自循环粒子射流钻井提速工具机理研究

李世昌，闫立鹏，李建冰，白文路，杨秀丽，闫天宇

(1. 东北石油大学，黑龙江 大庆　163318； 2. 中国石化石油工程技术研究院，北京　100101； 3. 中国石油玉门油田分公司老君庙采油厂采油三队，甘肃 玉门　735000； 4. 大庆油田有限责任公司 采油工程研究院，黑龙江 大庆　163001)

随着深海、深地层油田开采力度不断加大，在钻井过程中经常出现钻进速度慢，井下事故频繁等问题[1-3]，增加了石油开采的施工周期。现有常规钻井方法已不能满足施工要求，因此，国内外学者研究开发新的钻井工具，达到高速破岩的目的，李思琪等[4]研究高频谐波振动冲击破岩机制，有效提高了钻井速度；李玮等[5]将扭转冲击提速工具在文安区块进行应用，机械钻速提高一倍以上；陈养龙等[6]研究了大排量高压射流，优化了水力结构，并在现场进行试验，得到较好的效果。粒子射流冲击钻井技术作为一种高效破岩的方法，被国内外学者深入研究[7-9]，然而该技术需要外部输送粒子装置施工困难，内部存在喷嘴结构导致能量损失严重，这些问题严重制约了粒子射流钻井技术的发展与现场推广。针对这些问题，提出了基于文丘里效应的井下自循环粒子射流钻井方法，该方法直接利用吸入岩屑作为冲击粒子进行破岩。通过研究工具内部流体流动，建立流体的数学模型，并对数学模型进行求解，分析模型各元素对射流压力的影响。

1　自循环粒子射流原理分析

1.1　自循环粒子射流工具的工作原理

基于文丘里效应的自循环粒子射流工具结构如图1。

1 下接头；2 扩散管；3 喉管；4 进液口；5 上喷嘴；6 上接头

图2为工具在井下实现自循环的粒子射流的示意图。

图2　井下自循环粒子射流的示意图

钻井过程中破碎地层生成的大量岩屑与钻井液混合，通过环空向地面运移。钻井液被泵送到井下通过上喷嘴时，流体流速变大，由于卷吸作用流体周围压力变小，环空中的混合物被吸入到工具内部与钻井液混合，混合的液体经钻头喷嘴高速喷出，形成的岩屑粒子射流作用于井底地层，同时，为使射流作用效果更好，可适当改变水力结构，改善钻头与井底附近岩石的受力状况，增强岩屑的启动和净化，以及利用岩屑粒子射流的冲击研磨协同作用，进行破岩、辅助破岩，从而有效提高钻井速度。

1.2　内部流体流动数学建模

混合液体从上喷嘴进入流经工具内部，从下喷嘴喷出的压力可表示为：Pd=P0-△P

Pd为粒子射流在钻头喷嘴的压力，Pa；P0为从流体从上喷嘴进入时的压力，Pa；△P压耗损失，Pa。

其中压耗损耗主要由3部分构成：一是钻井液与管壁之间的摩擦压耗，主要由工具管壁的粗糙度与钻井液的雷诺数决定；二是吸入环空中带有岩屑的钻井液，并将其加速到一定速度的压耗，这一项主要由吸入钻井液的量与岩屑粒子量有关，当吸入的混合物与上喷嘴喷出的钻井液速度相同时，压耗损失消失，这是由于内部颗粒的大小与液滴大小不同导致惯性不同，因此加速与减速的快慢不同，在工具内的速度是一直变化的，所以夹带粒子造成的能量损耗是一直存在的；三是固液界面之间的摩擦压降，这部分能量损耗较小。

1.2.1喷嘴压耗损失与管壁压耗损失

1)喷嘴压耗损失

根据相关文献[10]，选择锥形喷嘴，最佳锥形喷嘴形状为角度是13(°)的锥形入口，接一段长为喷嘴直径3倍的直径，由此通过公式[11]计算出流体流过上喷嘴的压耗损失。

(1)

式中P——压耗，Pa；

Q——泵的排量，L/s；

D——喷嘴直径，mm；

ρ——钻井液密度，kg/m3；

ξ——喷嘴流量系数。

2)管壁压耗损失

假设所使用的钻井液是水基钻井液，满足牛顿流体，可根据(2)式的计算雷诺数。

(2)

根据文献[12]确定摩擦系数的方式计算混合液体在工具内部流动时的摩擦系数，即

(3)

(4)

根据范宁(Fanning)方程[13]，流体在工具内部的压耗可分别由下式求出

(5)

d(△pi)为工具内部某一段的能量损失，Pa；dL为工具内一段长度，m；v0为流体从喷嘴喷出时的速度，m/s；Di为工具在某一位置的直径，m；喉管直径为Ds，m；扩散管垂直长度为H，m；扩散角为φ，(°)；文丘里管的收缩长度为L1，m；收缩角为α，(°)。

