海上小井眼脉冲空化射流发生器射流特性室内试验研究

兰起超,李根生,史怀忠,韦明辉,师帅帅

(油气资源与探测国家重点实验室,中国石油大学(北京),北京 102249)

0 引 言

随着油气勘探开发越来越多的向深部地层、深海、低渗超低渗和低丰度边际油气方向发展，机械钻速低、钻井周期长、钻井成本升高和井身结构复杂等问题越来越突出[1-3]。如何有效解决这些问题成为国内外钻井工作者研究的重点[4-6]。已进行的现场应用表明水力脉冲空化射流技术是一种有效的提高机械钻速的方法[7-8]。近年来，简单的井身结构——小井眼单通道井也已被证实可以高效开发边际油田，尤其是海上边际油田[9-11]。研发与之相配套的小尺寸水力脉冲空化射流工具对进一步节约开发成本有重要意义。

到目前为止，针对水力脉冲空化射流发生器射流特性的试验研究，李根生[12]等通过现场试验地面测试立管压力波动曲线间接计算出了不同试验排量下的脉动压力、频率和压耗，得出了脉动压力、频率和压耗均随排量的增大而升高的结论。马东军[13-14]等通过室内实验和数值模拟研究了入口流量和叶轮叶片结构对水力脉冲空化射流发生器产生的脉动压力振幅的影响，得出了3叶片叶轮(同4、6叶片相比)调制出脉冲射流的脉动压力振幅较大的结果。然而，压力脉动频率、入出口压力脉动振幅和工具压耗等对钻井工具优选、提速效果及水力参数设计有重要意义的参数特性的室内测试与规律分析还未进行，针对工具产生的空化射流特性的研究亦属空白。根据研制成功的178、198和228mm 3种尺寸工具的现场应用[15]可知，通过室内试验测定不同排量下小尺寸工具不同射流参数的数值将对工具未来的现场应用有重要的参考作用。鉴于此，本文通过室内试验对小尺寸水力脉冲空化射流发生器的射流特性进行比较全面的研究和分析，并揭示其钻井提速机理。

1 室内试验

1.1试验工具结构及工作原理

小尺寸水力脉冲空化射流发生器的结构主要包括壳体和芯子(导流体、叶轮、叶轮座、叶轮轴和自激振荡喷嘴)，具体结构如图1所示。流体经过装置上部进入导流体，经导流体的斜坡通道改变流速和方向从而对叶轮叶片产生切向力使叶轮高速旋转。叶轮通过轴安装在叶轮座上，在流体对叶片冲击力作用下，叶轮高速旋转连续改变流道面积从而产生截断式脉冲射流，当流体经过自激振荡喷嘴时，被自激振荡腔室调制产生空化射流，最后两种射流耦合成脉冲空化复合射流由喷嘴喷出。

1.2试验装置

小尺寸(120mm)水力脉冲空化射流发生器；4个量程为5MPa(精度0.5级)的压力传感器；美国NI公司生产的PCI-6259数据采集卡及配套的数据采集系统(采样时间：0.005～1s)；试验用泵为BQ700型撬装泵(最大排量650L/min，最大工作压力60MPa)，试验介质为水。试验装置连接如图2所示。

(a) 试验工具结构

(b) 试验工具照片

图2 试验装置连接简图

1.3试验方法

本试验用数据采集系统工作原理为：在一定排量下，采集测量点不同时刻的静压力。因此，为真实并完整描述压力脉动曲线规律，必须确定试验用采样周期。由于最大排量下叶轮转速最高，对应脉动曲线的周期最小，所以本实验采用最大排量下确定的采样周期可以满足小排量下测量数据的真实性。由于试验用泵排量的限制，试验最大排量设为10L/s。采样周期的确定方法为：通过改变数据采集系统2个测量时间点的时间间隔(采样时间)，得到不同采样时间下的试验工具出口压力脉动曲线，当在相同时间内两个脉动曲线上的脉动周期数和脉动幅值相同时，认为采集的数据稳定性和精确度满足要求。为保证数据采集系统采集工作稳定，本次试验采样周期采用两种采样时间中的最大者。

采样周期下，测取不同排量下的数据，对工具产生的射流特性进行室内试验研究(由于采集系统采样时间限制，该试验未研究自激振荡喷嘴结构等影响参数)。

2 试验结果与分析

2.1试验工具脉动频率分析

井下脉冲射流发生装置的使用对于井下仪器特别是带有脉冲信号传输仪器的使用有较大影响，因此分析本试验工具产生的脉动频率对于井下工具的选型有重要意义。

在采样时间分别取0.1、0.05、0.01和0.005s，泥浆泵排量设为10L/s时的试验条件下进行脉冲喷射试验。其中采样时间为0.01和0.005s时试验工具出口压力P随时间的脉动关系如图3所示。

