径向钻井高压水射流喷嘴内外流场分析.pdf

2 0 1 3年第4 1 卷第 3期 石 油机械 CHI NA P ET ROL E UM MAC HI NERY 钻井技术与装备 径 向钻 井高压水射流 喷嘴 内外流场分析 易松林 汪志明 孙怡红 易先 中 吉源强 刘利军 1 ．中国石油大学 北京 2 ．中国石油工程建设公司采购部3 ．长江大学机械工程学院 摘要径向钻井高压水射流技术目前在国内外得到了广泛应用。对射流喷嘴内、外流场进行 数值模拟分析将为选择合理的喷嘴结构以及为高压水射流破岩的进一步研究奠定基础。根据射流 动力学原理，建 立了单喷嘴轴对称淹没射流破岩的物理模 型和数学模型，运用 F l u e n t 软件对径 向 钻井高压水射流喷嘴内、外流场进行 了数值模拟，并分析 了在不同喷距和入 口流量下喷嘴 内、外 流场的规律。分析结果表明，射流轴线上存在速度衰减性、圆柱段速度保持性和最大速度偏移性 ； 当射流冲击到径向井底后，在井底壁面上产 生水垫，对喷头的推进产 生阻碍作用；在径 向钻井高 压水射流中会产生滞止现象，将不利于钻井过程 中岩屑的快速移运。 关键词 径 向钻井；高压水射流 ；喷嘴；流场；数值模拟 中图分类号T E 9 2 1 文献标识码A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 0 4 An a l y s i s o f t h e I nt e r n a l a n d Ex t e r na l Fl o w Fi e l d s o f Hi g h P r e s s u r e W a t e r J e t No z z l e i n Ra d i a l Dr i l l i n g Y i S o n g l i n Wa n g Z h i m i n g S u n Y i h o n g Y i X i a n z h o n g J i Y u a n q i a n g L i u L i j u n 。 1 ． C h i n a U n i v e r s i t y D 厂 P e t r o l e u m，B e ifi n g 2 ． C h i n a P e t r d e u m E n g i n e e r i n gC o n s t r u c t i o n C o r p ． 3 ． S c h o o l o fMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g，Y a n g t z e U n i v e r s i t y A b s t r a c t T h e t e c h n o l o g y o f h i g h p r e s s u r e w a t e r j e t i n r a d i a l d r i l l i n g h a s c u r r e n t l y b e e n u s e d w i d e l y a t h o m e a n d a b r o a d ．A n u m e ri c a l s i mu l a t i o n a n d a n a l y s i s o f t h e i n t e r n a l a n d e x t e rna l fl o w f i e l d s o f j e t n o z z l e w i l l l a y t h e f o u n d a t i o n f o r t h e f u r t h e r s t u d y o f s e l e c t i o n o f r a t i o n a l n o z z l e s t r u c t u r e a s w e l l a s for h i g h p r e s s u r e w a t e r j e t r o c k b r e a k i n g ． A c c o r d i n g t o t h e j e t d y n a m i c p r i n c i p l e ， t h e p h y s i c a l a n d ma t h e ma t i c a l mo d e l s o f a x i a l s y mm e t ri c a l s u b me r g e d j e t r o c k b r e a k i n g w i t h s i n g l e n o z z l e w e r e e s t a b l i s h e d ． A n u m e ri c a l s i m u l a t i o n o f t h e i n t e rna l a n d e x t e r n al fl o w fi e l d s o f h i g h p r e s s u r e w a t e r j e t n o z z l e i n r a d i a l d r i l l i n g w a s c o n d u c t e d w i t h t h e F l u e n t s o ft w a r e ． T h e l a w s o f t h e i n t e rna l a n d e x t e r n a l fl o w fi e l d s w e r e a n a l y z e d i n d i f f e r e n t j e t d i s t a n c e s a n