喷射钻井中风琴管空化射流提速规律分析

席宝滨，侯树刚，兰 凯，李帮民，高德利

(1中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院2中国石油大学石油工程教育部重点实验室·北京)

在国际油价低位震荡的背景下，通过技术进步实现钻井提速提效成为油气上游投资降本增效的关注焦点，考虑到现有钻探设备及提速措施，并参考水力－机械比能钻速方程［1－3］，提高钻头水力能量利用率的喷射钻井技术较为经济可靠，而喷嘴的有效使用为该技术关键。目前，喷射钻井常用喷嘴有加长常规喷嘴、风琴管空化喷嘴、旋流喷嘴、自激振荡脉冲喷嘴等［4－7］，而风琴管空化喷嘴由于其结构简单、空泡溃灭能量大等优点受到广大学者的一致青睐。李根生等［8－10］对常压下淹没空化射流进行了实验研究，认为空化喷嘴的冲蚀效果明显优于常规喷嘴;还进行了空化射流提高钻井速度的可行性研究，认为利用空泡溃灭产生的强大破坏作用和振动冲击波来提高清洗、切割和钻探的效率其效果是显著的也是可行的。易灿等［11］通过实验采用较高射流压力(＞70 MPa)研究了围压对空化射流冲蚀性能影响，认为围压2 MPa时冲蚀效果最佳，空化射流冲蚀质量约为同等条件下常规喷嘴的1～2倍。前人对风琴管空化射流的研究取得了丰硕的成果，但是随着石油钻井朝着精细化迈进，研究成果与喷射钻井现场实际工况存在一定差距。前人研究一般基于常压或者小围压，且围压加载方式为三轴压力相同的拟三轴加压方式，与井底岩石真实环境压力不符。因此，为了更好的指导喷射钻井技术在现场的有效应用，本文采用成熟风琴管空化喷嘴结构设计，首先，通过数值模拟进行围压对风琴管空化射流特性影响分析;其次，通过室内实验开展空化喷嘴与常规喷嘴射流破岩效率对比，确定风琴管空化射流特性与破岩效率相关性。

一、空化射流数值模拟

1．几何模型

如图1所示，谐振腔长度为L2、直径为D2，上部与长度为L1、直径为D1的来流管相连，下部与直径为d、扩张角 α的出流管相连，其中，(D1/D2)2、(D2/d)2分别构成谐振腔入口、出口收缩截面。根据成熟风琴管空化喷嘴结构设计，本文中使用结构参数见表1。

图1风琴管空化喷嘴几何模型

表1风琴管空化喷嘴结构参数

2．数模结果与分析

风琴管空化射流有着较长的喷距及明显的空化能力和速度脉动能力。

2．1速度分布云图及空化体积分量云图

速度分布云图及空化体积分量云图如图2、图3所示。从图2、图3可以看出，一定围压下，风琴管空化射流存在等速核，本例中其长度为70 mm，是喷嘴出口直径的7倍;风琴管空化射流有一定空化能力，空化等量核长与等速核长相当。因此，风琴管空化射流最优无因次喷距(喷距与出口直径比值)为7，是常规喷嘴最优无因次喷距的1．4～2．3倍。

图2围压5 MPa下空化射流流场速度分布云图

图3围压5 MPa下空化体积分量分布云图

2．2围压对空化射流空化能力影响规律

以最优无因次喷距处射流对称轴上的点为参考点，即图2中点(0．13，0)，分析该处空化体积分量随时间变化规律，及空化体积分量随不同围压变化规律，如图4、图5所示。

由于风琴管空化喷嘴结构特点，7倍无因次喷距处空化体积分量随喷射时间呈现周期性变化，且变化明显，空化体积分量具有明显脉动特性;此外，空化体积分量随围压的增大呈明显的减小趋势，10 MPa以后几乎为零，表明围压对喷嘴空化能力有明显抑制作用。

图4空化体积分量随时间变化规律

图5空化体积分量随围压变化规律

2．3围压对速度脉动幅度影响规律

同样以点(0．13，0)为参考点，分析该处射流速度随时间变化规律，及速度脉动幅度随不同围压变化规律，如图6、图7所示。

图6射流速度随时间变化规律

图7速度脉动幅度随围压变化规律

从图6、图7中可以看出，7倍无因次喷距处射流速度最高可达251 m/s，随喷射时间呈现周期性变化，且变化明显，速度振幅可达44 m/s，是入口流速的1．8倍，射流速度具有明显脉动特性;速度脉动幅度随着围压的增大呈现先快速增大后缓慢下降最后急速下降至平缓的特点，最大值出现在围压为3 MPa附近，围压高于10 MPa后，速度脉动幅度不再明显，表明围压对空化射流速度脉动能力抑制明显。

通过以上数模结果不难发现，风琴管空化射流有着较大的最优喷距，有一定的空化能力及速度脉动能力，但是井底环境压力对其空化能力及速度脉动能力有着明显的抑制作用。为了更直观更真实的反应围压对空化射流的影响，通过射流破岩模拟实验来进行进一步研究。

二、室内射流破岩模拟实验

1．实验装置与实验方法

1．1实验装置

实验全部在真三轴高围压射流破岩规律模拟实验装置上完成，装置主要由4大系统构成:中心管控制系统、围压釜加压系统、流体供给系统、数据采集及控制系统，如图8所示。

图8真三轴高围压射流破岩规律模拟实验装置

1．2实验方法

以模拟西北工区某油田一定埋深处岩石物性的311 mm×311 mm×311 mm人造岩心为实验对象，以清水为实验用射流介质，分别采用出口直径为2.4 mm的风琴管空化喷嘴与常规喷嘴进行实验。实验共进行8组，每组实验都采用固定围压模拟井底真实压力环境，通过8个不同射流速度进行射流破岩，形成8个喷射点，具体设计见表2。

表2实验设计参数

2．实验结果与分析

风琴管空化射流实验结果如图9所示。

2．1静液柱压力对空化射流破岩效率影响

从图9中可以看出，同组不同喷射速度形成的喷射点深度有明显差距;从组1到组4，随着人造岩心模拟井深从0 m增加到1 500 m，空化射流破岩效率逐渐降低，具体见图10。

2．2空化喷嘴与常规喷嘴对比

对相同条件下空化喷嘴与常规喷嘴射流破岩效率开展分析，如图11所示。

图9风琴管空化射流实验结果

图10不同速度下破岩深度随静液柱压力变化规律

从图11发现，两种喷嘴射流破岩效率随射流速度变化趋势一致，都随射流速度的增加呈现从无法破岩到平缓增加然后急速增加的趋势，但是，相同条件下，两种喷嘴射流破岩效率差距随静液柱压力的增大逐渐减小直至几乎相当。本例中，当静液柱压力0 MPa时，空化射流破岩效率为常规射流的1.8倍左右，如图11(a)所示;当静液柱压力5 MPa时，空化射流破岩效率为常规射流的1．4倍左右，如图11(b)所示;当静液柱压力≥10 MPa时，空化射流破岩效率与常规射流一致，如图11(c)、图11(d)所示。

图11真实井底环境下空化喷嘴与常规喷嘴射流破岩效率对比分析

三、结论

(1)风琴管空化喷嘴最优喷距为常规喷嘴的1.4～2．3倍，并有利于破岩的空化能力及速度脉动能力。

(2)井底静液柱压力对风琴管空化射流空化能力、速度脉动能力及破岩效率抑制明显，当压力达到一定值时，风琴管空化喷嘴与常规喷嘴的射流特性及破岩效率几乎一致，射流特性与破岩效率表现出强相关性。