天然气水合物风琴管喷嘴空化冲击特性研究

张 辛 葛家旺 高嘉宝 孟 翔

(中国石油大学(华东)机电工程学院)

0 引 言

我国南海神狐海域天然气水合物沉积层具有弱胶结、渗透性差及非成岩等特点，采用现有的开采方法很难实现效率与经济的均衡，需要进行储层改造以提升天然气水合物低渗透储层的生产性能[1-3]。空化射流是近年来发展起来的新型射流，目前已经普遍应用于石油领域。当流场局部压力低于当前温度下液体饱和蒸汽压时，液体中产生空泡的过程被称为空化。空化气泡发生溃灭，会产生高频的压力波，天然气水合物储层吸收空化产生的压力波能量，从而产生微裂纹[4-7]。因此，空化射流技术作为储层改造方式，可以提高天然气水合物储层的局部渗透率和孔隙度，提高开采效率。

空化射流主要依靠空化喷嘴产生，国内外常用的一种喷嘴结构是风琴管喷嘴，大量学者对这种结构喷嘴进行了仿真研究与试验验证。赵新泽等[8]对风琴管喷嘴的结构进行改进，设计了圆弧段扩张口径，并采用流体仿真软件对喷嘴进行流场分析，结果表明，风琴管喷嘴空化效果显著。韩健等[9]将打击试验与噪声分析方法相结合，分析了风琴管喷嘴的空化特性，结果表明，风琴管喷嘴能产生高频压力振荡并促进空化射流的产生。孙军等[10]研究风琴管喷嘴出口段内表面结构对空化特性的影响，对管道内表面凸起结构完成流场压力分析，结果表明，凸起的存在对近壁面流场压力有显著影响，凸起达到一定数量时，压力波动呈现出类似交变变化。张修占等[11]采用数值模拟与试验研究相结合的方法，研究风琴管喷嘴射流冲击特性，结果表明，合理选择射流靶距使空泡充分发展，可以有效增强风琴管喷嘴的冲击性能。于海涛等[12]利用Fluent软件对风琴管喷嘴空化特性展开研究，结果表明，适当增加风琴管喷嘴扩散段长度可以增强空化作用。

以上研究表明，风琴管喷嘴具有优异的空化效果。然而目前对空化射流的研究主要应用于高压清洗和石油钻采方面，在天然气水合物开采领域还鲜有提及，针对空化射流在天然气水合物储层高围压条件下的应用，需要进一步研究风琴管喷嘴的空化冲击性能。为此，笔者建立了风琴管喷嘴模型，通过Fluent流体仿真软件开展风琴管喷嘴空化的模拟研究，根据风琴管喷嘴的速度分布、压力分布及气相体积分数分布等流场特征，研究围压条件下风琴管喷嘴的空化性能；搭建空化射流冲击套管试验装置，分析围压条件下喷嘴内腔结构参数对风琴管喷嘴冲击效果的影响规律，以期为天然气水合物储层条件下空化射流的应用提供理论依据。

1 数值模型建立

1.1 数学模型

空化射流涉及液体相变过程，因此空化射流属于气液两相流，同时也属于湍流流动，本文选取混合模型和RNGk-ε湍流模型进行计算。混合模型计算精度高，收敛速度快，符合空化特性的计算要求[13-14]。RNGk-ε湍流模型不但在漩涡计算方面精度高，而且可以很好地模拟空化喷嘴近壁区域的空化现象[15-17]，所以选择RNGk-ε湍流模型完成空化现象的仿真运算。混合模型的连续方程为：

(1)

1.2 喷嘴几何参数

依据瞬态流理论对风琴管喷嘴进行结构设计，喷嘴主要结构尺寸如图1所示，入口段直径D1=26 mm，入口段长度L1=8 mm；谐振腔直径D2=8 mm，谐振腔长度L2=21 mm；圆柱段直径D3=4 mm，圆柱段长度L3=7 mm；扩散段长度L4=14 mm，扩散段角度α=60°。流体在入口段流入，经过谐振腔时产生共振，促进大结构分离环状涡流的产生，增强空化作用。

图1 喷嘴主要结构尺寸示意图Fig.1 Main structure and dimension of nozzle

1.3 边界条件

图2 喷嘴计算域Fig.2 Calculation domain of nozzle

设置喷嘴出口为压力出口，研究围压作用下流体的空化特性。为保证流体能够从出口正常流出，需要保证进出口存在一定的压力差，设置喷嘴入口为压力入口。进出口的射流湍流强度均设为5%。选择压力-速度耦合求解算法为SIMPLEC，采用二阶迎风离散格式，压力方程采用PRESTO！，近壁面区域采用壁面函数法处理[19-20]。

