基于新型圍壓控制系統(tǒng)的射流動壓影響試驗(yàn)研究

Experimental Study on the Influence of Jet Dynamic Pressure Based on a New ConfiningPressure Control System

Zhou Shijie1LuWeiping'Liu Jiawei1Zhang Zheng1Zhu Ye1Luo Bin （1.JianghanMachineryResearchInstituteLimitedCompanyofCNPC；2.DownholeSeruiceCompany，CNPCChuanqingDrill ingEngineeringCompany Limited）

Abstract： To address challenges such as low operating eficiency and poor descaling effct in jet stimulation operation of deep/ultra-deep wells，the influence of downhole environmental pressre （confining pressure）on jet dynamic pressure has been studied at home and abroad.The confining pressure loaded in the previous study is mainly below 2O MPa，and the throtling method is used toadjust the pressure，which is inconvenientto control and the accuracy is not high. In this paper，a self-developed high confining pressure control system was used for simulation of higher confining pressure，achieving O＼～1Oo MPa stepless pressure regulation，and monitoring the jet dynamic pressure and confining pressure inreal time.Moreover，the experimental error possibly existed in the system was evaluated，and a preliminary testof confining pressre ≤55 MPa was carried out，verifyingthe feasibility of the new confining pressure loading system.The study results show that when the confining pressure is less than or equal to 10MPa ，the jet dynamic pressure decays significantly.As the confining pressure increases，the attenuation amplitude of jet dynamic pressure gradually decreases.The study results guide the jet operation of ultra-deep wells，and lay a foundation for further consolidating the jet attnuation characteristics under confining pressure and improving the theory of jet attenuation under high confining pressure.

Keywords： deep well; high speed jet；confining pressure;hydraulic control; impact pressure

0 引言

深層油氣資源尤其是 8000m 以深超深層油氣資源的高效開發(fā)，是保障我國能源增儲上產(chǎn)的重要領(lǐng)域?，F(xiàn)勘探開發(fā)最大井深超過 8800m ，地層壓力最高超過 140MPa ，井口關(guān)井壓力最高115MPa 。而隨著深層油氣井長時(shí)間生產(chǎn)，面臨高壓高產(chǎn)井堵塞后產(chǎn)量損失大的問題。采用高速射流進(jìn)行井筒或油管內(nèi)的清理作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)快速解堵復(fù)產(chǎn)。根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在深度超過 6000m 的井射流解堵作業(yè)過程中存在施工效率低、除垢效果差的問題。作業(yè)工程師們一直關(guān)注如何在井下復(fù)雜工況下提高水射流作業(yè)性能。深井的高圍壓環(huán)境是重要的因素，對射流性能的影響不可忽略，多年來學(xué)者們對射流特性進(jìn)行了持續(xù)研究。

1988年，SHENZ.等通過試驗(yàn)研究了高壓射流在到達(dá)井底之前的衰減規(guī)律，并提出了沖擊壓力半衰距離這一指標(biāo)。1995年，艾池等[2]利用高圍壓射流動壓測試裝置開展了 10MPa 圍壓對射流動壓力影響的試驗(yàn)研究，提出了圍壓 6MPa 范圍內(nèi)的射流動壓不穩(wěn)定段，圍壓狀態(tài)下射流中的紊動流相似性和自模性依然存在。2009年，廖華林等[3采用水射流沖擊壓力測試裝置進(jìn)行了 0～ 10MPa 圍壓下水射流動力特征室內(nèi)試驗(yàn)，研究認(rèn)為，圍壓條件下射流動壓降低導(dǎo)致了射流破巖能力降低。2013年，高曉東4研究了 0～10MPa 范圍內(nèi)圍壓對水射流沖擊壓力的影響，采用10、15、20MPa 噴嘴壓降，研究發(fā)現(xiàn)射流軸向動壓隨圍壓升高先衰減后趨于恒定。2016年，李敬彬等[5使用同樣裝置分析了 0～10MPa 圍壓對射流沖擊壓力的影響，同時(shí)對該裝置能否真實(shí)客觀地反映井下圍壓環(huán)境提出了質(zhì)疑。

通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，盡管前期針對圍壓對射流特性的影響開展了大量室內(nèi)試驗(yàn)，但圍壓設(shè)置區(qū)間僅控制在 20MPa 以內(nèi)[1-6，而深井、超深井的圍壓普遍大于 50MPa ，難以直觀反映更大尺度圍壓范圍內(nèi)的射流特性變化規(guī)律，且針對普遍采用的節(jié)流憋壓式圍壓加載方法能否反映真實(shí)井況，以及圍壓是否對射流結(jié)構(gòu)及能量傳遞存在影響均是有待探討的問題。

