径向钻孔喷头破岩成孔流固耦合分析

刘 畅，吴仲华，张俊杰

径向钻孔喷头破岩成孔流固耦合分析

刘 畅1，吴仲华2，张俊杰2

（1．中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580；2．中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257017）①

利用ANSYS软件流固耦合模型对径向钻孔喷头破岩成孔过程进行分析，将CFD软件的内、外流场分析结果导入结构力学分析软件，对破岩成孔过程进行了精确的数值模拟分析。结果显示：在30L／min的入口条件下，喷头能够产生大于破岩临界速度的高压水射流；前向射流旋转切割岩石，反向射流提供反冲力，从而实现自进式破岩。表明该设计方案用于破岩是有效的，该数值模拟方法在分析高压水射流破岩方面是可行的。

径向钻孔喷头；水射流；流固耦合；数值模拟；流场分析

近年来，高压水射流径向钻井技术越来越多地应用于低渗、裂缝性和薄储层油气藏的开采［1-3］。作为径向钻井工具的重要组成之一的喷头，其性能的优劣直接决定了破岩成孔的效果。但由于实际井下作业时破岩过程难以观察，实时数据难以测量，破岩效果难以定量，地面模拟试验较为复杂且设备昂贵［4］。因此，开展水射流流场及破岩的数值模拟分析，对于优化喷头结构，优选水力参数，降低试验成本方面具有重要意义，从而为更好地开发低渗、裂缝性和薄储层等油气藏提供更多理论和技术支持［5-6］。

目前，大多数与高压射流喷头相关的数值模拟文章仅模拟了喷头的内、外部流场分布情况，并未涉及射流冲击力度计算［7］。本文针对所设计的径向钻孔喷头，先应用CF D计算方法得到流场的分布规律，再将流固耦合面上的流体应力作为边界条件作用于固体介质上，通过结构计算方法得到固体介质内部的应力、应变等参数，以期得到更加精确的数值模拟结果，为喷头的优化设计提供依据和指导。

1　水射流破岩临界速度

由动量定理可知，射流冲击物体表面前的动量为ρqu，冲击物体表面后的动量为ρqucosφ。因此射流作用在物体表面上的作用力为［8］：

式中：ρ为流体的密度，kg／m3；q为射流流量，m3／s；u为射流速度，m／s；φ为射流冲击物体表面后离开表面的角度，（°）。

上式表明，射流对物体表面的作用力不仅与射流密度、速度有关，还与射流离开表面时的角度φ有关。角度φ取决于物体表面形状，在径向钻孔作业中，可把孔壁近似看作垂直壁面，则此时夹角φ＝π／2，射流对壁面的作用力为ρqu。

在实际作业中，对物体其破碎作用的是射流对物体的冲击压力，即单位面积上的作用力。射流单位面积上的冲击压力可表示为：

式中：A为受到射流冲击物体截面积，m3。

高压水射流破岩机理中的接触理论认为［9］，普通射流实现破岩的门限压力pc需大于2倍的岩石抗剪强度τs，即

式中：pc为水射流破岩的门限压力，M Pa；τs为岩石抗剪强度，M Pa。

本试验钻入地层深度为2 000m左右，查阅相关资料［10］，该地层位于第三系沙一组，岩石主要成分为泥岩、砂岩、灰岩。室内试验所用冲击靶体为硬砂岩，抗压强度为60．25mPa。一般情况下，岩石的抗剪强度不超过其抗压强度的1／10，因此，取τs＝6．025mPa，则理论破岩临界速度uc＝109．78m／s。对于高压水射流破岩的机理分析，理论界尚无定性的结论，综合看来有气蚀破坏作用、冲击作用、动压力作用、疲劳破坏作用、水楔作用等说法。本文将按由抗剪强度计算出的破岩临界速度uc作为水射流破岩临界速度。

2　多孔喷头结构设计

在径向钻井作业中，喷头需通过转向器进入预定层位，由于转向器的限制，喷头整体尺寸需得到有效控制。本文所设计的旋转喷头顶部结构如图1所示。

图1　径向钻孔喷头截面示意

其中用于破岩的正向喷嘴3个（图1a），为方便表示，从左至右编号分别为top1、top2、top3；反向喷嘴2个（图1b），编号side1，side2。为保证喷头旋转时喷孔喷出的水射流有效冲击范围大于喷头最大外径，喷孔布置方位需要经过特别计算。以喷孔top1为例，top1轴线与竖直方向呈一定的夹角α，当喷头工作时，喷头与壁面之间的最佳喷距一般为5～6倍喷嘴当量直径［11］，以5倍喷嘴当量直径作为喷距，此时喷孔top1的打击直径为1．4d，d为喷头外径，即喷射范围能够包括整个喷头。