1.4 网格划分

采用Meshing对计算域进行网格划分，生成面网格最小尺寸为0.1 mm。为了提高计算效率，对流体重要流动区域的网格局部加密[21]。网格单元质量数值范围为0～1，数值越接近于1，网格单元质量越高。通过网格无关性分析，计算域划分网格单元质量均大于0.9，网格单元质量优异，满足运算要求。

2 数值模拟结果与分析

2.1 风琴管喷嘴空化特性

图3为入口压力30 MPa、围压5 MPa时风琴管喷嘴速度分布云图。由图3可见，流体速度在喷嘴的圆柱段达到较高水平，后经喷嘴扩散段形成高速射流。在流体喷出圆柱段的初始阶段，存在喷嘴轴线速度保持不变的核心区，随着高速射流的逐渐扩张，射流能量逐渐衰减，等速核心区消失。等速核心区内保持较大的轴向速度，有利于射流完成冲击破碎[22]；同时根据伯努利方程，具有高流速的等速核心区内压力较低，有利于空化泡的产生。

图3 风琴管喷嘴速度分布云图Fig.3 Nephogram for velocity distribution of organ-pipe nozzle

图3中局部放大部分为外流场初始阶段流体速度矢量。由图3可见，在扩张段出口处存在回流现象，这是由于高速射流与外流场静止流体发生剪切作用，从而在流体作用区域形成漩涡。漩涡中心的压力低于周围压力，在促进空化泡生长的同时，有利于空化泡在外流场的运输，使空化泡在更远距离溃灭，增强空化泡的冲蚀作用。

空化现象产生的前提是存在局部低压区，因此对围压条件下风琴管喷嘴形成的压力场进行分析。图4为入口压力30 MPa、围压5 MPa时风琴管喷嘴压力分布云图。由图4可见，在风琴管喷嘴内部存在明显的低压区域，且均集中在圆柱段，圆柱段大部分区域的压力都处于负压状态，形成“负压区”。圆柱段内“负压区”对于空化非常关键，“负压区”内流体局部绝对压力小于当前温度下饱和蒸汽压，流体中的气核在“负压区”迅速膨胀，在流体内部形成含有水蒸气的空化泡[23]。产生“负压区”是由于圆柱段的突缩结构，使圆柱段流速迅速升高，从而产生压降。

图4 风琴管喷嘴压力云图Fig.4 Nephogram for pressure of organ-pipe nozzle

2.2 不同围压对空化特性的影响

由压力分布云图可知，风琴管喷嘴内部负压值是空化产生的关键因素，所以保持入口压力30 MPa，使围压分别为0、5、10及15 MPa，分析围压对风琴管喷嘴内部负压值的影响。图5为不同围压下风琴管喷嘴内部产生的最小负压值。由图5可见：随着围压的增大，风琴管喷嘴内部产生的最小负压值逐渐上升，且围压达到的水平越高，最小负压值随围压变化的范围越明显；当围压从0提高至5 MPa时最小负压值仅上升0.04 MPa，而围压从10 MPa提高至15 MPa时最小负压值上升0.38 MPa，“负压区”中负压值越小，流体中越容易形成大尺寸的空泡。因此，在一定的围压范围内，风琴管喷嘴内部能产生负压，从而实现空化泡的初生；但是高围压条件在一定程度上会抑制风琴管喷嘴空化“负压区”的极值。

图5 风琴管喷嘴内部最小负压值Fig.5 Minimum negative pressure inside organ-pipe nozzle

空化现象一旦发生，流体就会变成气液两相流，所以通过气相云图可以观察空化区域的大小。图6为同一时刻风琴管喷嘴在不同围压下的气相体积分数分布云图。云图颜色越深，表明这个区域的含气体积分数越大[24]。由图6可见：在不同围压作用下，内流场和外流场均产生大量气体，产生的气体沿轴心线呈对称分布；随着围压的提升，同一时刻外流场产生的气体区域面积逐渐减小，这意味着随水射流到达冲击目标的空泡数目减少，空泡溃灭产生的能量衰减。造成这种现象主要有以下2个原因：一是喷嘴出口高围压的扰动，空化泡在风琴管喷嘴内部的初生受到限制，从而在风管琴喷嘴内部产生的空泡数量较少，随水射流到达外流场的空泡数目便相对减少；二是外部环境较高的压力，使空化泡不能充分流动发展，大量空化泡在外流场的初始阶段便因为高压作用而溃灭。因此，针对高围压条件下的空化射流，可以合理控制射流靶距。

图6 同一时刻不同围压下喷嘴气相体积分数分布云图Fig.6 Nephogram for gas phase volume fraction distribution of nozzle under different confining pressures at the same time

