劉文川，湯積仁，張慧棟，李怡靜

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室， 重慶 400044;2.重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400044;3.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044)

煤層氣作為煤炭的伴生資源，是非常規(guī)天然氣的重要組成部分，我國煤層氣資源量居世界第3位，其中可采資源量達(dá)12.5萬億m。加快煤層氣開發(fā)利用對保障煤炭安全生產(chǎn)，助力我國“雙碳”戰(zhàn)略實施具有重要意義。

我國煤層賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，多低滲松軟煤層，煤層氣開發(fā)難度大。目前，煤層氣井達(dá)產(chǎn)率僅有50%，且約有一半氣井屬于低產(chǎn)井。羅平亞院士指出煤層氣解吸和擴散速率低下是我國煤層氣地面抽采單井產(chǎn)量過低的主要原因。在煤層中鉆進(jìn)多層分支孔構(gòu)造網(wǎng)狀裂縫，通過井筒聯(lián)通裂縫與大氣環(huán)境，能夠促使基質(zhì)內(nèi)氣體在高壓差條件下迅速解吸、擴散，進(jìn)而大幅度提高單井產(chǎn)量。在受限空間內(nèi)完成小曲率轉(zhuǎn)向鉆進(jìn)是構(gòu)造多層分支孔的關(guān)鍵，自進(jìn)式多孔射流鉆頭結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，在小曲率轉(zhuǎn)向鉆進(jìn)方面更具優(yōu)勢。但基于前期研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)水力化鉆進(jìn)技術(shù)中單束射流作用面積有限，煤體受力不均，致使鉆孔形態(tài)不規(guī)則而誘發(fā)局部應(yīng)力集中，削弱鉆孔穩(wěn)定性。同時，多束水射流同時作用于煤巖時會產(chǎn)生同源應(yīng)力波，同源應(yīng)力波之間的干涉將形成無法互相連通的錐形裂紋，導(dǎo)致凸臺的出現(xiàn)，影響鉆進(jìn)效率。除此以外，由于水對煤層的軟化作用與水鎖效應(yīng)，在實際應(yīng)用中往往會出現(xiàn)塌孔、積水、降低儲層滲透率等導(dǎo)致不產(chǎn)氣、產(chǎn)氣少的問題，在碎粒煤等松軟煤層中此類問題尤為突出。因此，迫切需要提升分支孔鉆進(jìn)的成孔質(zhì)量與效率，為煤層氣高效開采提供切實有效的技術(shù)支撐。

射流形式是影響射流破巖效率及成孔形態(tài)的關(guān)鍵因素。為進(jìn)一步提升破巖效率，目前已經(jīng)在傳統(tǒng)連續(xù)水射流技術(shù)的基礎(chǔ)上形成了脈沖射流、磨料射流、氣液兩相射流、空化射流及相變氣爆射流等多種射流形式，充分利用脈動水錘、相變沖擊效應(yīng)增大射流沖擊壓力，顯著提高了射流破巖效率。為了擴大射流成孔直徑，國內(nèi)外學(xué)者在單噴嘴射流破巖基礎(chǔ)上相繼研發(fā)了組合射流、旋轉(zhuǎn)射流以及直旋混合射流等多噴嘴射流，有效增加了射流沖擊面積。然而，目前關(guān)于脈沖射流、磨料射流等不同射流形式的破巖技術(shù)均基于單噴嘴射流，研究方向集中于提高單點沖擊壓力，但由于沖擊作用區(qū)域有限，難以直接應(yīng)用于鉆進(jìn)；組合射流及旋轉(zhuǎn)射流等雖然可以提高射流沖擊面積，但由于鉆孔及井筒內(nèi)空間受限，超短半徑轉(zhuǎn)向限制了鉆頭尺寸，難以配合額外激勵裝置產(chǎn)生脈動水錘和相變沖擊。因此，如何利用流體自身特性，在不依賴附加裝置的前提下對射流施加可控激勵(擾動)，誘導(dǎo)射流持續(xù)產(chǎn)生脈動水錘和相變沖擊，從而提高受限空間內(nèi)多噴嘴射流破巖效率是射流破巖鉆進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵。李曉紅院士及其科研團隊結(jié)合不同類型射流的優(yōu)點，提出了多相振蕩脈沖磨料射流，利用自激振蕩效應(yīng)產(chǎn)生脈沖射流，并進(jìn)一步加速磨料顆粒，伴隨的空化相變效應(yīng)不僅能夠提升破巖效率，空泡潰滅的聲震和熱效應(yīng)還能促進(jìn)瓦斯解吸，已取得良好的示范效應(yīng)。但自激振蕩依賴于聲學(xué)調(diào)制，因而對噴嘴設(shè)計及控制參數(shù)匹配要求較為嚴(yán)苛，高速射流條件下馬赫數(shù)升高，聲學(xué)調(diào)制更加困難。除了慣性驅(qū)動誘導(dǎo)相變發(fā)生(空化射流)，熱驅(qū)動同樣可以誘導(dǎo)相變的發(fā)生(過熱液體閃沸)。過熱液體是一種處于熱力學(xué)不平衡狀態(tài)的流體介質(zhì)，僅需要微小的擾動即可迅速發(fā)生相變，最終轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖夯旌掀胶鉅顟B(tài)，這種迅速沸騰相變的過程被稱作閃急沸騰，簡稱閃沸。閃沸相變可以將儲存在過熱液體中的相變化學(xué)勢能瞬間釋放，射流體積迅速膨脹，并伴隨著劇烈的熱交換。相較于慣性驅(qū)動相變的空化射流，熱驅(qū)動相變的閃沸射流同樣具有相變沖擊的特性，且兼具作用面積大、沖擊力均衡的特點，在儲層鉆進(jìn)方面具有無限潛能。