1.2.2加速岩屑的压耗损耗

1)假设吸入的固液混合物在进液口速度为0，由动量守恒可知(6)

m0v0=(m0+dma)(v0+dv)

(6)

压耗损失可以表示为：

(7)

式中ΔPr——加速岩屑产生的压耗，Pa；

m0——从喷嘴喷出钻井液，kg；

ma——从环空吸入固液混合物，kg。

其中m0与m1的关系可以根据体积抽射系数表示。体积抽射系数[14]表示上部喷嘴产生的射流从a点吸入环空钻井液的能力，体积抽射系数用β表示。

(8)

式中Qa表示吸入带有粒子的钻井液体积流量，m3/s；

Q1表示从上部喷嘴喷出的钻井液的体积流量，m3/s。

β值可以用下式计算：

(9)

式中Δp2=p2-p3，混合前产生的压力差，Pa；

Δp3=p3-pa，混合后产生的压力差，Pa。

p2、pa、p3分别表示喷嘴喷出钻井液压力、被吸入钻井液压力和混合之后的压力，计算时κ取0.9。

2)夹带岩屑的压耗损失

流体在夹带岩屑时，产生的压耗损失为

ΔPa=f/(A+dA)

(10)

收到的阻力用模型[15]表示为

(11)

其中Ef阻力系数；al液相体积分数；as固相体积分数；ρ液相密度，kg/m3；vs固相速度矢量，m/s；v1液相速度矢量，m/s；d岩屑直径，m；Re颗粒雷诺数。

2　模型求解与分析

工具内部流体流动模型是下喷嘴射流压力与压耗损失、工具结构尺寸与液体中粒子浓度和直径的关系。通过分析各因素对流体压力的影响规律，寻找最优的因素条件。

2.1　相关参数

钻头喷嘴当量直径16 mm，环空压力30 MPa，岩屑质量分数8%，岩屑粒径0.5 mm2。

2.2　压耗损失所占比例

图3为不同能量损耗所占比例，由图可知，管壁与流体摩擦压耗最大，所占比例在80%左右，加速粒子所消耗的能量大约在20%左右，固液之间的摩擦压耗占总压耗比例最小，可以忽略不计。

图3　不同能力损耗所占的比例

2.3　模型因素对下喷嘴射流压力的影响

当钻头的型号不变时，钻头的喷嘴(即水眼)一定，从喷嘴喷出的钻井液压力越大，代表其破岩能力越大。在设定某一因素变化，其他因素不变的情况下，对所建模型进行求解分析。

2.3.1上喷嘴直径对压力的影响

图4为下喷嘴射流压力与下喷嘴直径之间的关系曲线，由曲线可知，随着上喷嘴直径变大，压力先增大后减小，存在最优上喷嘴直径，最优直径10 mm。

图4　不同上喷嘴直径与下喷嘴射流压力的关系曲线

2.3.2喉管直径对压力的影响

图5为下喷嘴喷出钻井液压力与喉管直径之间的关系曲线。由曲线可知，随着喉管直径的变小，开始阶段压力增长缓慢，喉管直径小到某一值之后，压力增长迅速。

图5　不同喉管直径与下喷嘴射流压力的关系曲线

2.3.3喉管长度对压力的影响

图6为不同喉管长度与下喷嘴射流压力的关系曲线。由曲线可知，喉管长度对下喷嘴射流压力没有影响。

图6　不同喉管长度与下喷嘴射流压力的关系曲线

2.3.4粒子直径对压力的影响

图7为岩屑质量分数与下喷嘴压力的关系曲线，随着岩屑质量分数的变大，下喷嘴射流压力先变大后变小，存在最优粒子直径，最优粒子质量分数为12%。

图7　不同粒子质量分数与下喷嘴射流压力的关系曲线

2.3.5粒子质量分数对压力的影响

图8为粒子直径与下喷嘴射流压力的关系曲线，较小直径的粒子对射流压力没有太大影响，随着粒子直径的升高，下喷嘴射流压力先变大后变小。

图8　不同颗粒直径与下喷嘴射流压力的关系曲线

3　结　论

1)研究了基于文丘里效应的井下自循环粒子射流工具，建立了其内部流体流动的压力模型。

2)通过模型因素分析可知，能量损耗是影响工具射流压力的主要因素。主要的能量损耗由管壁粗糙度与流体雷诺数决定，这两者越小，工具的射流压力越大，加速粒子的能耗跟粒子浓度有关，固液之间摩擦压耗较小。

3)随着上喷嘴直径、岩屑质量分数与岩屑直径的变大射流压力先变大后变小，存在最优值；随着喉管直径的变大，射流压力变小；喉管长度对射流压力没有影响。