張強(qiáng) 王文強(qiáng) 車陽 任憲可 馬群 汪彥龍

摘要：現(xiàn)有柔性鉆具鉆井技術(shù)和水力噴射徑向鉆井技術(shù)在控制鉆進(jìn)方向上存在困難或有局限性。為實現(xiàn)鉆井導(dǎo)向可控，設(shè)計了一種能夠水力導(dǎo)向的高壓射流噴嘴結(jié)構(gòu)。建立導(dǎo)向噴嘴流體數(shù)值模型，利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行流場分析，研究噴嘴傾角、噴嘴直徑、噴嘴開啟個數(shù)等參數(shù)對導(dǎo)向力、射流速度的定量關(guān)系，給出了導(dǎo)向力方向確定方法。結(jié)果表明：隨著關(guān)閉噴嘴個數(shù)的增加，噴嘴導(dǎo)向力呈指數(shù)逐漸增大；軸向傾角越大，噴嘴導(dǎo)向力和最大噴射速度越大；噴嘴內(nèi)徑減小時，導(dǎo)向力和噴射速度都顯著增大。通過數(shù)值模擬驗證了射流噴嘴水力導(dǎo)向的可行性，分析結(jié)果和導(dǎo)向力的擬合公式對水力導(dǎo)向噴嘴鉆進(jìn)方向的研究具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：水力徑向鉆井；高壓射流；導(dǎo)向噴嘴；導(dǎo)向力；數(shù)值模擬

中圖分類號：TE921.202文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi： 10.3969/j.issn.10013482.2024.02.004

我國東部老油田含水量逐年升高，剩余油層位置儲量較高，但分布較散，現(xiàn)有開采技術(shù)不能完全滿足剩余油藏開采［1］。傳統(tǒng)的螺桿鉆具組合，曲率半徑較大，不適用老井枯井的開采［2］。柔性鉆具鉆井技術(shù)憑借其鉆進(jìn)周期短，曲率半徑小，廣泛用于挖潛剩余油［34］。高壓水力噴射徑向鉆井技術(shù)通過噴嘴射流來增加卸油通道，且曲率半徑小，適用于老井新鉆，提高了產(chǎn)出率［5］。前人對水力射流徑向鉆井技術(shù)做了很多研究，易燦［6］研究總結(jié)噴嘴結(jié)構(gòu)對射流的影響，指出提高噴嘴效率的方法。畢剛等［78］對噴嘴自進(jìn)力、反推特性影響因素進(jìn)行分析，給出最優(yōu)噴嘴設(shè)計結(jié)構(gòu)。劉巨保［9］對磨料噴嘴固液兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬，給出最佳射流的錐形噴嘴。吳成懷等［1011］改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬的方法分析了噴嘴影響因素。李敬彬［12］推導(dǎo)出噴嘴流量系數(shù)，并通過實驗給出了最佳孔眼組合。祝效華［13］對4+1噴頭模型進(jìn)行多組仿真，給出噴嘴最優(yōu)參數(shù)。

第53卷第2期張強(qiáng)，等：柔性鉆具水力導(dǎo)向射流噴嘴流場分析石油礦場機(jī)械2024年3月整理以上文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，前人對于老井剩余油藏開采方式，主要為柔性鉆具鉆井技術(shù)、高壓水射流鉆井技術(shù)。但是，柔性鉆具鉆進(jìn)方向由導(dǎo)向篩管控制，延伸能力有限。高壓水射流鉆井井眼尺寸過小，井眼軌跡紊亂。兩種技術(shù)均不能完全滿足開采需求。基于此，筆者設(shè)計一種能夠?qū)虻母邏荷淞鲊娮炷Ｐ?，噴嘴搭配柔性鉆具組合使用。采用數(shù)值模擬方法，通過改變噴嘴傾角、噴嘴直徑、噴嘴開啟個數(shù)等參數(shù)，來研究噴嘴導(dǎo)向力、噴射速度的定量關(guān)系。分析導(dǎo)向噴嘴的導(dǎo)向機(jī)理，并給出導(dǎo)向力的求解方法。水力導(dǎo)向可為老油田開發(fā)增產(chǎn)、鉆井導(dǎo)向提供參考。

1噴嘴結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向力理論計算

1.1導(dǎo)向射流噴嘴結(jié)構(gòu)