為此，筆者提出一種新型圍壓控制系統(tǒng)，憑借雙液缸相互補(bǔ)償?shù)膰鷫杭虞d方式來模擬井下高圍壓環(huán)境，使用高圍壓射流動壓測試裝置測定噴距、排量以及射流動壓值。該試驗(yàn)裝置可以將試驗(yàn)的最大圍壓值從 20MPa 提升至 50MPa 以上（裝置設(shè)計(jì)的試驗(yàn)?zāi)芰?0～100MPa ）。這里將分析新型圍壓加載方法試驗(yàn)的可行性以及高圍壓區(qū)間的射流動壓變化規(guī)律，研究結(jié)論對深井、超深井水射流作業(yè)參數(shù)的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

1 新型高圍壓射流試驗(yàn)系統(tǒng)

1. 1 系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包含 150MPa 超高壓柱塞泵、高壓射流試驗(yàn)裝置（高壓釜）、 100MPa 圍壓調(diào)控裝置及高壓鉆屑過濾裝置（見圖1）。其中：高壓泵提供高壓動力源；高壓射流試驗(yàn)裝置主要用于高圍壓噴嘴射流試驗(yàn)，有效測試最高壓力 140MPa 圍壓調(diào)控裝置取代了常規(guī)節(jié)流圍壓的針閥（節(jié)流嘴），基于雙液壓缸相互補(bǔ)償?shù)恼{(diào)控機(jī)制，建立不超過 100MPa 的穩(wěn)定圍壓條件；高壓鉆屑過濾裝置實(shí)現(xiàn)流體介質(zhì)的二級過濾，保障試驗(yàn)系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

升降電機(jī)過濾裝置P1 雙缸圍壓調(diào)控裝置高壓泵 介質(zhì)罐系統(tǒng)出口射流釜安全閥測試靶盤

1.2射流動壓測試原理

高壓流體經(jīng)高壓泵進(jìn)入高壓射流釜，由噴嘴形成高壓射流，射流壓力可由流體入口處的壓力表1測得，標(biāo)記為 p₁ ；高壓流體噴射到?jīng)_擊面板上，測點(diǎn)處的實(shí)測總壓力由測試靶盤壓力傳感器測得，標(biāo)記為 p₃ ，其值為測點(diǎn)處水力靜壓與射流沖擊壓力之和；隨后流體經(jīng)出口閥流出該裝置，圍壓釜內(nèi)的壓力由壓力表2測得，標(biāo)記為 p₂ 。由于測壓孔的前端面為平面，由袁恩熙的研究得其沖

擊壓力為：

式中： p_i 為測點(diǎn)處沖擊壓力， Pa ： ρ 為水的密度，kg/m³ . 為水的速度， m/s 。

通過測試靶盤壓力傳感器3測得總壓力 p₃ 可表示為：

隨著圍壓的增大，射流軸線呈現(xiàn)衰減趨勢。為解釋上述現(xiàn)象，廖勇8基于國外學(xué)者的研究，提出了圍壓下的射流速度衰減結(jié)構(gòu)理論；通常采用的理想伯努利方程忽略了其他壓力的影響，而在實(shí)際工況下，液體不能被認(rèn)為是理想流體，存在液體介質(zhì)間的摩擦及噴嘴內(nèi)的收縮，使得射流在圍壓下的軸線速度呈指數(shù)衰減。隨著圍壓的增加，環(huán)境介質(zhì)密度隨之增加，環(huán)境介質(zhì)對射流的阻力增大，射流軸線速度降低，降低了圍壓下射流軸心動壓力，減小了射流核長度，削弱了射流性能。

1.3圍壓調(diào)控與工作原理

1.3.1傳統(tǒng)圍壓調(diào)控

雙級調(diào)壓裝置實(shí)物如圖2所示。建立圍壓的方式為控制高壓出口閥直徑，可在圍壓筒內(nèi)憋壓形成圍壓，主要控制方式通過設(shè)置多級調(diào)壓閥實(shí)現(xiàn)圍壓控制。雙級調(diào)壓裝置結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。該測試裝置[5采用雙級調(diào)壓方式，使用電子壓力控制器監(jiān)測前端背壓，再通過計(jì)算機(jī)對氣動閥進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，平衡系統(tǒng)運(yùn)行過程中的壓力波動。