為此，筆者在提出過熱液體閃沸噴射鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上，通過引入無量綱參數(shù)分析，建立羽流相互作用調(diào)控準(zhǔn)則，利用羽流間相互作用調(diào)控射流沖擊區(qū)域，實現(xiàn)射流沖擊區(qū)域與沖擊力的動態(tài)匹配，提升鉆進(jìn)成孔質(zhì)量，為過熱液體閃沸噴射鉆頭設(shè)計提供依據(jù)。基于成核能壘與成核速率控制理論學(xué)建立了不同類型過熱液體閃沸噴射作用區(qū)域的歸一化預(yù)測模型，擴展了噴射介質(zhì)類型與相態(tài)的選用范圍，并為過熱液體閃沸噴射鉆進(jìn)工藝參數(shù)選取提供支撐。研究成果可進(jìn)一步豐富煤層氣儲層鉆進(jìn)技術(shù)理論，有利于煤層氣的高效開發(fā)利用，對推動射流鉆進(jìn)技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

1 基于羽流調(diào)控的閃沸噴射鉆進(jìn)原理及優(yōu)勢

1.1 過熱液體閃沸噴射原理及特征

閃沸噴射本質(zhì)上是一種熱驅(qū)動的相變射流，是一個從過熱不穩(wěn)定液態(tài)向氣液兩相穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。如圖1(a)所示，閃沸噴射液體在噴嘴入口處為高壓過冷穩(wěn)定狀態(tài)(點)，經(jīng)過噴嘴高速噴出后液體靜壓在極短的時間內(nèi)降低，直至與環(huán)境壓力平衡，若環(huán)境壓力低于液體溫度對應(yīng)的飽和壓力()，則閃沸噴射液體沿圖1(a)中線進(jìn)入過熱液體亞穩(wěn)定區(qū)域，當(dāng)化學(xué)勢能足以克服成核能壘時則發(fā)生相變，圖中為液體溫度；為臨界溫度。過熱度()是表征閃沸發(fā)生劇烈程度的重要參數(shù)，由式(1)定義，另一個表征過熱度的參數(shù)是指過熱液體在噴射溫度下對應(yīng)的飽和壓力與環(huán)境壓力()的比值，如式(2)所示，取決于液體溫度，和之間存在非線性關(guān)系。當(dāng)>1時，液體即處于過熱狀態(tài)，閃沸劇烈程度隨著的升高而增大。如圖1(b)所示，閃沸伴隨著大量微小氣泡的形成-生長-潰滅，這導(dǎo)致羽流膨脹，并伴隨著劇烈的熱交換，氣液兩相脈動沖擊耦合熱應(yīng)力共同作用于煤體，可有效提高破碎煤巖效率，隨著煤層氣開采深度的增加，持續(xù)升高的地層溫度將使得閃沸噴射沖擊造成的熱應(yīng)力損傷更加顯著。