圖1為導(dǎo)向射流噴嘴幾何機(jī)構(gòu)，噴嘴主要結(jié)構(gòu)為8個均勻分布的前側(cè)噴嘴，與軸向傾角α本文取20°、30°、45°，為安裝鉆頭心軸，噴嘴中部為貫穿通孔，入口流道截面為圓形，內(nèi)徑d1=8 mm，d2=4 mm，長l=8 mm，入口深度h=24 mm。高壓流體從噴嘴流道入口流入，在填滿整個腔室后，從8個出口噴出。

圖1導(dǎo)向噴嘴幾何結(jié)構(gòu)模型

圖2為導(dǎo)向噴嘴在鉆具組合中的位置。非旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)向噴嘴、控制系統(tǒng)、非旋轉(zhuǎn)軸套等組成，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)通過非旋轉(zhuǎn)軸套與旋轉(zhuǎn)心軸連接，柔性鉆具通過旋轉(zhuǎn)葉輪傳遞扭矩、鉆壓至旋轉(zhuǎn)心軸。實際鉆進(jìn)中，由于非旋轉(zhuǎn)軸套與軸承存在，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不隨鉆頭旋轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)通過控制開關(guān)的啟閉來控制噴嘴開閉，故能得到不同大小和方向的水力導(dǎo)向力。

1—柔性鉆桿；2—過度連接；3—軸承；4—旋轉(zhuǎn)葉輪；5—軸承套；6—傳感系統(tǒng)；

7—控制系統(tǒng)；8—導(dǎo)向噴嘴；9—旋轉(zhuǎn)心軸；10—鉆頭；11—非旋轉(zhuǎn)軸套；12—密封套。

圖2水力導(dǎo)向裝置原理圖

1.2理論單噴嘴導(dǎo)向力

噴嘴出口噴出高壓流體，產(chǎn)生較大的噴射力，同時噴嘴會受到相等的反推力。單噴嘴導(dǎo)向力是噴嘴受到反推力的徑向分力，而反推力軸向分力能夠沖洗巖屑和輔助切削的作用，各噴嘴徑向分力在導(dǎo)向方向的合力，即為噴嘴受到的導(dǎo)向力。欲求得噴嘴導(dǎo)向力，需首先求解出單噴嘴受到反推力。

根據(jù)高軍紅［14］噴嘴反推力計算公式，推出單噴嘴出口時導(dǎo)向力計算公式：

Fr=ρv22A2sinα? ? ? ? ? ?（1）

式中：Fr為噴嘴導(dǎo)向力，N；ρ為流體密度，kg/s；α為噴嘴傾角，（°）；A2為噴嘴出口截面積，m3；v2為噴嘴出口平均速度，m/s。

根據(jù)王常斌［15］應(yīng)用流體力學(xué)知識及動量定理，得到反推力公式，推出單噴嘴出口時導(dǎo)向力計算公式：

Fr=ρv21-d21-d22d23sinα? ? （2）

式中：q為流體積流量，L/min；d1為噴嘴入口外徑，m；d2為噴嘴入口內(nèi)徑，m；d3為噴嘴出口內(nèi)徑，m。

2噴嘴數(shù)值模擬模型

2.1流體域模型及邊界條件

2.1.1模型假設(shè)

為了簡化分析，本文提出以下基本假設(shè)：

1）整個流體為不可壓縮、穩(wěn)定粘性流體，體積不發(fā)生變化。

2）每個出口的射流速度等于出口截面平均速度。

3）流量穩(wěn)定且不考慮噴嘴熱傳導(dǎo)。

圖3為根據(jù)噴嘴幾何模型，建立的導(dǎo)向噴嘴計算模型。為模擬噴嘴實際工作工況，使用計算流體動力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行流場模擬。

圖3噴嘴數(shù)值模型

2.1.2邊界條件

入口邊界采用質(zhì)量流量入口，泵壓為60 MPa，排量為150 L/min，出口內(nèi)徑為3 mm，噴嘴軸向傾角為45°。求解域內(nèi)流體全部為水，密度為1 000 kg/m3，出口壓力為大氣壓，壁面為無滑移邊界。