当喷头工作时，中心喷嘴top2用于破碎轴线方向的岩石，位于其两边的喷嘴top1、top3旋转切割破碎岩石，喷射时形成2圈剪切破碎圈，侧向切割岩石并协同中心喷嘴破岩。反向喷嘴2个，与竖直方向呈一定角度，当射流喷出时能够产生旋转扭矩，使喷头实现自旋转。反向喷嘴用于克服阻力并提供向前的自进力，喷头前进时的阻力来自正向喷嘴冲击壁面时的反冲力和供水软管前进时受到的流体及碎屑的阻力。

3　喷头流场分析

由于喷头内部流道形状复杂，理论计算往往出现较大偏差，使用计算流体力学数值模拟方法能够得到较为精确的水力参数值。通过对喷头内部水射流流场建模及数值模拟分析得到喷头产生的水射流速度以及喷头外部流场形态，从而验证喷头的喷射效果。

3．1 初始设置及计算

流体设置为水，密度1 000 kg／m3，运动黏度1．003×10－6m2／s，比热容4 182 J／（kg·℃）。入口边界条件设置为质量流量入口，流量值为30 L／min。流场模型其余各表面的边界条件设置各向速度为0。选用标准的kepsilon双方程模型进行湍流分析，设置壁面函数法近壁处理及默认的相关湍流参数。选用SImP L E算法作为压力速度耦合方式，并设置一定的松弛系数，从入口端面开始初始化计算。图2是水射流流场速度云图，表示流场模型内部各点的速度大小，可见正向中心喷嘴出口处射流速度最大，为204．07m／s，已大于上文所推导的水射流破岩临界速度109．78m／s，具有破岩能力。

图2　喷头内部速度场云图

喷头各喷嘴的流量、流速如表1。

表1　喷嘴流量流速

3．2 喷头外流场分析

为了模拟射流喷出喷嘴之后的分布情况，在原来的喷头模型基础上加入了外围流场模型。该模型模拟喷头在淹没条件下喷射的外部流场分布情况。该模型中的外围流场本应为无限空间，但为了计算壁面受力情况，将其简化为类似长方体的结构。淹没条件下水射流流场模型如图3所示。

不同于内部流场分析，淹没条件下的水射流流场分析应对射流出射端面进行重新设置，入口条件同样设置为30L／min。通过求解计算可得，正向喷嘴出射流量11．04L／min，反向喷嘴出射流量18．96L／min，说明在流量分配上各喷孔的孔径设计是合理的。

图3　喷头外部流场示意

为了观察射流出射后的速度，过模型中轴面做速度质点云图（如图4）。从图中可看出，3股前向射流在离开喷嘴之后，速度逐渐减小，冲击到壁面时其质点速度大多都在150m／s以上，该速度也大于之前推导的破岩临界速度uc。从而说明，所设计喷头满足破岩自进的速度要求。

图4　喷头顶部喷嘴射流速度质点云图

4　流固耦合分析

前面的分析认为，文本所设计的喷头能够满足破岩自进的基本要求，产生大于破岩临界速度uc的水射流，并且正向喷嘴射流在速度减小到破岩临界速度uc之前形成的有效冲击直径能够大于喷头的最大外径。那么，这样的射流破碎岩石的效果如何？以及射流冲击的力度有多大，还需要进一步验证，为此需进行水射流破岩过程建模及数值模拟分析。

数值分析使用ANSYS单向耦合计算，先计算流场，再将流体作用力加载到固体上计算固体的相应［12］。所建立的模拟岩石靶体模型如图5所示，模型包含水射流和岩石靶体2部分。模拟岩石靶体分为上、左、右三个区域，分别代表顶部和左右三个壁面（当喷头旋转时喷嘴喷出射流的受力区域为环形区域，此时仅模拟固定时的情况）。计算时岩石靶体外表面固定，以模拟井壁并观察形变情况。

