自激振荡脉冲射流喷嘴结构优选试验研究

李　玮，纪照生，刘景宇，李显义

（1.东北石油大学，黑龙江大庆163318；2.新疆油田勘察设计研究院，新疆克拉玛依834000；3.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206）①

试验研究

自激振荡脉冲射流喷嘴结构优选试验研究

李玮1，纪照生1，刘景宇2，李显义3

（1.东北石油大学，黑龙江大庆163318；2.新疆油田勘察设计研究院，新疆克拉玛依834000；3.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206）①

高压水射流是钻井提速的基本技术手段。自激振荡脉冲射流是一种特殊的高压水射流，因其结构简单、全金属性及充分利用钻井液能量等优点，成为深井、超深井钻井提速研究热点。根据流体网络集中参数理论，设计了室内试验装置和试验方法，对自激振荡脉冲射流元件的结构参数与射流特性进行了室内试验分析。结果表明：流体网络集中参数理论能够很好地描述射流元件的振荡特性；当上下喷嘴直径比为0.75、腔长腔径比为0.80、喷嘴锥角为120°时，自激振荡脉冲射流性能最好。

喷射钻井；自激振荡；脉冲射流；室内试验；射流喷嘴

随着深层油气勘探开发的不断深入，深井、超深井的钻井提速压力日益增大。理论研究和现场实践表明［1-2］，脉冲射流可改善井底岩石的受力状况，强化井底岩屑的净化，能够提高钻头破岩速度。

自激振荡脉冲射流因其具备结构简单、体积小和无附加外驱动机构等优点，受到国内外研究者的关注［3］。文献［4-5］对圆柱形空腔产生自激振动现象进行了研究，并分析了该喷嘴的变压特性和空化作用。文献［6］通过试验得到了低压大流量下自激振荡喷嘴结构参数的最佳配比，并分析了与高压小流量优化结构配比参数差异的原因。文献［7-8］分析了喷嘴直径、腔径、腔长和下喷嘴锥角等参数对自激振荡射流脉冲特性的影响。

本文建立了自激振荡脉冲射流喷嘴的物理模型，设计了室内试验装置和方法，采用正交试验对元件几何模型的结构参数与脉冲射流特性关系进行探索，为脉冲射流性能优化提供试验依据。

1　射流喷嘴几何模型及工作原理

自激振荡脉冲射流喷嘴简化结构如图1，其工作原理是：在喷嘴腔室内会形成1对压力和大小呈周期性变化的涡环，当其与出口壁冲击碰撞时会产生高压区，同时产生压力脉冲波，该波以声速向上游传播，诱发新的涡量脉动。若分离区与碰撞区的压力脉动互为反相，就会形成涡量扰动—放大—新的涡量脉动产生的循环过程。该过程不断重复，就会形成强烈的自激振荡脉冲射流。研究表明：当射流元件放大的压力扰动频率是本身固有频率的整数倍时，便产生谐振［9］。

图1　自激振荡喷嘴工作原理

脉冲射流喷嘴的结构参数包括上喷嘴直径d1，下喷嘴直径d2，腔长HC，腔径DC，下喷嘴锥角α。为了研究射流元件的结构特性及其尺寸变化对自激振荡脉冲射流性质的影响，射流元件结构各参数皆为可变参数。

2　数学模型

自激振荡脉冲射流冲击效果主要取决于射流动能的大小和空化效应的强弱。装置的频率特性对脉冲射流冲击效果有着决定性的影响。根据流体网络集中参数理论，以流体质量流量比拟电流，以流体压力比拟电压，由小扰动流体网络理论建立自激喷嘴集中参数网络模型，如图2所示。

图2　自激喷嘴集中参数等效模型

由似稳假设条件可得［10］

式中：v为流体的平均速度，m/s；ζ为喷嘴的局部阻力系数；Cf为喷嘴的流量系数；A为喷嘴截面积，m2；a为振荡腔内流体的波速，m/s；L为喷嘴前管路流体惯性引起的流感；C为流体压缩引起的振荡腔室的流容；d0为管路直径；l0为管路长度。

由式（3）可见，流量不仅与腔室结构尺寸有关，还与流体性质有关。

若初始条件p1（t）＝0，p2（t）＝0，可得该系统压力系数为

式中：p1为喷嘴入口压力；p2为喷嘴出口压力；s为拉普拉提算子，s＝a＋jω，a≥0；ωn为系统固有频率，?为系统的阻尼系数，ξ＝；K为系统的放大倍数，K＝R1/（R1＋R2）。

相应的频率响应函数、频幅特性分别为

由上述分析可知：该喷嘴装置的固有频率与上、下流喷嘴的流阻比R1/R2和管路流感与腔室流容的积LC有关，主要由喷嘴的形状、结构参数和波速决定，当流体参数不变时只受喷嘴结构参数影响。

3　室内试验

3.1 试验装置

依托东北石油大学油气钻井技术国家工程实验室的多功能液相高压循环系统，进行了室内模拟试验。试验装置（如图3）由自激脉冲喷嘴、岩心夹持装置、高压泵等多个部件组成。岩心夹持器放置在防护罩内，可以由控制系统控制并通过导轨进行上下移动，以此调节靶距。另外，泵的流量、截止阀的闭合也可以通过控制系统控制。