2.2導(dǎo)向噴嘴網(wǎng)格劃分

采用有限體積法進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，主要考慮因素有邊界層設(shè)置、噴管處的面網(wǎng)格尺寸、入口面和出口面的面網(wǎng)格尺寸和體網(wǎng)格尺寸。水力導(dǎo)向射流噴嘴分為噴嘴內(nèi)流場和外環(huán)空流體域流場，噴嘴內(nèi)流場特性相對復(fù)雜，故整個流體域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，需對噴嘴出口壁面進(jìn)行面網(wǎng)格尺寸控制，噴嘴面劃分邊界層網(wǎng)格，考慮網(wǎng)格劃分對分析結(jié)果的影響。為提高計算結(jié)果的精確度，需對計算域進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。在同一模型上使用不同的網(wǎng)格間距，然后比較噴嘴的出口壓強(qiáng)與速度，改變網(wǎng)格尺寸共得到6組方案，如表1所示。

為了較好展示不同網(wǎng)格下的壓降和噴射力變化情況，根據(jù)表1方案組得出不同網(wǎng)格下的壓強(qiáng)與速度曲線圖，如圖4所示。

由圖4結(jié)合表1可知，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，出口壓強(qiáng)的變化比較明顯，在方案組3之后，變化趨于平穩(wěn)，維持在2.34 MP左右，對比可知到方案組3和方案組4的出口壓強(qiáng)誤差為-0.08%。出口速度整體變化不大，誤差為0.12%。誤差均在3%以內(nèi)。方案組3已經(jīng)滿足計算穩(wěn)定要求，綜合考慮，在保證計算達(dá)到穩(wěn)定的同時，選用網(wǎng)格數(shù)量較少的模型，因此選用方案組3的82.8×104網(wǎng)格數(shù)量模型。

方案組3設(shè)置為：8個噴嘴管處流體域的面網(wǎng)格尺寸為0.2 mm。初始厚度為0.2 mm，邊界層層數(shù)為5，厚度增長率為1。體網(wǎng)格尺寸為10 mm，圖5為劃分后網(wǎng)格圖。

2.3流體力學(xué)基本方程

2.3.1連續(xù)方程

對于不可壓縮流體，流體密度ρ保持不變，即ρt=0直角坐標(biāo)系下質(zhì)量連續(xù)方程可以表示為［16］：

2.3.2控制方程

本文采用Realizable kε湍流模型，Realizable kε湍流模型可以很好地預(yù)測旋轉(zhuǎn)流計算、有壓力梯度的邊界層計算和分離、回流計算。在近壁面處理中采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，該方法應(yīng)用廣泛，精度合理，計算結(jié)果更加符合實際。湍動能及運(yùn)輸方程如下［18］：

式中：k為湍流動能；ε為湍動耗散率；σk，σε為湍流動能k湍動耗散率ε的普朗特數(shù)，軟件中默認(rèn)值為σk=1.0、σε=1.2；xi、xj為位置坐標(biāo)分量；ui為速度坐標(biāo)分量；Gk為平均速度梯度引起的湍流動能k生成項；μ為流體動力粘性系數(shù)。湍流黏性系數(shù)μ=ρCμk2/σε，Cμ為模型常數(shù)，C2=1.9。

3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1數(shù)值模擬驗證

采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值模擬，所有噴嘴全部打開，噴嘴傾角為45°，出口內(nèi)徑3 mm，入口流量150 L/min，得出了單個噴嘴導(dǎo)向力，與理論公式（1）～（2）計算結(jié)果對比，如圖6所示。理論計算得到導(dǎo)向力和數(shù)值模擬結(jié)果最大誤差在5%以內(nèi)，說明吻合度較好。故本文采用的模擬方法，可以作為射流噴嘴導(dǎo)向力的評估依據(jù)。

在導(dǎo)向過程中，需要關(guān)閉不同部分噴嘴出口，來得到不同方向的導(dǎo)向力，會導(dǎo)致水力導(dǎo)向噴嘴內(nèi)流場發(fā)生變化，理論公式不適用，因此采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行導(dǎo)向力研究。

3.2噴嘴開啟個數(shù)影響分析

研究關(guān)閉部分噴嘴，剩余未關(guān)閉噴嘴受到的導(dǎo)向力時，以噴嘴傾角為45°，出口內(nèi)徑3 mm，入口流量150 L/min為例，分析噴嘴關(guān)閉個數(shù)對出口速度、導(dǎo)向力的影響。

