李 玮，李世昌，李卓伦，王新胜，朱 岩

(1.东北石油大学，黑龙江 大庆 163318；2.中国石油大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163001；3.大庆油田创业集团华谊实业公司，黑龙江 大庆 163311)

0 引 言

随浅层油气资源的衰竭，深部地层成为重要的勘探开发对象之一，而深井与超深井钻井过程中常遇到难钻地层与复杂地层，严重制约钻井速度[1-2]。粒子射流冲击破岩作为一种高效的破岩方式正在被国内外学者深入研究。PIDT公司的科研人员最早提出粒子射流钻井技术，并进行了粒子射流钻井工具的设计及室内试验，ProDrill Services Inc(PSI)公司也研制了粒子射流冲击钻井系统[3-5]。伍开松等[6]应用一维应力波基本理论对粒子冲击破岩现象进行了分析，应用有限元模拟软件研究了粒子冲击破岩的规律，获得了适合粒子射流钻井的工艺参数。邢雪阳等[7]对粒子射流钻井钻头内流道冲蚀特性进行研究，设计了粒子钻井用的射流喷嘴及孔道结构，研究了钻头内流道冲蚀特性。一些学者还对粒子射流钻井过程中的射流粒子直径、粒子密度、围压、泵压、钻头喷嘴流道形状、喷射方向和喷嘴流道分布进行了研究[8-12]。目前，粒子射流冲击钻井技术仍处于实验研究阶段，理论研究与技术应用都有待提高。文丘里效应被广泛应用于滴灌、施肥与流体流量测量等方面，相关技术很成熟。基于文丘里效应，设计了井下自循环粒子射流钻井工具，建立了工具的物理模型与流体流动的数学模型，通过数值模拟的方法，研究了工具的可行性，并分析了下部钻头喷嘴喷速的影响因素。

1 工具设计

根据文丘里管相关理论，设计了一种能够实现井下自循环的粒子射流钻井工具(图1)。工具由上接头、喷嘴、进液口、喉管、扩散管和下接头组成。在现场施工中，下接头与钻头连接，钻井液从钻头喷嘴(下文中钻头喷嘴简称为下喷嘴)喷出。文丘里效应在井下自循环粒子射流钻井中的作用：钻井液通过钻柱到达上喷嘴，经过喷嘴加速产生高速射流，由于卷吸作用，在喷嘴出口处的进液腔内形成低压区，环空中带有岩屑的钻井液通过进液口被吸入到工具内；射流外围的液体与吸入的钻井液发生动量交换，这2股流体在喉管入口段及喉管内混合，进行能量和质量传递，从喷嘴喷出的钻井液速度降低，被吸入流体的速度增大，两者的速度在喉管某一部位趋于一致；从喉管喷出的液体流经扩散管，最后从下喷嘴喷出。工具可以利用环空中的岩屑作为冲击粒子，省去外加粒子的设备，其结构简单，不易发生井下事故。部分钻井液被吸入工具内部，可降低钻头的压持效应。文丘里管特殊的结构，可降低压耗损失，减少液体回流。

图1 井下自循环粒子射流钻井工具结构示意图

2 自循环射流数值模拟

根据研究需要，将工具简化为上喷嘴、喉管、扩散管和下喷嘴；为模拟流体在工具内部与环空的循环流动，将工具与环空简化成一个物理模型；将固液两相简化为单相流体的流动；在实际钻进过程中钻柱内部钻井液的流动状态为湍流流动，建立单相流在工具内的湍流模型。

2.1 工具物理模型

物理模型见图2，网格模型见图3。根据理论公式[13]，确定工具主要结构尺寸：上部喷嘴直径为Ds(mm)，喉管长度为L(mm)，喉管直径为Dh(mm)，扩散管的扩散角为θ(°)，扩散管长度为H(mm)，模型中将钻头喷嘴直径换算成当量直径，称为下喷嘴直径，为Do(mm)。由于模拟过程中下喷嘴直径不变，因此，下喷嘴喷速越大，射流的冲击能力越强。

图2 物理模型

图3 网格划分

2.2 流体流动的数值模型

雷诺时均NS方程[14]：

(1)

流体的连续性方程为：

▽·(ρu)=0

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

根据标准k-ε湍流模型[15]对上述方程进行处理，得到液体在工具内的速度场和压力场，入口边界为速度入口，出口边界为环空围压，设置流体流动状态为湍流。

2.3 模拟条件

泵的排量为30 L/s，井深为3 000 m，井底温度为100 ℃，环空围压为35.3 MPa，钻井液密度为1.2 g/cm3，入口速度为15 m/s，动力黏度为1.0 mPa·s。

3 工具自循环射流可行性研究

3.1 工具自循环射流原理分析

模拟得到流体在工具内部流动的压力场(图4)。由图4可知：压力场分为4个区，1区为射流边界，2区为局部低压区，3区为环空区，4区为碰撞高压区；1区是高速射流由于卷吸作用产生的低压区，该低压区保证了环空流体的引入；2区是射流边界与工具外壁之间的间隔，该区域压力较低；由于流体流通孔道的骤然缩小与流体对管壁的冲击，产生高压4区，流到高压4区的液体流向相对低压的3区，形成钻井液在工具与环空的循环。

