自激振蕩脈沖射流噴嘴結構優選試驗研究

李　瑋，紀照生，劉景宇，李顯義

（1.東北石油大學，黑龍江大慶163318；2.新疆油田勘察設計研究院，新疆克拉瑪依834000；3.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京102206）①

試驗研究

自激振蕩脈沖射流噴嘴結構優選試驗研究

李瑋1，紀照生1，劉景宇2，李顯義3

（1.東北石油大學，黑龍江大慶163318；2.新疆油田勘察設計研究院，新疆克拉瑪依834000；3.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京102206）①

高壓水射流是鉆井提速的基本技術手段。自激振蕩脈沖射流是一種特殊的高壓水射流，因其結構簡單、全金屬性及充分利用鉆井液能量等優點，成為深井、超深井鉆井提速研究熱點。根據流體網絡集中參數理論，設計了室內試驗裝置和試驗方法，對自激振蕩脈沖射流元件的結構參數與射流特性進行了室內試驗分析。結果表明：流體網絡集中參數理論能夠很好地描述射流元件的振蕩特性；當上下噴嘴直徑比為0.75、腔長腔徑比為0.80、噴嘴錐角為120°時，自激振蕩脈沖射流性能最好。

噴射鉆井；自激振蕩；脈沖射流；室內試驗；射流噴嘴

隨著深層油氣勘探開發的不斷深入，深井、超深井的鉆井提速壓力日益增大。理論研究和現場實踐表明［1-2］，脈沖射流可改善井底巖石的受力狀況，強化井底巖屑的凈化，能夠提高鉆頭破巖速度。

自激振蕩脈沖射流因其具備結構簡單、體積小和無附加外驅動機構等優點，受到國內外研究者的關注［3］。文獻［4-5］對圓柱形空腔產生自激振動現象進行了研究，并分析了該噴嘴的變壓特性和空化作用。文獻［6］通過試驗得到了低壓大流量下自激振蕩噴嘴結構參數的最佳配比，并分析了與高壓小流量優化結構配比參數差異的原因。文獻［7-8］分析了噴嘴直徑、腔徑、腔長和下噴嘴錐角等參數對自激振蕩射流脈沖特性的影響。

本文建立了自激振蕩脈沖射流噴嘴的物理模型，設計了室內試驗裝置和方法，采用正交試驗對元件幾何模型的結構參數與脈沖射流特性關系進行探索，為脈沖射流性能優化提供試驗依據。

1　射流噴嘴幾何模型及工作原理

自激振蕩脈沖射流噴嘴簡化結構如圖1，其工作原理是：在噴嘴腔室內會形成1對壓力和大小呈周期性變化的渦環，當其與出口壁沖擊碰撞時會產生高壓區，同時產生壓力脈沖波，該波以聲速向上游傳播，誘發新的渦量脈動。若分離區與碰撞區的壓力脈動互為反相，就會形成渦量擾動—放大—新的渦量脈動產生的循環過程。該過程不斷重復，就會形成強烈的自激振蕩脈沖射流。研究表明：當射流元件放大的壓力擾動頻率是本身固有頻率的整數倍時，便產生諧振［9］。

圖1　自激振蕩噴嘴工作原理

脈沖射流噴嘴的結構參數包括上噴嘴直徑d1，下噴嘴直徑d2，腔長HC，腔徑DC，下噴嘴錐角α。為了研究射流元件的結構特性及其尺寸變化對自激振蕩脈沖射流性質的影響，射流元件結構各參數皆為可變參數。

2　數學模型

自激振蕩脈沖射流沖擊效果主要取決于射流動能的大小和空化效應的強弱。裝置的頻率特性對脈沖射流沖擊效果有著決定性的影響。根據流體網絡集中參數理論，以流體質量流量比擬電流，以流體壓力比擬電壓，由小擾動流體網絡理論建立自激噴嘴集中參數網絡模型，如圖2所示。

圖2　自激噴嘴集中參數等效模型

由似穩假設條件可得［10］

式中：v為流體的平均速度，m/s；ζ為噴嘴的局部阻力系數；Cf為噴嘴的流量系數；A為噴嘴截面積，m2；a為振蕩腔內流體的波速，m/s；L為噴嘴前管路流體慣性引起的流感；C為流體壓縮引起的振蕩腔室的流容；d0為管路直徑；l0為管路長度。

由式（3）可見，流量不僅與腔室結構尺寸有關，還與流體性質有關。

若初始條件p1（t）＝0，p2（t）＝0，可得該系統壓力系數為

式中：p1為噴嘴入口壓力；p2為噴嘴出口壓力；s為拉普拉提算子，s＝a＋jω，a≥0；ωn為系統固有頻率，?為系統的阻尼系數，ξ＝；K為系統的放大倍數，K＝R1/（R1＋R2）。