3.2.1流場分析

水力導(dǎo)向噴嘴為對稱模型，當(dāng)堵住若干個噴嘴出口時，關(guān)閉不同個數(shù)噴嘴出口的噴射速度流速矢量場分布如圖7所示。

由圖7可以看出，流體從噴嘴射出到環(huán)空流體域后，射流速度急劇減小。隨著關(guān)閉噴嘴個數(shù)的增加，出口射流最大速度呈現(xiàn)增大趨勢，導(dǎo)向力通過剩余未關(guān)閉噴嘴射流來控制。當(dāng)堵住若干個噴嘴時，其他未堵住噴嘴的速度大小基本相同，噴射力大小也基本相同，故噴射力取各個噴嘴噴射力的平均值。當(dāng)被堵住噴嘴數(shù)量相同時，其次序?qū)蝹€噴嘴的噴射力影響很小，不予考慮。

3.2.2導(dǎo)向力分析

為研究關(guān)閉不同個數(shù)水力導(dǎo)向噴嘴出口的導(dǎo)向力大小和方向，將噴嘴出口從上到下按照順時針方向記為出口1～8，并在視圖方向建立xyz坐標(biāo)系，令紙面向外為z軸負(fù)方向，順時針從出口1開始，分別關(guān)閉連續(xù)的1～8個噴嘴出口，得到噴嘴開啟個數(shù)與導(dǎo)向力關(guān)系曲線，如圖8所示。

由圖8可求得導(dǎo)向力方向，當(dāng)關(guān)閉出口1的噴嘴時，導(dǎo)向力的方向沿著關(guān)閉噴嘴中心線方向，徑向指向外，記此位置導(dǎo)向力與y軸正向夾角為β°，即導(dǎo)向力的方向，同時推出導(dǎo)向力方向公式為：

β=（n-1）θ? ? ? ? ? ? ?（7）

式中：β為導(dǎo)向力與y軸正方向夾角，（°）；n為閉噴嘴出口個數(shù)，1≤n＜8；θ為分別關(guān)閉相鄰數(shù)量兩組噴嘴出口時，導(dǎo)向力方向之間的夾角，（°）。

噴嘴總的導(dǎo)向力大小為噴嘴受到反推力的徑向分力在導(dǎo)向方向上的合力。將關(guān)閉1～8個噴嘴時求得的導(dǎo)向力大小匯總，如圖9所示，關(guān)閉1個噴嘴時，導(dǎo)向力最小為8.86 N，關(guān)閉7個噴嘴時，導(dǎo)向力最大為438.1 N，且隨著關(guān)閉噴嘴出口個數(shù)的增加而顯著增大，呈指數(shù)分布。

采用OriginLab指數(shù)函數(shù)擬合，得到噴嘴個數(shù)n向力的擬合公式為：

Fr=2.4e1.35n +15.01? ? ? ? （8）

因此，導(dǎo)向力的大小、方向均可調(diào)節(jié)，通過控制不同個數(shù)、位置噴嘴的開閉，來得到需要的導(dǎo)向力。

3.3噴嘴出口軸向傾角影響分析

為研究噴嘴軸向傾角的影響，以噴嘴出口全部開啟，出口內(nèi)徑3 mm，入口流量150 L/min為例。

3.3.1流場分析

調(diào)整水力導(dǎo)向噴嘴出口軸向傾角，用噴嘴軸向yz平面縱向剖切流體域模型，得到如圖10所示，軸向傾角分別為20°、30°、45°的切面速度云圖。

由圖10知，隨著傾角的增大，射流最大速度逐漸增大。這是因為射流流道隨軸向傾角增大逐漸變短，噴射速度在流道中的速度損失逐漸變小。當(dāng)傾斜角度為45°時，擴(kuò)散性最明顯，徑向速度最大，徑向速度越大噴嘴導(dǎo)向性能更好。

3.3.2導(dǎo)向力分析

為進(jìn)一步研究軸向傾角與導(dǎo)向力的關(guān)系，通過調(diào)整排量的大小，得到不同傾角水力導(dǎo)向噴嘴流量與單噴嘴導(dǎo)向力、出口速度的關(guān)系曲線，如圖11所示。