图4 流体的压力云图

工具内部流体流动的速度场见图5。由图5可知：1区是射流的主体区域，该区域流速最高，随着周围液体不断流入，射流边界不断扩张，由于射流流体与被吸入流体动能的转换，射流主体速度逐渐降低；当流体到达3区时，流道缩小，压力上升，一部分流体流向低压2区产生回流；由于上部流体对回流流体产生阻力，回流流体呈涡旋状，3区压力的大小决定了回流高度与回流液体的量；液体经过3区流到直径较小的下部喷嘴，从下喷嘴高速喷出，喷出的液体通过环空4区，流向低压1区，实现工具内部与环空的循环。

图5 流体的速度云图

3.2 自循环射流可行性分析

基于文丘里效应的自循环粒子射流钻井技术原理的可行性条件：能够吸入环空液体，即实现文丘里效应；下部喷嘴产生射流，流体流入环空，完成工具内部与环空的循环。

选取上部喷嘴直径分别为26.0、28.0、30.0、32.0、34.0 mm，进行有限元模拟，得到下喷嘴喷速随上喷嘴直径变化曲线、射吸系数(进液口进入液体体积与上喷嘴喷出液体体积的比值)随上喷嘴直径变化曲线(图6)。

图6 下喷嘴喷速、射吸系数与上喷嘴直径的关系

由图6可知：随着上喷嘴直径变大，下喷嘴喷速与射吸系数变小。一方面由于射流速度变大，进液腔内压力变小，加速对环空中钻井液的吸入；另一方面，射流速度增大，导致射流边界扩大，钻井液回流现象明显降低。图6中的射流临界线代表下喷嘴能够实现射流的临界速度，通过计算，喷速为13.4 m/s时，下喷嘴能够产生射流，对应的上喷嘴直径为30.0 mm，即上喷嘴直径小于30.0 mm时，下喷嘴能够产生射流。图6中的进液临界线表示是否有液体吸入工具内部，即是否产生文丘里效应，进液临界线对应上喷嘴直径为32.5 mm，即上喷嘴直径小于32.5 mm时，产生文丘里效应。综合以上2点，当上喷嘴直径小于30.0 mm时，工具能够实现文丘里效应，并在下部喷嘴形成射流，工具原理是可行的。

4 下喷嘴喷速影响因素分析

4.1 喉管长度对下喷嘴喷速的影响

选取喉管长度分别为15、20、25、35、45 mm，进行有限元模拟，得到下喷嘴喷速随喉管长度变化曲线(图7)。

图7 下喷嘴喷速与喉管长度的关系

由图7可知：喉管长度对下部喷嘴喷速的影响是先增大后减小，存在最优喉管长度。两部分流体的混合主要发生在喉管内，适当的喉管长度可以使流体充分混合，喉管长度过小，会导致射出的液体成束效果不好，回流现象明显。因此，最优的喉管长度为25 mm。

4.2 扩散角对下喷嘴喷速的影响

选取扩散角分别为4、6、8、10、12 °，进行有限元模拟，得到下喷嘴喷速随扩散管的扩散角变化曲线(图8)。

图8 下喷嘴喷速与扩散角的关系

由图8可知，扩散角对下喷嘴的喷速影响不大，扩散角的变化主要影响压能转换为动能的程度与能量损失，根据文献[20]可知，当扩散角为6 °时，能够回收钻井液通过喉管时的压降损失的80%，消耗能量最小。

4.3 喉管直径对下喷嘴喷速的影响

选取喉管直径分别为30、35、40、45、50 mm，进行有限元模拟，得到下喷嘴喷速随喉管直径变化曲线(图9)。

图9 下喷嘴喷速与喉管直径的关系

由图9可知：当喉管直径大于40 mm时，下喷嘴喷速变化很小。当直径小于40 mm时，喷出的液体成束效果好，相当于增大上喷嘴的射流长度，从而增加液体的吸入量，下喷嘴的喷速增大，但会产生过大压耗损失。因此，喉管直径的最优尺寸为40 mm。

5 结 论

(1) 设计的基于文丘里效应的井下自循环粒子射流钻井工具，能够吸入环空液体，并在下部喷嘴形成射流，完成钻井液在其内部与环空的循环。验证了基于文丘里效应的井下自循环粒子射流钻井方法的原理是可行的。

(2) 下部喷嘴喷速受喉管直径、喉管长度与扩散管的扩散角等因素影响，喉管直径大于40 mm时，下喷嘴喷速变化很小；下喷嘴直径小于40 mm时，随着直径变小下喷嘴喷速明显增大；喉管长度对下部喷嘴喷速的影响是先增大后减小的；扩散管的扩散角对下部喷嘴喷速没有较大影响。

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