图5　模拟岩石靶体及流场示意

将上文所计算的流体力学结果通过耦合面传递至结构力学分析中，得出水射流冲击岩石时的流场分布规律和应力分布规律，如图6所示。在射流的冲击下顶部靶体上形成3个冲击破碎坑，可以看出中心喷嘴对靶体的冲蚀作用最为强烈，破碎坑最深，这与顶部喷嘴喷出射流的不同出口速度呈线性相关。从图中可看到岩石靶体形变呈环形辐射状，这是因为岩石的抗压强度远大于抗拉强度，岩石表面在水射流冲击下形成拉伸破坏，拉伸裂纹在水射流冲击边缘开始产生，这与许多水射流冲击破岩实验所观察到的在岩石表面存在环向裂纹相吻合［13］。

图6　顶部岩石靶体应变示意

图7为靶体的整体应变图，从图中可知，反向喷嘴对壁面具有类似于顶部喷嘴的冲蚀作用，但冲击力度较小，整体应变低于顶部。这样的结果符合真实情况，在径向钻孔作业中，反向喷嘴是为提供旋转扭矩和自进力从而辅助破岩，通过其喷孔的流量较大而流速相对小，这是为了获得较大的推进力。

图7　岩石靶体整体应变示意

图8为岩石靶体表面应力分布，可以看出，靶体所受最大应力为6．933 8mPa。通过耦合面计算所得的靶体上表面所受冲击力为40．315 N。由于岩石的抗剪强度一般为抗压强度的1／10左右，因此岩石在剪切破坏状态下相对较容易破碎［14］。在水射流冲击作用下，岩石内部存在剪切破坏，形成剪切裂纹，裂纹进一步扩展使碎块脱离岩石基体，形成碗状破碎坑。根据静态弹性破碎理论，最大剪应力在冲击区域正下方产生，并冲击接触区边界周围产生拉应力，由于岩石的抗拉、抗剪强度远小于其抗压强度，虽然射流产生的压应力未达到岩石抗压强度，但拉应力和剪应力却分别超过了岩石的抗拉和抗剪强度极限，从而导致岩石破坏［15］。

图8　岩石靶体应力分布

5　结论

由于高压水射流的高度紊动特性及破岩过程的复杂性，水射流破岩机理的研究一直都是难点问题。在不规则流道形状的前提下，初始条件往往难以定量，运用传统计算公式计算出的水力参数往往和真实情况有较大偏差，因此运用计算流体力学软件可以很好解决上述问题。本文利用ANSYSY软件的集成特性，运用计算流体力学和结构力学进行耦合分析，求解出准确的水力参数，为径向钻井射流喷头的制造提供设计依据。

1） 水射流模拟的结果显示正向喷孔的倾斜布置方式能够保证足够的打击范围，破碎坑面积大于喷头直径，保证喷头能够顺利前进。反向喷孔的偏轴布置方式能够提供旋转力，使喷头自旋。

2） 射流打击力大小与射流出口速度正相关，流道形状和喷孔角度影响射流速度。

3） CFD软件能够很好地模拟出流场特性，如喷头内部流速、流量等，但在计算射流打击力上不准确，利用力学分析软件和CFD软件结合能很好解决这一问题，将流体分析结果传递至力学分析软件，可精确计算射流打击效果。

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Fluid-Structure Interaction Analysis of Radial Hole Drilling Jet Nozzle in Rock Breaking

LIU Chang1，WU Zhonghua2，ZHANG Junjie2
（1．Collgeg of PetroleumEngineering，China Uniuersity of Petroleum（East China），Qingdao266580，China；2．Drilling Technology Research Institute，Shengli Oil Engineering Com pany of Sinopec，Dongying257017，China）

Using the fluidstructure interactionmodelto analysis the rock breaking procedure of radial hole drilling jet nozzle，with the computationalfluid dynamics result ofinside and outside flow field im port into structuralmechanics，a precise numerical sim ulation analysis ofjet rock breakin gcould be observed．The numerical sim ulation resultindicates that，under themassflow inlet condition of 30 L／min，the water jet velocity of the nozzle is over exceed of the rock breaking critical velocity，with forward jetflow revolving cutting the rock and back ward jetflow providing reactive thrust，selfadvancing could be achieved．In conclusion，the nozzle is feasible in breaking rock and this numerical sim ulationmethod is practicalin analysis water jet rock breaking．

radial hole drilling jet nozzle；water jet；fluidstructure interaction；numerical sim ulation；flow field analysis

TE921．1

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．003

10013482（2015）03001005

①2014-08-29

刘畅（1990-），男，湖北武汉人，硕士研究生，现从事油气井工程高压水射流方面研究，Email：silence306tt＠hotmail．com。