由圖11可知，隨著入口流量的增大，三種傾斜角度的噴嘴出口噴射速度、單噴嘴導(dǎo)向力均增大。當(dāng)入口流量一定時，隨著軸向傾角的增大，射流曲線整體上移，單噴嘴導(dǎo)向力、出口速度就越大。因為隨著軸向傾角的增大，噴嘴出口的徑向射流動量增大，使得噴嘴導(dǎo)向能力增強(qiáng)。因此在設(shè)計噴嘴時，適當(dāng)選用較大的軸向傾角，噴嘴導(dǎo)向性能會更好。

3.4噴嘴出口內(nèi)徑影響分析

水力導(dǎo)向噴嘴的出口內(nèi)徑，會影響到噴嘴出口的流速、單噴嘴導(dǎo)向力。以噴嘴全部開啟，入口流量150 L/min，軸向傾角45°為例，來研究出口內(nèi)徑對單噴嘴導(dǎo)向力的影響。

3.4.1流場分析

分別取水力導(dǎo)向噴嘴出口內(nèi)徑為1.5、2.0、2.5、3.0 mm噴嘴出口xy截面速度分布云圖，如圖12所示。

從圖12可知，噴嘴出口內(nèi)徑不變時，各噴嘴的速度分布基本一致。隨著噴嘴出口內(nèi)徑的增大，射流最大速度減小，射流面積逐漸增大，中心高速區(qū)域的面積逐漸增大，射流的擴(kuò)散現(xiàn)象更顯著。為研究噴嘴中心高速區(qū)域的速度變化，提取噴嘴出口中心線速度，并繪制中心速度噴距曲線，如圖13所示。

由圖13可見，隨著噴嘴出口內(nèi)徑的增大，出口中心速度逐漸變小，在相同噴距時，內(nèi)徑小，速度衰減程度越顯著。這樣的變化趨勢是因為環(huán)空流體域內(nèi)流體對射流有阻礙作用，同時射流存在擴(kuò)散性，射流速度損耗嚴(yán)重。軸向傾角較大，孔眼軸線與射流中線有偏差，因此射流一開始，速度變化呈現(xiàn)先增大后衰減的變化規(guī)律。

3.4.2導(dǎo)向力分析

圖14給出了不同流量下，水力導(dǎo)向噴嘴內(nèi)徑對單噴嘴導(dǎo)向力的影響曲線。隨著出口噴嘴內(nèi)徑的減小，噴嘴截面面積減小，流量不變的條件下，射流速度變快，速度對單噴嘴導(dǎo)向力的影響較大，所以內(nèi)徑較小的噴嘴出口，單噴嘴導(dǎo)向力更大。噴嘴導(dǎo)向力曲線呈向上的變化趨勢，且出口內(nèi)徑越小，單噴嘴導(dǎo)向力增大趨勢越顯著。因此，在保證實現(xiàn)水力導(dǎo)向且安全的條件下，應(yīng)控制較小的噴嘴內(nèi)徑。

4結(jié)論

1）利用高壓射流噴嘴反推力的徑向分力，設(shè)計了一種用于柔性鉆具水力導(dǎo)向的射流噴嘴結(jié)構(gòu)。建立了水力導(dǎo)向噴嘴數(shù)值模擬模型，使用FLUENT軟件進(jìn)行流場分析，為水平井鉆井提供一種新的導(dǎo)向方法。

2）對比噴嘴導(dǎo)向力數(shù)值模擬和理論公式結(jié)果，吻合較好，表明本文所建立的噴嘴流場和導(dǎo)向力計算模型合理，能夠作為分析柔性鉆具噴嘴流場的方法，并用于開啟不同個數(shù)噴嘴導(dǎo)向力計算。

3）關(guān)閉不同連續(xù)個數(shù)噴嘴，求解了導(dǎo)向力方向。通過非線性曲線擬合，得出導(dǎo)向力大小呈指數(shù)分布，利用指數(shù)擬合曲線求出了關(guān)閉不同噴嘴時導(dǎo)向力公式。

4）單噴嘴導(dǎo)向力大小、出口速度與傾斜角度、噴嘴出口內(nèi)徑相關(guān)，且噴嘴傾斜角度越大，單噴嘴導(dǎo)向力就越大；單噴嘴導(dǎo)向力、出口速度隨著出口內(nèi)徑的減小而增大。

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