由图3可知，采样时间为0.01和0.005s时，在相同的时间间隔(0.5s)内出现了相同数量(4个)的压力脉动周期，且压力脉动曲线和压力脉冲幅值都比较近似，因此可以判断10L/s排量下的采样周期为0.01s。并且通过在0.5s的时间间隔内出现4个压力脉动周期可计算出在10L/s的排量条件下，试验工具—小尺寸水力脉冲空化射流发生器的脉动周期为0.125s，即脉动频率为8Hz。

采样周期0.01s时，试验工具脉动频率随排量变化关系曲线如图4所示。

由图4可知，小尺寸水力脉冲空化射流发生器的脉动频率与排量存在线性增大关系。这是因为小尺寸水力脉冲空化射流发生器内的叶轮采用圆周均布的6叶片结构，排量一定时叶轮基本有一个相对稳定的转速，当排量增大一倍时，单位时间需要通过叶轮的流体体积增大一倍，则需要叶轮转速相应增大一倍，因此叶轮转速与排量存在线性增大关系。当叶轮旋转一周时，叶轮叶片周期性的改变流体通过流道截面积6次，即测得脉动频率是叶轮转数的6倍，所以脉动频率与排量也呈线性增大关系。

(a) 采样时间为0.01s

(b) 采样时间为0.005s

图4 试验工具脉动频率随排量变化关系曲线

2.2试验工具入口、出口压力脉动振幅分析

水力脉冲发生装置调制的脉动压力能有效改善井底岩屑的压持效应，提高井底清岩效率进而提高钻速。而压力脉动振幅是影响清岩效率的重要参数，因此分析试验工具入口和出口压力脉动振幅具有重要意义。

采样周期0.01s时，试验工具入口和出口压力脉动振幅pp1和pp2与排量关系曲线如图5所示，排量为10L/s时试验工具入口和出口的压力脉动曲线如图6所示。

由图5可以看出，小尺寸水力脉冲空化射流发生器的入口和出口压力脉动振幅与排量之间均呈增大关系，且出口压力脉动振幅大于入口压力脉动振幅。这是因为随排量增大，输送的流体动能也随之增大，导流体出口处流体速度和动能也随之增大，当叶轮旋转时，有更多的流体动能不断地转化成流体压能，导致工具出口脉动压力振幅也随入口流量呈增大趋势。由于自激振荡喷嘴的自激振荡腔室对流体的脉动信号有放大的作用，所以产生出口压力脉动振幅大于入口压力脉动振幅的结果。

图5 工具入口、出口压力脉动振幅与排量关系曲线

图6 工具入口、出口压力随时间变化曲线

由图6可以看出小尺寸水力脉冲空化射流发生器的入口和出口压力脉动曲线的趋势是相同的，这是由于试验流体(水)的不可压缩性导致的。

2.3试验工具压耗分析

钻井工具的压耗对于钻井水力参数设计有重要意义，而小尺寸水力脉冲空化射流发生器是在钻进单通道小井眼时采用，因此压耗的测试更为关键。

采样周期0.01s时，试验工具装配芯子前后的压耗pc与排量的关系曲线如图7所示。

由图7可以看出，装配芯子的小尺寸水力脉冲空化射流发生器的压耗与排量存在2次增大关系。在钻井过程中，钻井液流体通过喷嘴等流道收缩段时会由于阻力作用损耗一部分能量，产生压耗，该压耗可以用喷嘴压降计算公式(1)计算得出。小尺寸水力脉冲空化射流发生器的压耗等于以下2部分压降之和：

(1) 工具自激振荡喷嘴压降的计算公式为：

(1)

式中：Δp为压降，MPa；ρ为泥浆密度，g/cm3；Q为排量，L/s；C为喷嘴流量系数，取0.95；d为喷嘴当量直径，cm。

图7 试验工具压耗与排量关系曲线

(2) 叶轮间隙压降：由于叶轮间隙是矩形，将其转化成喷嘴圆形的当量直径模式，再用工具喷嘴压降计算公式(1)计算。

因此，小尺寸水力脉冲空化射流发生器的压耗与排量的关系为pc∝Q2，即存在2次增大关系。

2.4自激振荡喷嘴射流特性

为了进一步研究小尺寸水力脉冲空化射流发生器的工作原理，测试了只保留自激振荡喷嘴(无导流体和叶轮总成)时工具出口的射流特性。

采样周期0.01s，排量10L/s时，测得装配自激振荡喷嘴前后的工具出口压力脉动随时间变化关系曲线如图8所示，流体经过有、无自激振荡喷嘴试验工具时出口射流对比如图9所示。