圖1 過熱液體閃沸噴射過程示意[30,34]

=-

(1)

式中，為液體溫度；為與液體壓力相對應(yīng)的沸騰點溫度。

(2)

1.2 閃沸多孔噴射羽流調(diào)控原理及優(yōu)勢

閃沸是伴隨著劇烈的熱量和質(zhì)量傳遞的相變過程，欠膨脹的過熱流體經(jīng)噴嘴噴出后必然會經(jīng)歷快速膨脹的過程，因而閃沸噴射本身具有作用面積大、沖擊力均衡的特點。對于多孔閃沸噴射，欠膨脹射流從各噴孔噴出后在沿軸向高速運動的同時在閃沸作用下徑向擴張，并卷吸周圍環(huán)境氣體。羽流膨脹使得各羽流間存在相互接觸的可能，相互接觸的羽流阻隔了射流中心與外部環(huán)境氣體的動量交換，并在射流的卷吸作用下形成局部低壓區(qū)，射流中心內(nèi)外壓差推動羽流向內(nèi)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)羽流相互作用足夠劇烈時，各羽流合為一束共同作用于煤巖體，如圖2所示。

圖2 不同羽流間相互作用階段示意

相較于常規(guī)多孔射流鉆進(jìn)，過熱液體多孔閃沸噴射鉆進(jìn)具有以下優(yōu)點：

(1)閃沸噴射本身具有沖擊力均衡的特點，利用閃沸噴射羽流間的相互作用對沖擊作用區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，可避免凸臺的產(chǎn)生，提升成孔圓整性及孔壁穩(wěn)定性(圖3)。

圖3 多孔射流和閃沸噴射沖擊區(qū)域示意[23]

(2)閃沸噴射無需額外射流發(fā)生裝置即可形成多相射流共同作用于煤巖體，協(xié)同熱應(yīng)力進(jìn)一步提升破巖效率。

(3)相變產(chǎn)生的氣液兩相射流不僅能夠削弱水墊效應(yīng)，還有助于沖孔，提高反渣效率。

(4)過熱液體可選擇種類多，使用吸附性強于甲烷的過熱液體，可提高煤層氣采收率。

2 過熱液體閃沸噴射鉆進(jìn)羽流相互作用調(diào)控準(zhǔn)則

羽流間出現(xiàn)劇烈相互作用是閃沸鉆進(jìn)消除凸臺，保證圓整性的前提。羽流間相互作用從宏觀上決定了射流的形態(tài)特征，是決定成孔形態(tài)的核心，從微觀上影響相態(tài)變化及射流的脈動特性，是影響煤巖破碎效率的關(guān)鍵，因此必須明確多孔閃沸噴射羽流相互作用準(zhǔn)則，為鉆頭設(shè)計、噴孔布置及工藝參數(shù)選擇提供依據(jù)，如圖4所示。

圖4 閃沸噴射鉆頭幾何參數(shù)示意

2.1 基于鉆頭幾何結(jié)構(gòu)的調(diào)控指標(biāo)

過熱液體多孔閃沸噴射羽流合為一簇的現(xiàn)象被稱為噴射塌縮，能夠有效避免射流沖擊“空白帶”。LACEY等建立了描述不同過熱條件下羽流相互作用和坍縮行為預(yù)測的理論模型。該模型假設(shè)當(dāng)距離最遠(yuǎn)的2個噴嘴的羽流直徑不小于它們的間距時，就會發(fā)生嚴(yán)重的噴射塌縮，如式(3)所示。

(3)

式中，為噴射塌縮臨界直徑；為相距最遠(yuǎn)兩噴嘴出口軸心距；為噴嘴沿軸向偏轉(zhuǎn)角度。

噴嘴喉部直徑()與噴射塌縮臨界直徑密切相關(guān)，將它們的比例定義為無量綱坍縮參數(shù)：

(4)

