一种负压清洗装置喷嘴形状的流速分析

周宗赣 龚均云

摘  要：该文针对井底残留的碎屑及细小零件，提出用一种负压清洗装置来进行清理。该装置上的射流短节的喷嘴通过喷射清洗液体以达到清理目的。为此，针对4种不同形状轮廓的喷嘴，使用Fluent软件进行清水液体的模拟仿真，得到了4种喷嘴类型的速度分布云圖和速度曲线。结果表明，这几种喷嘴都能将清水加速近60倍，其中漏斗型喷嘴的加速效果最高，达到了59.8 m/s。

关键词：负压清洗  喷嘴结构  参数设计  流体分析

中图分类号：TE927.9                      文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）05（a）-0071-03

Abstract： In this paper， a negative pressure cleaning device is proposed to clean the residual debris and small parts at the bottom of the well. On the device， the nozzle of the jet sub ejects the cleaning liquid for cleaning. For this reason， the Fluent software is used to simulate the clear water liquid for four kinds of nozzles with different shapes and contours， and the velocity distribution nephogram and velocity curve of four nozzle types are obtained. The results show that these nozzles can accelerate water nearly 60 times， and the funnel nozzle has the highest acceleration effect， reaching 59.8m/s， which has the best acceleration effect.

Key Words： Negative pressure cleaning; Nozzle structure; Parameter design; Fluid analysis

在完井过程中，井底残留的碎屑及细小零件会严重影响后续油气的开采进度，同时为了避免给之后的下井设备造成影响和损害，需要一种工具能够及时有效地将这些碎屑及细小零件打捞清理干净[1-2]。为此，该文提出了一种基于负压清洗井底清洗装置，来清理井底碎屑及细小零件，利用装置中的射流短节，来实现井底局部反循环洗井[3-4]。这种清洗方式主要动力来源于清洗液，因此需要对清洗液的喷嘴形状进行速度上的研究，通过Fluent进行模拟仿真，寻找出有最好加速效果的喷嘴形状[5]。

1  清洗装置介绍

该装置是一种井下清理碎屑的清理装置（见图1）。该装置主要分为3个部分：射流短节、打捞装置以及搅动装置。射流短节就是将上方分散的液体集中之后再喷射出去的装置，为此次研究的主要部分;打捞装置就是清洗液在裹挟着的碎屑和细小零件通过时，使清洗液与碎屑和细小零件分离及收集的装置;搅动装置则是一根搅拌棒，在井底不停旋转，将较大的零件或与井底粘住的物体搅动起来，处于悬浮状态，便于清洗液的裹挟。右箭头线段表示清洗液体出去的路线，在射流短节经由喷嘴射出之后，通过清洗工具和井壁的间隙冲向井底，在井底顺着左箭头方向继续运动。在运动的过程中，会在井底形成一个回流，清洗液体就会裹挟着被搅起的细小零件和碎屑进入到打捞装置内部。在通过打捞装置内部时，由于细小零件和碎屑体积较大，会被筛网留在打捞装置的空腔中。由于打捞篮属于单向开合，所以在提起清洗装置时，细小零件和碎屑也不会掉落出去。清洗液体继续向上运动，然后再通过装置将清洗液体收集到射流短节，循环往复，直至将井底清洗干净。

在这个清洗装置中，射流短节产生的射流速度是影响整个工具打捞效果和效率的重要因素，只有清洗液体被加速到一定值时，才有足够的能量继续裹挟碎屑向上运动。因此，对射流短节不同的喷嘴形状做流体速度研究，保证射流短节能够达到满足清理要求的速度，有助于实现井底的局部反循环洗井。