图8 装配自激振荡喷嘴前后工具出口脉动特性曲线对比

(a) 未安装自激振荡喷嘴出口射流 (b) 安装自激振荡喷嘴出口射流

由图8可知，未装配自激振荡喷嘴的工具出口产生了正常的圆管近出口端的小幅正压力(数值为测量点至圆管出口压耗)，而装配自激振荡喷嘴的工具出口产生了比较明显的负压。这是因为自激振荡腔室的结构对流体的自激共振作用使流体内部局部压力降低，而工具出口端为大气压力，所以测得压力表现为负压力。

由图9中安装自激振荡喷嘴前后射流特性对比可知，流体通过自激振荡喷嘴后呈“发散状”喷射，产生了较明显的空化现象。这是由于自激振荡腔室内的负压促生了流体内部空泡的形成与发展，当流体从出口喷射接触大气后，流体内的大量空泡破裂使流体发散喷射，表现为空化现象。

3 提速机理分析

3.1脉冲射流提高清岩效应

脉冲射流主要由叶轮旋转周期性的改变流体流道面积(截断式)产生，在钻井过程中，与连续射流相比，井底的脉动射流可以改变井底流场的压力状况，迫使岩屑翻转、启动并及时脱离井底，提高井底的净化程度，减少由于压持效应引起的岩石重复切削，进而提高清岩效率。其力学分析如下文所述。

井底岩屑的压持效应模型如图10所示，井底岩屑受钻井液循环压耗Δpa和静液柱压力pb共同作用，表示为pb+Δpa；独立岩屑与岩石母体间的孔隙压力pp。当pb+Δpa>pp时，岩屑脱离井底必须受到水平推力的作用。该水平推力可近似由摩擦定律表示如下：

τi=μ·(pb+Δpa-pp+W)

(2)

式中：pb为静液柱压力，MPa；Δpa为钻井液循环压耗，MPa；pp为岩屑与岩石母体间的孔隙压力，MPa；W为岩屑重量，kg；μ为摩擦系数。

图10 井底岩屑的压持效应模型

当脉冲射流使井底出现负压脉冲Δpb时，井底岩屑所受的总压持力(pb+Δpa-pp+Δpb+W)降低，由公式(2)可知岩屑脱离井底所需的横向推力也降低。

井底负压脉冲Δpb的绝对值与本试验工具产生的出口压力脉动振幅成正相关。因此，由公式(2)可知，出口压力脉动振幅越大，岩屑脱离井底所需的横向推力越低，清岩效率也越高。

3.2空化射流提高破岩效率

空化射流主要由基于风琴管谐振腔原理设计的自激振荡喷嘴通过流体共振调制产生。对于空化现象，现在还难以给出一个简明而严格的定义。一般把液体内部局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体的空穴(空泡)的形成、发展和溃灭过程称为空化[16]。当携带大量空泡的空化射流从钻头孔眼喷出到井底接触岩石表面时，空泡会发生溃灭过程。由于空泡溃灭过程发生于瞬间(微秒级)，在局部产生极高的瞬时压力作用在岩石表面附近，水流中不断溃灭的空泡所产生的极高压力引起的反复冲击作用(也称空蚀作用)，使岩石表面产生破坏，提高破岩效率。

本文所采用试验工具不仅巧妙地结合了脉冲射流与空化射流的技术优势，而且使两种射流实现了互生互利的技术效果：截断式脉冲射流的负压可以促进空化的产生，而自激振荡腔室能够对截断式脉冲射流产生放大作用，最终最大限度的释放了流体能量，提高了破岩与清岩效率，进而提高钻井的机械钻速。

4 结 论

利用室内试验研究了小尺寸水力脉冲空化射流发生器的射流特性，并分析了其提速机理，得到如下结论：

(1) 小尺寸水力脉冲空化射流发生器能将连续射流调制成脉冲和空化复合射流，最大限度地释放了流体能量，能有效提高钻井的机械钻速。

(2) 脉冲空化射流的脉动频率与排量呈线性增大关系，入口和出口压力脉动振幅随排量增大而呈增大趋势，工具压耗与排量呈2次增大关系。

(3) 自激振荡喷嘴的主要作用是产生负压和空化，负压有利于空穴的形成与发展，促生空化现象。

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作者简介:

兰起超(1989-)，男，黑龙江大庆人，硕士研究生。研究方向：油气井流体力学与工程。通信地址：北京市昌平区中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室(102249)。E-mail：lanqc0910@163.com