粒相混合模型。流體域為液態(tài)的流體，流體屬性為連續(xù)流體。砂粒密度為3500 kg/m3，顆粒直徑為0.3 mm，參考壓力為0.101 MPa。

3）求解設(shè)定[11]。

求解采用DPM模型，其中對流項的離散格式采用高階離散格式，湍流方程的離散格式采用一階迎風(fēng)格式。收斂平均殘差目標(biāo)為1.0×10-4。

2.2.3 求解結(jié)果

由圖13、圖14可知：1）由于錐直型噴嘴入口與圓柱加速段連接處不平滑，沖蝕集中發(fā)生在該位置，且沖蝕情況比另兩種噴嘴嚴(yán)重很多；2）圓弧型和拋物線型噴嘴入口曲線過渡非常平滑，沖蝕多發(fā)生在入口曲線的外部；3）拋物線型噴嘴的沖蝕率最低，砂粒射流中使用的時間最長。

圖13 錐直型噴嘴沖蝕云圖

圖14 圓弧形噴嘴沖蝕云圖

2.3 噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)選

根據(jù)對不同噴嘴的分析，得到不同噴嘴的性能數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 不同噴嘴的性能

由表2可知：1）錐直型噴嘴雖然流體的速度最大，但砂粒加速不完全、出口速度最小，且沖蝕最嚴(yán)重；2）圓弧型與拋物線型砂粒最大速度相當(dāng)，但拋物線型噴嘴的沖蝕率更??；3）噴嘴結(jié)構(gòu)應(yīng)采用拋物線型。

3 噴嘴切割套管試驗

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

檢驗所選用拋物線型噴嘴的射流切割性能及耐沖蝕性。對射流切割噴嘴的現(xiàn)場切割要求為：必須保證在射穿套管及地層的同時具有良好的耐沖蝕性，即在砂粒射流沖擊下能保證長時間孔徑不擴(kuò)大。

3.2 試驗設(shè)備

噴槍1支，噴嘴1支，打砂泵1臺，混砂罐1個，加流體罐1個，控制臺1套，試驗箱1個，試驗工裝1套，如圖15～圖17所示[12]。

圖15 噴槍

圖16 噴嘴

圖17 試驗裝置

3.3 試驗步驟

1）檢查流體罐流體量是否充足、設(shè)備是否正常；2）準(zhǔn)備200 kg石英石（80～100目），放到加砂罐旁；3）連接管線與噴槍，將5-1/2 in套管及管線固定在流體槽內(nèi)（如圖17）；4）檢查管線，確認(rèn)一切正常后起泵；5）緩慢增加泵速至泵壓為5 MPa；6）按照8%砂比往混砂罐中加砂，觀察設(shè)備及磨料出口是否正常；7）將泵壓升至8 MPa，根據(jù)排量調(diào)整加砂量，確保砂比不變；8）時刻觀察被切套管，記錄套管切透時間；9）套管切割穿孔后停止加砂，繼續(xù)運行1 min后停泵；10）拆卸試驗工裝，將噴槍及套管取出；11）測量相關(guān)數(shù)據(jù)并做記錄。

3.4 試驗結(jié)果

整理套管沖蝕試驗數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 射孔尺寸數(shù)據(jù)

通過表3可以看出，3個套管射孔的孔徑最小值為6.8 mm，孔徑最大值為10.1 mm，平均最小孔徑為7.4 mm，平均最大孔徑為9.4 mm。最終射孔形態(tài)接近完整圓形，滿足現(xiàn)場使用要求。

由圖18可知，噴嘴初始直徑為4.42 mm；由圖19可知，試驗結(jié)束后噴嘴直徑為4.42 mm。說明經(jīng)過砂粒沖蝕后噴嘴的直徑?jīng)]有變化，噴嘴具有良好的耐沖蝕性。

圖18 測量噴嘴初始直徑

圖19 測量射孔后噴嘴直徑

同時，由圖19可以看出，噴嘴附近噴槍表面受流體反濺嚴(yán)重，出現(xiàn)明顯沖蝕凹坑，需要對噴槍表面進(jìn)行硬化或者噴涂耐磨涂層處理。

4 結(jié)論

1）水力噴砂射孔選用拋物線型噴嘴，該類型噴嘴具有良好的砂粒加速性能和耐沖蝕性；

2）經(jīng)過試驗，該噴嘴滿足水力噴砂射孔作業(yè)需求；

3）試驗過程中噴槍本體反濺沖蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，需要對噴槍進(jìn)行表面耐磨處理。