2.3 不同谐振腔直径对空化特性的影响

风琴管喷嘴的谐振腔对于空化泡初生起关键性作用。保持入口压力30 MPa、围压5 MPa，使谐振腔直径分别为8、10、12和14 mm，分析谐振腔直径对风琴管喷嘴气相分布的影响。图7为不同谐振腔直径喷嘴在外流场产生空泡的最大轴向长度和最大径向长度。由图7可见，在不同时刻，喷嘴在外流场产生的空泡数量明显不同，T=2 ms时外流场中空泡的最大轴向长度和最大径向长度均大于T=1 ms时。这主要是由于空化泡的形成、发展、破裂需要一定的时间。随着谐振腔直径不断变大，同一时刻外流场产生的空泡数量呈现先增大后减小的趋势，当谐振腔直径为10 mm时，外流场中产生的空泡数量最多。由此可见，谐振腔直径在一定范围内存在最优值，此时风琴管喷嘴有更优异的空化性能。

图7 外流场空泡长度Fig.7 Cavitation bubble length in external flow field

3 空化射流冲击套管试验

为了验证围压下风琴管喷嘴的空化冲击效果，以套管为冲击靶物搭建试验装置，对不同谐振腔直径的风琴管喷嘴开展冲击套管试验。

3.1 试验装置

图8为围压条件下风琴管喷嘴冲击套管试验装置流程图。由图8可见，混砂车完成磨料和清水的混合，泵车加压将射流介质送至高压管线，最后进入空化喷嘴完成射流切割内套管。多组喷嘴均匀地布置在喷枪上，同时射流冲击内套管。试压泵的主要作用是将液体注入内外套管形成的环空间隙，为内套管提供围压，其上安装有压力表，可以观察并确保围压准确；内套管如果被射流冲穿，压力表数值变动；快速接头与排气阀的主要作用是排除内外套管形成的环空间隙中的气体。内套管采用N80石油钢管，壁厚14.27 mm。

图8 试验装置流程图Fig.8 Flow chart of test device

3.2 试验结果与分析

保持试验条件不变，以相同时间内射流对内套管的冲击坑深度为判断依据，对不同谐振腔直径的风琴管喷嘴冲击性能进行评估，谐振腔直径分别为8、10、12和14 mm。

图9为相同时间内不同谐振腔直径风琴管喷嘴对套管的冲击形貌。

图9 不同冲击坑形貌Fig.9 Morphologies of different impact pits

由图9可见，不同谐振腔直径的风琴管喷嘴产生的冲击坑大小明显不同，谐振腔直径为10 mm的喷嘴形成的冲击坑最大，谐振腔直径为8 mm的喷嘴形成的冲击坑最小。由此得出，谐振腔直径会对风琴管喷嘴的空化冲击效果产生显著影响。

对不同喷嘴产生冲击坑的深度进行测量，图10为不同谐振腔直径风琴管喷嘴产生的冲击坑深度变化曲线。

图10 不同冲击坑深度变化曲线Fig.10 Variation of different impact pit depths

由图10可见：谐振腔直径8 mm的风琴管喷嘴产生的冲击坑深度最小，冲击坑的深度仅为7.4 mm；谐振腔直径10 mm的风琴管喷嘴产生的冲击坑深度最大，冲击坑的深度达到11.0 mm。相比之下，两者形成的冲击坑深度存在很大差值，相对于谐振腔直径8 mm喷嘴，谐振腔直径10 mm喷嘴产生的冲击坑深度增加了48.6%。这与数值模拟结果一致，验证了仿真结果的准确性。

4 结 论

(1)围压条件下风琴管喷嘴在内流场产生明显的“负压区”，有利于空化泡的初生，在外流场产生漩涡低压区，可以促进空化泡的生长扩散，从而产生更强的射流冲击力。

(2)高围压在一定程度上会抑制风琴管喷嘴空化“负压区”的极值，保持其他条件不变的情况下，围压值越大，外流场中产生的空泡数量越少。由于外部环境较高的压力，存在空化泡在外流场的初始阶段便因为高压作用而溃灭，所以针对高围压条件下的空化射流，可以合理控制射流靶距，减少未到达冲击目标而破裂的空泡数目，形成冲蚀能力更强的空化射流。

(3)风琴管喷嘴的谐振腔直径明显影响喷嘴的射流冲击能力。在一定范围内，随着谐振腔直径变大，同一时刻外流场产生的空泡数量呈现先增大后减小的趋势。与谐振腔直径8 mm的喷嘴相比，相同时间内谐振腔直径为10 mm的喷嘴对套管产生的冲击坑深度增加48.6%。