图3　试验装置

3.2 试验方法

试验从最小的上喷嘴直径做起，先根据情况对腔长做3～5次调节，观察自激脉冲射流效果。然后在优选较好的腔长情况下，对下喷嘴直径做3～5次调节，优选出最佳的下喷嘴直径。最后再调节3～5次下喷嘴壁夹角α，对α进行优选。

为了消除其他因素对试验的影响，射流介质统一为清水，试验岩石为石英砂，射流冲击岩石时间设定为300 s，泵压力为20 MPa，岩样与射流喷嘴的距离为2.5倍喷嘴出口直径。用橡皮泥填充射流冲蚀破碎坑，用橡皮泥的质量来计算破碎坑的大小，进而评价当前喷嘴射流脉冲的破岩能力。

4　自激振荡射流试验结果及优选

为了使研究更有普遍性，对各参数做无量纲化处理。固定上喷嘴直径d1为10 mm，腔径DC为100 mm，通过改变下喷嘴直径d2、腔长HC及下喷嘴锥角α，以射流岩石破碎坑的体积作为评判标准，来分析d1/d2、HC/DC及α对脉冲射流喷嘴特性的影响。试验结果如图4～6所示。

由图4～6可以看出：随着上下喷嘴直径之比、腔长腔径之比及下喷嘴锥角的增大，脉冲射流效果均存在先增大后减小的趋势，且存在1个最佳值，使得脉冲射流破岩效果最好。进一步观察分析可得：当d1/d2值为0.75、HC/DC为0.8、α＝120°时，射流元件的脉冲效果最好。

图4　破碎坑体积随上下喷嘴直径比的变化曲线

图5　破碎坑体积随腔长腔径比变化曲线

图6　破碎坑体积随下锥角α的变化曲线

5　结论

1） 根据流体网络集中参数理论，分析得出射流喷嘴固有频率的影响因素，并指出流体参数不变时，固有频率只受喷嘴结构参数影响。

2） 设计了一系列的自激振荡脉冲射流喷嘴，并应用室内试验装置进行了相应的评价试验。

3） 试验结果表明：上下喷嘴直径比为0.75、腔长腔径比为0.80、喷嘴锥角为120°时，自激振荡脉冲射流性能最好。

［1］ 王瑞和.高压水射流破岩机理研究［M］.东营：中国石油大学出版社，2010：1-15.

［2］ 刘华洁，高文金，涂辉，等.一种能有效提高机械钻速的水力振荡器［J］.石油机械，2013（7）：46-48.

［3］ 杜玉昆，王瑞和，倪红坚.环空流体吸入式自激振荡脉冲射流大涡模拟研究［J］.水动力学研究与进展（A辑），2009（4）：455-462.

［4］ 廖振方，龚欣荣，唐川林.自激脉冲空化射流装置的冲蚀效果［J］.重庆大学学报（自然科学版），1991（1）：60-66.

［5］ 廖振方，唐川林，张凤华.自激振荡脉冲射流喷嘴的试验研究［J］.重庆大学学报（自然科学版），2002（2）：28-32.

［6］ 李江云，徐如良，王乐勤.自激脉冲喷嘴发生机理数值模拟［J］.工程热物理学报，2004，25（2）：241-243.

［7］ 李江云，徐如良，王循明，等.自激脉冲射流发生装置试验报告［Z］.2003.

［8］ 葛兆龙，周哲，卢义玉，等.影响自激振荡脉冲射流性能的喷嘴结构参数研究［J］.四川大学学报（工程科学版），2013（5）：160-165.

［9］ 王循明.自激振荡脉冲射流装置性能影响因素数值分析及喷嘴结构优化设计［D］.杭州：浙江大学，2005.

［10］ 罗志昌.流体网络理论［M］.北京：机械工业出版社，1988.

Experimental Method of the Optimum decision Making for the Self-Excited Oscillation Pulsed Jet Nozzle

LI Wei1，JI Zhaosheng1，LIU Jingyu2，LI Xianyi3
（1.Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；2.Survey and Design Institute of Xinjiang Oilfield，Karamay 834000，China；3.Drilling Engineering Research Institute，CNPC，Beijing 102206，China）

High pressure water jet is the basic mean for improving the efficiency of drilling.Self-excited oscillation pulsed jet is a particular kind of high pressure water jet.Because of its simple structure，all-metal property and making full use of the energy of drilling fluid，it provides theory basis for improving the efficiency of deep drilling and ultra-deep drilling.Based on fluid network lumped parameter theory，an indoor test equipment and a test method are designed，and also the structural parameters and jet features of self-excited oscillation pulsed jet components are ana-lyzed.The results show that fluid network lumped parameter theory can describe the oscillation properties of fluidic elements well.When the diameter ratio of the upper nozzle and the lower noz-zle is 0.75，the ratio of cavity length and cavity diameter is 0.80 and the conic angle of nozzle is 120°，self-excited oscillation pulsed jet has the best performance.

jet drilling；self-excited oscillation；pulse jet；indoor test；jet nozzle

TE926

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.014

1001-3482（2015）07-0057-04

①2015-01-08

黑龙江省青年科学基金“旋转振动钻具的共振碎岩钻孔机理研究”（QC2012C022）

李 玮（1979-），男，黑龙江大庆人，教授，博士生导师，主要从事高效钻井破岩、水力压裂、钻井优化等方面的理论与技术研究，E-mail：cyyping＠sina.com。