多孔閃沸噴射羽流間相互作用的強度可以用羽流卷吸導(dǎo)致的壓降大小表示，壓降越大意味著羽流間相互作用越強烈。的增大會導(dǎo)致沿噴頭軸線壓降的升高，閃沸噴射羽流在高壓力梯度作用下持續(xù)向內(nèi)收縮，直至形成噴射坍縮。對于給定的鉆頭結(jié)構(gòu)，均有相對應(yīng)的，相同條件下，高的鉆頭更容易誘導(dǎo)閃沸坍縮。通過鉆頭幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計改變無量綱參數(shù)是羽流間相互作用調(diào)控的有效途徑。

2.2 基于工況參數(shù)的調(diào)控指標(biāo)

對于分支孔鉆進(jìn)而言，為了保證適當(dāng)?shù)某煽字睆胶推泼盒?，噴嘴喉部直徑、噴嘴偏轉(zhuǎn)角度和最遠(yuǎn)噴嘴間距必須保持在一定的范圍內(nèi)。對于給定的鉆頭，可通過調(diào)節(jié)噴射工況參數(shù)達(dá)到調(diào)控羽流間相互作用的目的。

過熱羽流進(jìn)入環(huán)空的膨脹比取決于過熱液體在噴孔喉部的熱力學(xué)狀態(tài)以及環(huán)空環(huán)境，可通過式(5)計算：

(5)

式中，為噴嘴的羽流膨脹后直徑；為噴嘴出口處膨脹羽流比體積；為噴嘴喉部流體比體積。

(6)

將過熱液體從閃沸噴射鉆頭內(nèi)部進(jìn)入噴嘴喉部的過程視為等熵流動，首先根據(jù)噴射壓力和溫度計算得到噴嘴入口處過熱液體的熵，并基于過熱液體壓焓圖中的等熵膨脹曲線與氣液飽和線確定噴嘴喉部靜壓(圖5)，從而計算得到(,)和。圖5中，，和分別為噴嘴入口處的熵，靜壓和溫度，和分別為噴嘴喉部的焓和靜壓，為過熱液體速度。過熱液體從噴嘴喉部到井底環(huán)空的流動可視為絕熱(不再是等熵)膨脹，因此井底環(huán)空內(nèi)流體的比體積(,)可通過環(huán)境壓力和喉部流體的焓確定。此時基于工況參數(shù)調(diào)控的無量綱參數(shù)可記為

圖5 閃沸噴射單孔流動熱力學(xué)過程示意

(7)

由式(7)可知，在測得井底環(huán)空壓力的基礎(chǔ)上，可以通過調(diào)整射流參數(shù)對無量綱參數(shù)值進(jìn)行調(diào)控，從而實現(xiàn)羽流相互作用程度的調(diào)控。

2.3 羽流相互作用調(diào)控準(zhǔn)則及流場特性

基于以上討論，當(dāng)距離最遠(yuǎn)的2個噴嘴的羽流膨脹后直徑不小于噴射塌縮臨界直徑時即可誘導(dǎo)噴射塌縮的形成，因此=為噴射塌縮臨界條件，則劇烈羽流相互作用準(zhǔn)則可用式(8)表示：

(8)

式中，為羽流間發(fā)生劇烈相互作用的臨界參數(shù)，當(dāng)≥1時羽流間發(fā)生劇烈相互作用。

(9)

式中，為修正后羽流間發(fā)生劇烈相互作用的臨界參數(shù)，當(dāng)≥1時羽流間發(fā)生劇烈相互作用；為參考壓力。

利用修正后的準(zhǔn)則設(shè)計工況參數(shù)，基于光學(xué)診斷技術(shù)(圖6)分析不同羽流相互作用階段流場宏微觀特性，并驗證調(diào)控準(zhǔn)則的普適性。

光學(xué)診斷實驗包含高速攝影實驗和激光多普勒測試實驗，其中高速攝影實驗可捕捉閃沸噴射流場宏觀形態(tài)，而相位多普勒測試實驗則用于獲取流場微觀特性。高速攝影實驗系統(tǒng)包括噴射液體、環(huán)境氣體以及冷卻液3套循環(huán)系統(tǒng)(圖6)，以及噴射和拍攝同步觸發(fā)系統(tǒng)。拍攝頻率固定為26 143 幀/s，光源為鹵素?zé)簦淝胺桨惭b有均光板，以保證測試區(qū)域光線均勻進(jìn)入。可視化射流釜容積為17 L，采用高壓液氮罐和真空泵控制環(huán)境壓力，環(huán)境溫度通過壁面加熱控制，試驗系統(tǒng)中壓力傳感器和溫度傳感器精度分別為0.25%和0.75%。多孔噴嘴安裝在可視化射流釜上部，射流壓力和溫度通過PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)精確控制?；贛ATLAB通過自主編程對實驗圖像進(jìn)行處理提取定量數(shù)據(jù)，首先將高速攝影圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖，根據(jù)全局閾值將圖像二值化識別流場邊界并計算噴射錐角，為了保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種工況重復(fù)拍攝6次，將6次實驗得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后即可得到最終的噴射錐角。