1.3.2 新型雙缸圍壓調(diào)控

針對在超高壓條件下因水黏度較低導(dǎo)致背壓較難穩(wěn)定的問題，設(shè)計(jì)了雙缸圍壓調(diào)控裝置，將最高 100MPa 的高壓釜水壓轉(zhuǎn)換為 35MPa 的液動油壓，液壓油端接恒壓油源，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)壓力腔的壓力穩(wěn)定以及控制雙缸切換工作，解決了節(jié)流控制超高圍壓方法而導(dǎo)致節(jié)流口元件易損壞、低黏度水介質(zhì)難控制的難題。工作壓力平衡原理為：

p₀S₀=p_sS₂

式中： p₀ 為恒壓油源工作壓力， Pa . S₀ 為液壓缸上端表面積， m² ; p_s 為高壓釜待設(shè)置的圍壓， Pa ; S₂ 為液壓缸下端表面積， m²

圍壓調(diào)控工作原理如圖4所示。預(yù)設(shè)恒壓油源工作壓力，此時(shí)水/油壓轉(zhuǎn)換裝置活塞處于最下端。隨著高壓釜內(nèi)高壓射流的持續(xù)注入，當(dāng)釜內(nèi)壓力大于入口壓力 p₁ 時(shí)，水力端推動1#缸的活塞向上運(yùn)動至頂端，液壓油將1#缸的活塞快速壓出，排出腔內(nèi)水；之后，1#缸的活塞運(yùn)行至底，水力端開始推動2#缸的活塞向上運(yùn)動。以此循環(huán)保證高壓釜圍壓持續(xù)穩(wěn)定。設(shè)置額定壓力，對于射流源流量波動引起的背壓變化起到補(bǔ)償作用

對比2種不同圍壓調(diào)控方式及原理，新型雙缸圍壓調(diào)控裝置可以作到設(shè)置圍壓數(shù)值前提下的無級調(diào)壓，控制更加精準(zhǔn)，圍壓區(qū)間更大，也更加方便，在形式上更加符合深井井底實(shí)際作業(yè)工況，

2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

為了驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行和圍壓加載方式的可行性，基于新型高圍壓射流試驗(yàn)平臺，開展了 0～50MPa 圍壓下射流動壓影響測試試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1.1 射流噴嘴

因?qū)娮?射流形態(tài)不做研究，選用普通的錐形噴嘴，如圖5所示，其當(dāng)量直徑為 1mm ，錐度為 30^° ，出口圓柱段長 2mm ，噴距 7mm 固定。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集

主要采集入口的壓力和流量、釜內(nèi)的圍壓和靶盤壓力、出口調(diào)節(jié)壓力與流量。實(shí)時(shí)監(jiān)控射流靶盤上6個(gè)點(diǎn)位上受到的壓力，記錄不同圍壓和流量條件下不同位置上射流動壓曲線。數(shù)據(jù)采集界面如圖6所示。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的目的是發(fā)現(xiàn)不同圍壓對流體的射流動壓的影響，重點(diǎn)是 ?20MPa 高圍壓下的差別。主要的試驗(yàn)方式為： ① 在不同圍壓條件下控制相同射流速度，測量其在靶盤上中心位的沖擊壓力；② 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄頻率為每秒1次，每獲得60次數(shù)據(jù)為1個(gè)周期，求取一次數(shù)據(jù)平均值，作為試驗(yàn)結(jié)果用于結(jié)論的分析。

試驗(yàn)前對整體臺架進(jìn)行調(diào)試，通過泵排量和回流排量調(diào)節(jié)，選擇10.00、13.33、15.00、16.67L/min 的射流排量較為合適；圍壓系統(tǒng)設(shè)置：0（淹沒）、5、10、50、 55MPa 。計(jì)算4組排量下的理論射流速度及射流動壓，如表2所示。

3結(jié)果與分析

3.1無圍壓下射流動壓分析

在定噴距條件下，理論射流動壓往往都比試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)要高。依據(jù)《水射流理論及在礦業(yè)工程中的應(yīng)用》中對基本段軸線速度衰減公式的描述[9-10]，計(jì)算出理論值：