相應的頻率響應函數、頻幅特性分別為

由上述分析可知：該噴嘴裝置的固有頻率與上、下流噴嘴的流阻比R1/R2和管路流感與腔室流容的積LC有關，主要由噴嘴的形狀、結構參數和波速決定，當流體參數不變時只受噴嘴結構參數影響。

3　室內試驗

3.1 試驗裝置

依托東北石油大學油氣鉆井技術國家工程實驗室的多功能液相高壓循環系統，進行了室內模擬試驗。試驗裝置（如圖3）由自激脈沖噴嘴、巖心夾持裝置、高壓泵等多個部件組成。巖心夾持器放置在防護罩內，可以由控制系統控制并通過導軌進行上下移動，以此調節靶距。另外，泵的流量、截止閥的閉合也可以通過控制系統控制。

圖3　試驗裝置

3.2 試驗方法

試驗從最小的上噴嘴直徑做起，先根據情況對腔長做3～5次調節，觀察自激脈沖射流效果。然后在優選較好的腔長情況下，對下噴嘴直徑做3～5次調節，優選出最佳的下噴嘴直徑。最后再調節3～5次下噴嘴壁夾角α，對α進行優選。

為了消除其他因素對試驗的影響，射流介質統一為清水，試驗巖石為石英砂，射流沖擊巖石時間設定為300 s，泵壓力為20 MPa，巖樣與射流噴嘴的距離為2.5倍噴嘴出口直徑。用橡皮泥填充射流沖蝕破碎坑，用橡皮泥的質量來計算破碎坑的大小，進而評價當前噴嘴射流脈沖的破巖能力。

4　自激振蕩射流試驗結果及優選

為了使研究更有普遍性，對各參數做無量綱化處理。固定上噴嘴直徑d1為10 mm，腔徑DC為100 mm，通過改變下噴嘴直徑d2、腔長HC及下噴嘴錐角α，以射流巖石破碎坑的體積作為評判標準，來分析d1/d2、HC/DC及α對脈沖射流噴嘴特性的影響。試驗結果如圖4～6所示。

由圖4～6可以看出：隨著上下噴嘴直徑之比、腔長腔徑之比及下噴嘴錐角的增大，脈沖射流效果均存在先增大后減小的趨勢，且存在1個最佳值，使得脈沖射流破巖效果最好。進一步觀察分析可得：當d1/d2值為0.75、HC/DC為0.8、α＝120°時，射流元件的脈沖效果最好。

圖4　破碎坑體積隨上下噴嘴直徑比的變化曲線

圖5　破碎坑體積隨腔長腔徑比變化曲線

圖6　破碎坑體積隨下錐角α的變化曲線

5　結論

1） 根據流體網絡集中參數理論，分析得出射流噴嘴固有頻率的影響因素，并指出流體參數不變時，固有頻率只受噴嘴結構參數影響。

2） 設計了一系列的自激振蕩脈沖射流噴嘴，并應用室內試驗裝置進行了相應的評價試驗。

3） 試驗結果表明：上下噴嘴直徑比為0.75、腔長腔徑比為0.80、噴嘴錐角為120°時，自激振蕩脈沖射流性能最好。

［1］ 王瑞和.高壓水射流破巖機理研究［M］.東營：中國石油大學出版社，2010：1-15.

［2］ 劉華潔，高文金，涂輝，等.一種能有效提高機械鉆速的水力振蕩器［J］.石油機械，2013（7）：46-48.

［3］ 杜玉昆，王瑞和，倪紅堅.環空流體吸入式自激振蕩脈沖射流大渦模擬研究［J］.水動力學研究與進展（A輯），2009（4）：455-462.

［4］ 廖振方，龔欣榮，唐川林.自激脈沖空化射流裝置的沖蝕效果［J］.重慶大學學報（自然科學版），1991（1）：60-66.

［5］ 廖振方，唐川林，張鳳華.自激振蕩脈沖射流噴嘴的試驗研究［J］.重慶大學學報（自然科學版），2002（2）：28-32.

［6］ 李江云，徐如良，王樂勤.自激脈沖噴嘴發生機理數值模擬［J］.工程熱物理學報，2004，25（2）：241-243.

［7］ 李江云，徐如良，王循明，等.自激脈沖射流發生裝置試驗報告［Z］.2003.

［8］ 葛兆龍，周哲，盧義玉，等.影響自激振蕩脈沖射流性能的噴嘴結構參數研究［J］.四川大學學報（工程科學版），2013（5）：160-165.

［9］ 王循明.自激振蕩脈沖射流裝置性能影響因素數值分析及噴嘴結構優化設計［D］.杭州：浙江大學，2005.

［10］ 羅志昌.流體網絡理論［M］.北京：機械工業出版社，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

黑龍江省青年科學基金“旋轉振動鉆具的共振碎巖鉆孔機理研究”（QC2012C022）

李 瑋（1979-），男，黑龍江大慶人，教授，博士生導師，主要從事高效鉆井破巖、水力壓裂、鉆井優化等方面的理論與技術研究，E-mail：cyyping＠sina.com。