圖6 過熱液體閃沸噴射可視化試驗系統(tǒng)

由于不同液體間飽和壓力存在差異，相同噴射溫度及環(huán)境壓力下不同類型過熱液體處于不同相互作用階段(圖7)。

圖7 閃沸噴射不同羽流相互作用階段宏觀形態(tài)

圖8 不同噴射溫度下羽流相互作用宏觀形態(tài)

在宏觀形態(tài)分析的基礎(chǔ)上，開展激光多普勒測試實驗捕捉流場微觀特征，相位多普勒測試采用與高速攝影實驗相同的噴嘴及循環(huán)系統(tǒng)，并增加激光發(fā)射器和相位多普勒(PDA)接收器(圖6紅框)，激光頻率為40.0 MHz，光束直徑1.35 mm，測量位置位于噴嘴出口下方15 mm，測點掃描步長為1 mm，測量區(qū)域長度20 mm，每個測點重復(fù)噴射300次以保證采集數(shù)量滿足統(tǒng)計學(xué)要求。利用自主開發(fā)的程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，得到能夠表征與液滴群具有相同總體積和總表面積且粒度均勻的索特平均直徑()，其計算由式(10)給出。實驗結(jié)果如圖9所示，液滴隨閃沸的劇烈程度增加而減小，劇烈相互作用出現(xiàn)時，時空分布更均衡，進(jìn)一步提升沖擊力的均衡性。

圖9 不同羽流相互作用階段閃沸噴射液滴SMD分布

(10)

式中，為有效捕捉的第個液滴；為采集時間內(nèi)捕捉到的液滴總數(shù)。

羽流間劇烈相互作用削弱了各羽流間向徑向擴展的能力，這將顯著減小閃沸噴射錐角。因此，在=90處測量了不同條件下的噴射錐角。如圖10所示，不同類型過熱液體噴射錐角均在=1附近達(dá)到最小值。當(dāng)≥1時，各羽流合為一束，可通過調(diào)節(jié)噴射參數(shù)實現(xiàn)沖擊區(qū)域面積與沖擊力的動態(tài)匹配，達(dá)到鉆進(jìn)質(zhì)量與效率間的平衡。

圖10 不同羽流相互作用階段閃沸噴射錐角變化趨勢

3 閃沸噴射沖擊區(qū)域直徑預(yù)測模型及參數(shù)選取依據(jù)

3.1 沖擊區(qū)域直徑預(yù)測模型

靶距是影響射流破巖效率的關(guān)鍵因素，最優(yōu)靶距通常在<20范圍內(nèi)，而劇烈閃沸作用下，噴嘴近出口區(qū)域(<20)流場主要由閃沸特性決定，而近噴嘴區(qū)域閃沸噴射有效作用區(qū)域直徑?jīng)Q定了鉆孔直徑(圖11)，因而必須建立不同液體介質(zhì)、不同工況參數(shù)的預(yù)測模型，為滿足工程實際中工況參數(shù)的制定提供依據(jù)。為建立不依賴于噴孔出口直徑的預(yù)測模型，引入對基于圖像處理的得到的進(jìn)行無量綱化，本節(jié)內(nèi)寬度測量位置為=6。

圖11 閃沸噴射鉆進(jìn)示意

相變化學(xué)勢能是閃沸相變的廣義驅(qū)動力，由式(11)計算。圖12對比了無量綱沖擊區(qū)域直徑與相變化學(xué)勢的對應(yīng)關(guān)系。隨著相變化學(xué)勢的增加，2種過熱液體的無量綱沖擊直徑均呈現(xiàn)增長趨勢，但仍能觀察到不同類型過熱液體間無量綱沖擊直徑的差異，表明相變化學(xué)不是影響閃沸噴射沖擊區(qū)域直徑的唯一因素。