2  喷嘴几何模型的前处理与仿真

喷嘴的形状变化各种各样，对于加速而言的喷嘴，可以利用喷嘴的截面由大到小的变化，将较大管道的流体集中到细小的口径喷射出去，使流体能够达到需要的初速度，实现清洗的目的[6]。常见的有锥直型喷嘴，但是这种类型的喷嘴线条平直，对于流体而言会有较大的阻力管道损失，效率比较低下，为此引入余弦型、高斯窗型和漏斗型的喷嘴做相同条件下的仿真分析实验，来得到能将流体加速最好的喷嘴形状。对于这几种不同形状喷嘴，通过查阅文献可知其函数表达式如下[7]。

其中，Y（x）为曲线Y方向上的距离，单位为mm[8]。x为X方向上的距离，长度为0～L2，单位为mm。利用Excel编辑好公式，然后细分每一个节点为0.02，然后可以得到2 000个坐标点的数据文件，然后将这些文件导入三维建模软件Solidworks中，得到曲线形状，从而获得各个喷嘴的三维模型。其三维模型的剖视图，如图2所示。

在进行流速变化分析时，采用控制变量法。设置模型的入口直径为19 mm，入口段长度为40 mm，出口直径为2.5 mm。对于模拟分析，将模型导入到ANSYS软件中，由于喷嘴模型为圆周对称形状，为了减少计算量，采用一半的镜像计算即可。划分网格之后如图3所示。在设置参数时，入口速度均设为1 m/s，使用的流体为清水，无温度设定，采用标准的k-ε方程，出口压力和其余设置均设为默认值。

3  喷嘴仿真结果

通过ANSYS Workbench中的Fluent模块对这几种不同形状喷嘴的进行模拟仿真之后，得到的镜像面的速度分布云图如图4所示，在中心水平处的速度曲线如图5所示。

在图4中可以看到，这几种喷嘴的流速变换都是发生在管道缩小的区域，并且在管道缩小区域的末端达到速度的最高值。在云图中可以看到各喷嘴的最高平均速度，分别为锥直型喷嘴为58.9 m/s，高斯窗型喷嘴为59.1 m/s，漏斗型喷嘴为58.9 m/s，余弦型喷嘴为58.1 m/s。在这4种不同形状轮廓的喷嘴中，通过速度分布云图可知，这几种类型的喷嘴都能将初速度为1 m/s的清水加速到将近60 m/s，有近60倍的加速效果。通过图5速度曲线可以看到，漏斗形喷嘴内的流体在开始时随着距离的变化，其速度变化的情况比其他类型喷嘴更加明显。

4  结语

在这几种不同形状的喷嘴中，漏斗形喷嘴出口处产生的速度最高，平均速度也是大于其他形状的喷嘴，并且在噴嘴前端就有一定的加速效果，即有更好的加速效果，对于井底的清洗会有更高的动能，能够在清洗井底的碎屑时，提供更多的能量，从而能够实现更高的清洗效率。结果说明，漏斗形喷嘴在清洗井底中的碎屑和细小零件会有更好的效果。

参考文献

[1] 李亚龙，刘先贵，胡志明，等.页岩气水平井产能预测数值模型综述[J].地球科学进展，2020，35（4）：350-362.

[2] 王晓龙.修井用磨铣打捞器结构设计与研究[D].长江大学，2020.

[3] 李大用.反循环钻探技术的应用与发展[J].探矿工程，1980（1）：24-26，15.

[4] 王小兵，龚浩宇，李森，等.泡沫流体反循环洗井携屑能力研究[J].石油机械，2020，48（9）：67-74.

[5] 邓志安，马旭东，沈海静，等.不同形状喷嘴的射流清洗数值模拟研究[J].石油机械，2014，42（4）：81-84.

[6] 杨文志，安文斌，王建英.高压水射流喷嘴不同轮廓曲线的设计优化[J].煤矿机械，2019，40（10）：117-121.

[7] 刘文杰，程晓阳.基于Fluent的高压水射流喷嘴优化模拟研究[J].能源与环保，2020，42（5）：14-18.

[8] 高贵军，邢亚东，王迎樑.喉嘴段收缩半角对液气射流泵流场特性影响的数值研究[J].真空科学与技术学报，2020，40（2）：174-179.