d i n l e t fl o w r a t e s ． T h e a n al y s i s s h o w s t h a t t h e r e e x i s t v e l o c i t y a t t e nu a t i o n， v e l o c i t y r e t e n t i o n i n t h e c y l i n d r i c a l s e c t i o n a n d mi g r a t i o n i n t h e ma x i mu m s p e e d ． Wh e n t h e j e t fl o w i m p a c t s i n t o t h e r a d i a l h o l e b o t t o m，t h e w a t e r c u s h i o n w i l l o c c u r o n t h e b o t t o m h o l e w a l l s u r f a c e ． T h i s w i l l p r o d u c e a b a r r i e r t o n o z z l e a d v a n c e ． S t a g n a t i o n w i l l a ri s e i n h i g h p r e s s u r e w a t e r j e t f o r r a d i a l d ri l l i n g ． Th i s wi l l b e un f a v o r a b l e t o t h e t r a n s p o r t a t i o n o f c u t t i ng s i n t he d r i l l i n g p r o c e s s ． Ke y w o r d s r a d i a l d r i l l i n g ；h i g h p r e s s u r e w a t e r j e t ；n o z z l e ；fl o w fi e l d ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 0 引 言 径向钻井高压水射流技术作为提高低渗透油气 藏经济开采 的重要手段 ，目前在 国外得到了广泛应 用 卜 ，其原理是利用高压水射流在一 口井的同一 个油层或不 同油层内沿径 向钻出一个 以上的水平井 眼 I 4 。用于径 向钻井高压水射流的喷嘴结构非常 基金项 目国家 自然科学基金资助项 目 “ 钻柱托压效应 的振动释放机理 与特征” 5 1 1 7 4 0 3 5 、5 0 9 7 4 0 2 3、5 0 8 7 4 0 1 9 ；国家科技重大 专项课题 “ 复杂结 构井优化设计与控制关键技术” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 0 9 0 0 5 。 2 0 1 3年 第4 1 卷第 3期 易松林等径向钻井高压水射流喷嘴内外流场分析 一 l 9一 1 在径 向钻井 高压水 射流喷嘴 内部压力场 中，喷嘴圆锥段的压力最大 ，圆锥段 向圆柱段过渡 区压力梯度最大。 2 当射流流出喷嘴后 ，压力基本保持不变 ； 快靠近井底时，射流的动能转化为对井底的冲击 力 ，使井底壁面上的压力有上扬的趋势，并且喷嘴 入 口处的流量越大，喷距越小 ，这种上扬的趋势也 就越 明显 ，即流量越大 ，喷距越小 ，射流对径向井 井底的冲击力越大 。 日 R 出 窖 暴 图 1 1 喷距 1 5 m m时轴线上的压力分布 Fi g ．1 1 Pr e s s u r e d i s t r i b ut i o n o n a x i s w h e nj e t d i s t a n c e i s 1 5 IT I B 2 ． 2 ． 2 径 向井临时井底的压力分布 图 1 2～图 1 4为不 同喷距下井底 的压力分布情 况 ，分析如下 。 R 出 窖 恒 0． 0 0 0 0 ．0 0 5 0 ． 0 1 0 O ． 0 1 5 0 ． 0 2 0 0 ． 0 2 5 壁面 上的位 m 图 1 2 喷距 5 0 m m 时井底 的压 力分布 F i g ． 1 2 B o t t o mh o l e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n w h e n j e t d i s t a n c e i s 5 0 m m 图 1 3 喷距 3 5 m m时 井底的压力分布 F i g ． 1 3 Bo t t o mh o l e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n w h e n j e t d i s t a n c e i s 3 5 m I T l 1 当喷距越 小 ，喷 嘴入 口处 的流量 越 大， 径 向钻井高压水射流对井底的冲击力也就越大。 2 在离径 向井井底 中心较 远处 ，井底压力 有上扬 的趋势 ，并且喷距越大、流量越大时，这种 趋势也就越明显 ，这是因为当射流沿径 向井底到达 径 向井井壁时会受到射流的卷吸作用和井壁的阻滞 作用 ，从而导致这种上扬趋势的出现。 R 出 窖 恒 础 U． U UU U． 005 U． 01 U U． Ul U． 020 U． 025 壁 面上 的位 置／ I 1 1 图 l 4 喷距 1 5 m n l 时井底 的压 力分布 F i g ． 