圖12 不同相變化學(xué)勢下閃沸噴射沖擊區(qū)域直徑變化

Δ=ln

(11)

式中，為玻爾茲曼常數(shù);為噴射液體溫度。

圖13 不同過熱度下閃沸噴射沖擊區(qū)域直徑變化

(12)

(13)

(14)

圖14 閃沸噴射沖擊區(qū)域直徑隨無量綱參數(shù)的變化

由于成核阻礙效應(yīng)，3種過熱液體均呈現(xiàn)對數(shù)增長趨勢，但不同液體間預(yù)測曲線仍存在較大差異，難以實現(xiàn)歸一化。為了擴展預(yù)測模型的普適性，根據(jù)等熵膨脹理論，計算得到噴嘴喉部參數(shù)(比體積和溫度),引入摩爾質(zhì)量和阿伏伽德羅常數(shù)，計算基于等熵膨脹的無量綱表面張力:

(15)

(16)

=()

(17)

(18)

圖15 預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比

3.2 模型普適性驗證及工藝參數(shù)制定

綜上，對于給定的鉆頭結(jié)構(gòu)及環(huán)空壓力，可通過調(diào)節(jié)噴射溫度對羽流相互作用進(jìn)行調(diào)控。噴射壓力的確定與破煤門限壓力密切相關(guān)。事實上，噴射壓力不僅影響破煤能力，對于鉆頭喉部熱力學(xué)參數(shù)也有重要影響，如圖16所示。

圖16 不同噴射壓力下過熱液體等熵膨脹曲線變化

圖17 不同噴射壓力和環(huán)境壓力下閃沸噴射沖擊區(qū)域直徑變化

除了噴射壓力，靶距也是影響破巖效果的重要因素。為了進(jìn)一步擴展模型普適性，選取3種過熱液體進(jìn)行了閃沸噴射實驗，并在=12靶距位置分別測量了3種液體的沖擊區(qū)域直徑，結(jié)果如圖18所示，同樣能夠得到歸一化預(yù)測結(jié)果，進(jìn)一步驗證了該模型的普適性。

圖18 靶距為12dt時閃沸噴射沖擊區(qū)域直徑分布

因此，本節(jié)提出的閃沸噴射沖擊區(qū)域直徑預(yù)測模型對于不同過熱液體類型、不同噴射壓力及溫度、不同環(huán)境壓力和不同靶距位置處的閃沸噴射沖擊區(qū)域直徑預(yù)測均有較好的適用性。

4 可行性及適用性分析

4.1 可行性分析

過熱液體閃沸噴射破碎煤巖是將該技術(shù)應(yīng)用于煤儲層分支孔鉆進(jìn)的前提，前期已開展閃沸噴射(單噴孔)流場高速攝影實驗和破煤實驗。實驗系統(tǒng)主要包括過熱液體(CO)供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻液化系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和回收系統(tǒng)，如圖19所示。閃沸噴射流場高速攝影實驗在高壓可視化射流釜中開展(圖20)，射流釜最高工作壓力60 MPa，環(huán)境壓力通過安裝在釜內(nèi)的壓力傳感器和排氣口的恒壓閥控制。實驗使用的高速攝像機為 PHANTOM V2012型，內(nèi)存128 G，曝光時間14 μs，頻率40 000 Hz，通過環(huán)境壓力的調(diào)節(jié)實現(xiàn)不同過熱度噴射。實驗結(jié)果如圖21所示，噴射錐角隨著過熱度的增大而增加，表明通過調(diào)節(jié)過熱度實現(xiàn)射流作用面積的調(diào)控是切實可行的。

圖19 過熱液體閃沸噴射破煤試驗系統(tǒng)

圖20 流場拍攝實驗裝置

圖21 過熱液體閃沸噴射自由流場

煤巖破碎實驗同樣基于過熱液體閃沸噴射實驗系統(tǒng)(圖19)開展，實驗系統(tǒng)最大工作壓力可達(dá)100 MPa，冷卻液化系統(tǒng)可將介質(zhì)冷卻至273.15 K，滿足過熱噴射要求。噴嘴安裝在破煤釜內(nèi)，釜內(nèi)壓力可通過背壓閥調(diào)節(jié)。不同噴射壓力下閃沸射流破煤效果如圖22所示，結(jié)果表明高過熱度條件下仍能實現(xiàn)較好的破碎效果。雖然噴射壓力對羽流徑向擴展影響較為有限，但對破巖性能有重要影響，后續(xù)研究需進(jìn)一步優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)、噴孔布置以及工藝參數(shù)，更好地服務(wù)于我國能源高效開采。