式中： v_m 為基本段軸線流速， m/s ； v₀ 為初始段軸線流速， m/s ; R₀ 為噴嘴半徑， mm ; L 為噴嘴圓柱段加測點(diǎn)到噴嘴出口距離， mm . L₀ 為射流核心段長度， mm 。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算，得到了實(shí)際射流動壓與理論對比關(guān)系，如圖7所示。在該測試系統(tǒng)條件下，無圍壓時(shí)，隨著排量由 10.0L/min 提升至16.67L/min ，實(shí)際動壓與理論動壓的偏差系數(shù)由8.54% 增加到了 13.57% 。一方面，動壓偏差的產(chǎn)生可能來源于試驗(yàn)系統(tǒng)本身，包括排量、噴嘴結(jié)構(gòu)、噴距、傳感器等；另一方面，偏差的增加主要可能是因?yàn)殡S著流速的增加，在整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)中的沿程摩阻的增加。整體上，誤差控制穩(wěn)定，滿足科學(xué)評價(jià)要求。

3.2不同圍壓下射流動壓分析

采用該試驗(yàn)系統(tǒng)得到了不同圍壓的試驗(yàn)系統(tǒng)的工作壓力（泵壓），如圖8所示。為了在不同圍壓條件下實(shí)現(xiàn)同等的射流速度，試驗(yàn)泵壓呈線性增加。試驗(yàn)沒有獲取到 10～50MPa 圍壓條件下的結(jié)果，但是總體趨勢已經(jīng)明顯。

不同射流速度時(shí)射流動壓與圍壓的關(guān)系如圖9所示。通過 7mm 靶距位置的靶件壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)得到：射流動壓隨著圍壓增加而減弱，但是隨著圍壓變大而變得平緩，4種不同的試驗(yàn)排量呈現(xiàn)相似的衰減趨勢。

試驗(yàn)暫時(shí)無法明確射流動壓衰減減緩位置，根據(jù)擬合曲線，預(yù)估拐點(diǎn)出現(xiàn)在 10MPa 附近。

4結(jié)論

通過一種新型圍壓加載方式實(shí)現(xiàn)了最高55MPa的井下圍壓模擬環(huán)境，針對系統(tǒng)中可能存在的試驗(yàn)誤差進(jìn)行評估，驗(yàn)證了新型圍壓加載系統(tǒng)的可行性。通過研究射流動壓隨圍壓變化規(guī)律，對高圍壓尺度下的射流動壓特性形成初步認(rèn)識，指導(dǎo)超深井射流作業(yè)，為后續(xù)更高圍壓下的室內(nèi)試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。取得結(jié)論如下：

（1）研制了一種雙缸圍壓調(diào)控裝置，利用液動油壓缸交替作用穩(wěn)定釜內(nèi)水壓的方式，可在釜體模擬井下高圍壓環(huán)境，相比常規(guī)節(jié)流憋壓方式，解決了超高壓節(jié)流導(dǎo)致元件易損壞、低黏度水介質(zhì)難控制的問題。（2）由于噴嘴加工、磨損等不可避免因素，采用該試驗(yàn)系統(tǒng)在淹沒狀態(tài)下測得的無圍壓射流動壓小于理論值，實(shí)際射流動壓與理論動壓存在20%～30% 的偏差。（3）研究發(fā)現(xiàn)，采用新型圍壓調(diào)控裝置，在指定工況下，低圍壓（ 10MPa ）范圍內(nèi)射流動壓衰減明顯，隨著圍壓增加射流動壓衰減幅度逐漸減小。

參考文獻(xiàn)

[1]SHEN Z， SUN Q. Study of pressure attenuation of a sub-merged，nonfreejetandamethodofcalculationforbot-tomhole hydraulic parameters [J]. SPE Drillingamp; Engi-neering，1988，3（1）：69-76.

[2]艾池，沈忠厚．圍壓下射流動壓力分布規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究［J]．石油鉆探技術(shù)，1995（增刊1）：6-7，26，84.AIC，SHEN ZH. Study of pressure distribution in jetsunder ambient pressure condition [J]. Petroleum Drill-ingTechniques，1995（Sup.1）：6-7，26，84.

[3]廖華林，李立冬，易燦，等．圍壓對水射流動力學(xué)特性影響的實(shí)驗(yàn)研究［J]．中國科技論文在線，2009，4（11）：838-843.LIAOHL，LILD，YIC，etal.Experimental studyon impact of ambient pressure on water jetkinetics [J].SciencepaperOnline，2009，4（11）：838-843.

[4] 高曉東．圍壓對水射流沖擊壓力的影響研究［J]．中國科技信息，2013（12）：76，79.GAO X D. Study on the influence of confining pressureonwater jet impact pressure [J].China ScienceandTechnologyInformation，2013（12）：76，79.