1 4 B o t t o mh o l e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n w h e n j e t d i s t a n c e i s 1 5 mm 3 从井底压力数值分布可以看出当喷距 不 同时，径向井井底的最大压力点往往并不是在井 底 中心处 ；径 向钻井高压水射流破岩的主要能量集 中在井底壁面中心一定范围内，超过这个范围后 ， 井底的射流压力很小 ，达不到岩石破碎压力 。 综上所述 ，径 向钻井高压水射流的优势之一在 于它有一定的扩 散能力 ，会形成一定 的冲击 面积 ， 但其最大的劣势则是速度和能量衰减较快。高压水 射流撞击井底流场结构大致可划分为 5个区域 J 。 1 自由射流 区由于该 区域射流 刚离开 喷 嘴出口，此时径 向井井底流场对射流的影响小 ，因 而主要表现为 自由射流的性质 ； 2 射 流冲击 区在径 向井井底 附近 ，流动 受井底影响很大 ，射流在很短的范围内，轴 向速度 衰减为 0 ，其径 向速度逐渐增大； 3 漫 流区 射 流沿 径 向井 井底 壁 面流动 ， 其流动结构类似于壁面射流，在井底壁面附近漫流 速度随径向距离的增大缓慢增大到最大值 ，又迅速 降到 0 ； 4 旋 涡区 整个流场受到井底 、井壁 和喷 嘴的 限制 ，射 流 与周 围的液 体发 生 强烈 地 掺混 射流 的卷 吸作用 ，携带 周 围的流体一起 运动 ， 形成 了明显的旋涡 区。 5 返流 区 射 流沿井 壁 附近形成 了返 流 ， 流体在表面的速度梯度不是很大 ，井底与井壁交界 面处 ，速度出现了滞止现象 ，在钻井过程 中，这会 对岩屑产生压持作用 ，不利于岩屑的快速运移。 鼹 弛 船 ∞ ∞ ∞ 如 ∞ ∞ ∞ 0 4 4 3 3 2 2 1 1 一 2 0一 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1卷第 3期 3 结 论 1 径向钻井高压水射流撞击井底流场结构 大致可以划分为 5个区域 ，即自由射流区、射流冲 击区、漫流区、旋涡区、返流区。 2 射流轴线上存在速度衰减性 、圆柱段速 度保持性 、最大速度偏移性、射流相似性 ；当喷嘴 结构一定时 ，喷嘴出口处无因次轴线上的速度衰减 规律受喷嘴出口处雷诺数 的影响很小。 3 当射流冲击到径 向井底后 ，在井底壁面 上产生水垫 ，水垫会对喷头的推进产生阻碍作用 。 4 在径 向钻井高压水射流 中会产生滞止现 象 ，钻井过程 中会对岩屑产生压持作用 ，不利于岩 屑的快速运移 。 5 随着喷嘴人 口处流量 的增大 ，井底流场 旋涡区的涡旋强度增大 ，射流的卷吸能力和卷吸流 量也在增大。涡旋强度和卷吸流量的增大对实际井 底破岩 ，尤其是井壁 自由面上岩石的冲蚀破碎将是 非常有利的。 6 射流流 出喷嘴后 ，其轴线 上 的压力基本 保持不变；当快靠近井底时，射流的动能转化为对 井底的冲击力 ，使壁面上 的压力有上扬的趋势 ，并 且喷嘴入 口处的流量越大，喷距越小 ，压力上扬 的 趋势就越明显。从破岩的角度来说 ，这种上扬的趋 势越大 ，越有利于岩石的破碎 。 参考文献 [ 1 ] A b d 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6 1 3 。Em a i l y i s l ma i l 1 6 3 ． c o n。 收稿 日期 2 0 1 2一l 1 2 3 本文编辑谢守平 下期部分 文章预告 基于螺杆钻具 的随钻近钻头井斜测量误差及修正 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 刘永旺 管志川 赵国山等 尾管固井中浮式塞帽的研制与应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 姜向东 张金法阮 臣良等 钻井污水处理装置离心分离橇的试验研究 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 李向伟许福东 李海明等 深水水下分离器的试验研究 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 刘培林何利民周 凯等 海洋平台紧固件防腐工艺探讨 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 黄建勋徐红九刘宏亮等 深海水下采油树下放安装过程分析研究 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 龚铭煊刘再生段梦兰等 变载荷齿轮箱状态监测技术研究 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 冯桓楮张来斌梁伟等 基于 T r e s c a 屈服准则的均匀腐蚀管道剩余强度计算 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 杜国锋张东山 套管完井水平井找窜工艺管柱研究与应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 王 良马帅帮 张书荣等 底部钻具组合动力学特性模拟试验方法研究 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 范永淘 高德利 房军等 内壁磨损套管月牙形和偏心圆筒模型等效应力对比分析 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 王刚庆刘旭辉王小增等