圖22 過熱液體閃沸噴射破煤效果

4.2 適用性分析

閃沸噴射由于氣體的產(chǎn)生，在提升沖擊均衡性的同時，動量通量不可避免地由于射流混合密度減小而有所削弱，因而其在煤等低強度儲層鉆進(jìn)過程中工藝參數(shù)可調(diào)范圍更為廣泛。對于頁巖、致密砂巖等相對堅硬儲層，可通過提升噴射壓力或加入磨料顆粒實現(xiàn)高效鉆進(jìn)。磨料射流破巖的決定性因素是射流對磨料的加速性能。閃沸噴射伴隨著劇烈的相變，由于氣液密度差，閃沸噴射將顯著提升氣體射流速度，進(jìn)而加速磨料顆粒，將相變化學(xué)勢能轉(zhuǎn)化為磨料顆粒沖擊動能，降低了磨料射流對高噴射壓力的依賴性。因此，可針對堅硬礦巖具體特征，匹配過熱液體閃沸噴射工況參數(shù)，發(fā)展出針對堅硬礦巖的過熱液體閃沸磨料噴射開采掘進(jìn)技術(shù)。

筆者建立的調(diào)控準(zhǔn)則及預(yù)測模型均基于等熵膨脹及噴嘴喉部熱力學(xué)參數(shù)，對于液體介質(zhì)的可壓縮性及是否跨越超臨界點沒有限制，因而可進(jìn)一步擴展該技術(shù)的應(yīng)用范圍。下面以液態(tài)/超臨界態(tài)CO為例進(jìn)行了初步分析：

根據(jù)CO壓焓曲線(圖23)，液態(tài)CO能夠在多個溫壓條件下形成欠膨脹射流，具備在井底環(huán)空中形成閃沸坍縮并進(jìn)行羽流相互作用調(diào)控的條件。閃沸噴射破巖是多相脈動沖擊-熱應(yīng)力共同作用于巖體，在提升破巖效率的同時可通過競爭吸附進(jìn)一步提高采收率。

圖23 液態(tài)CO2壓焓示意

5 結(jié) 論

(1)提出將過熱液體閃沸噴射應(yīng)用于煤層氣開采的分支孔鉆進(jìn)技術(shù)，通過調(diào)控羽流間相互作用誘導(dǎo)閃沸噴射坍縮現(xiàn)象，有效避免沖擊“空白帶”的產(chǎn)生，進(jìn)一步提高成孔圓整性及孔壁穩(wěn)定性。

(2)基于等熵-絕熱兩階段模型得到了閃沸噴射鉆頭幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)和工況參數(shù)調(diào)控指標(biāo)，建立了考慮環(huán)境壓力的羽流相互作用調(diào)控準(zhǔn)則，并基于光學(xué)診斷實驗驗證了準(zhǔn)則的普適性，以及依據(jù)該準(zhǔn)則動態(tài)匹配沖擊力與有效作用區(qū)域的可行性。

(3)閃沸噴射沖擊范圍由射流徑向擴展決定，相變化學(xué)勢、液體表面張力均對射流的徑向擴展有重要影響?；诔珊四芰縿輭炯俺珊怂俾士刂评碚撎岢隽诵碌臒o量綱參數(shù)，能夠有效預(yù)測不同液體類型、不同噴射參數(shù)、不同靶距下的閃沸噴射沖擊區(qū)域無量綱直徑。

本研究提出的羽流相互作用調(diào)控準(zhǔn)則及沖擊區(qū)域直徑預(yù)測模型均基于等熵膨脹及噴嘴喉部熱力學(xué)參數(shù)，因而對液體介質(zhì)的壓縮性及相態(tài)沒有限制，可將其擴展于超臨界流體噴射等方面，進(jìn)一步服務(wù)于我國深部能源安全高效開采。