中心射流泵降壓性能參數(shù)敏感性分析

摘要：為分析射流泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)井下環(huán)空鉆井液壓降的影響，應(yīng)用CFD仿真軟件對(duì)中心射流泵的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生的降壓效果進(jìn)行仿真分析。結(jié)合實(shí)際工況模擬了射流泵的喉管長(zhǎng)度、喉管直徑、噴嘴直徑、噴嘴角度四個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)以及鉆井液密度和排量對(duì)壓降影響的敏感性。同時(shí)，運(yùn)用CFD-DPM方法對(duì)射流泵進(jìn)行了沖蝕分析，給出沖蝕較大的區(qū)域。研究結(jié)果表明：噴嘴直徑相比其他三種參數(shù)對(duì)環(huán)空壓降影響較顯著，喉管長(zhǎng)度、喉管直徑、噴嘴角度對(duì)環(huán)空壓降影響較小;鉆井液排量相對(duì)與鉆井液密度對(duì)射流泵的降壓效果影響更為顯著;沖蝕較大區(qū)域主要出現(xiàn)在射流泵入口處、射流泵彎管拐角處、噴嘴縮徑處。研究結(jié)果可為用于井下起抽吸降壓作用的中心射流泵的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：射流泵;井下工具;結(jié)構(gòu)尺寸;敏感性;降壓

中圖分類(lèi)號(hào)：TE921.2" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.04.002

Sensitivity Analysis of Pressure Reduction Performance Parameters of Central

Jet Pumps

XIE Renjun1， REN Meipeng1， WANG Junyan1，SHI Changshuai2， ZHAO Yuanhao2， CHENG Feilong2

（1.CNOOC Research Institute Company Limited，Beijing 100027，China;

2. School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

Abstract： To analyze the influence of jet pump structural parameters on the hydraulic drop of annular wells，CFD simulation software was used to simulate and analyze the pressure reduction effect of different structural parameters of the central jet pump. Four key structural parameters， including pipe length，pipe diameter，nozzle diameter，and nozzle angle，as well as the sensitivity of drilling fluid density and displacement to pressure drop，were simulated based on actual working conditions. In addition，the erosion analysis of the jet pump is carried out by CFD-DPM method，and the area with large erosion is given. The results show that，compared with the other three parameters，the nozzle diameter has a significant effect on the annular pressure drop，while the pipe length，pipe diameter and nozzle angle have little effect on the annular pressure drop. Compared with drilling fluid density，drilling fluid displacement has a more significant effect on the pressure reduction effect of jet pump. The large area of erosion occurs mainly at the inlet of the jet pump，the corner of the jet pump bend and the nozzle reduction. The research results provide a reference for the structural size design of the central jet pump used for pumping and depressurizing.

Key words： jet pump; downhole tools; structure size; sensitivity; decompression

水力射流泵作為一種井下降壓工具，鉆井液通過(guò)射流泵噴嘴射出高速低壓流體，從而在端面周?chē)纬上鄬?duì)“負(fù)壓”區(qū)，產(chǎn)生一定的抽吸作用，吸入流體與動(dòng)力液經(jīng)喉管混合，再經(jīng)擴(kuò)散管擴(kuò)散[1]，達(dá)到對(duì)環(huán)空中鉆井液壓力降低的效果。根據(jù)其噴嘴和吸入室位置的不同，射流泵分為中心射流泵和環(huán)形射流泵[2-3]。本文主要分析一種用于井下降壓的中心射流泵，主要通過(guò)內(nèi)部流道中的高壓鉆井液，通過(guò)射流泵噴出高速流體抽吸環(huán)控中的鉆井液，達(dá)到降壓的目的。降低環(huán)空鉆井液壓力從而降低井底壓差，降低井底壓差，減小巖屑的壓持效應(yīng)，可以顯著提高鉆井的機(jī)械鉆速[4-5]，保證整個(gè)鉆井系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

中心射流泵由于內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，且傳統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的研究方法需要消耗大量時(shí)間，周期較長(zhǎng)，相比之下，有限元仿真模擬作為有效途徑，得到廣泛應(yīng)用。Malllela等人[6]分析了影響射流泵效率的原因，發(fā)現(xiàn)混合管內(nèi)工作流體和引射流體的混合程度是影響射流泵效率的關(guān)鍵因素; 吳穎東等人[7]采用數(shù)值模擬方法研究了可調(diào)式射流泵的噴嘴距、噴針行程和流量比對(duì)其性能和效率的影響，確定了最佳工況參數(shù);白雅婷等人[8]采用ANSYS Fluent對(duì)一種應(yīng)用于石油開(kāi)采的射流泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)喉嘴距為1.0～2.0d時(shí)射流泵性能較好，面積比約為6.76時(shí)效率最佳;王常斌等人[9]利用PHOENICS模擬研究中心射流泵喉嘴距，確定最優(yōu)喉嘴距范圍為0.7～1.3倍噴嘴直徑;龍新平[10]采用數(shù)值模擬方法研究中心射流泵喉嘴距，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)喉嘴距范圍為0.5～1.5倍噴嘴直徑。

目前，關(guān)于中心射流泵的大部分研究都僅是研究了在常規(guī)環(huán)境下射流泵的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)射流泵效率的影響，研究用于井下降壓的中心射流泵的相關(guān)文獻(xiàn)較少，且大多數(shù)未結(jié)合實(shí)際工況分析射流泵的降壓效果。本文針對(duì)一種降低環(huán)空鉆井液壓力的射流泵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析其對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)以及工況參數(shù)對(duì)井底環(huán)空降壓的敏感性。

1 計(jì)算模型

鉆井過(guò)程中，鉆井液沿工具中心向下流動(dòng)，一小部分流體作為動(dòng)力液通過(guò)射流泵的入口進(jìn)入噴嘴，壓力降低，速度增大;另一部分流體向井底流動(dòng)，攜帶巖屑，在動(dòng)力液體的作用下，抽汲加速，實(shí)現(xiàn)壓降。其射流泵結(jié)構(gòu)原理如圖 1所示，主要通過(guò)動(dòng)力液通過(guò)噴嘴射流出高速低壓流體對(duì)環(huán)控中的鉆井液進(jìn)行抽吸。

1.1 理論分析

射流泵的基本參數(shù)主要包括面積比m、流量比q和壓力比h等[11]。

1） 無(wú)量綱流量比q。

q= （1）

式中：q1為動(dòng)力液的體積流量，m3/s;q2為吸入液的體積流量，m3/s。

2） 無(wú)量綱壓力比p

p= （2）

式中：pd為擴(kuò)散管出口處的截面壓力，Pa;ps為吸入液入口處的截面壓力，Pa;pn為動(dòng)力液入口處的截面壓力，Pa。

3） 無(wú)量綱揚(yáng)程比N

N= （3）

式中：Hd為射流泵的排出揚(yáng)程，m;Hs為射流泵的吸入揚(yáng)程，m;Hn為射流泵的工作揚(yáng)程，m;ρ3為混合液的密度，kg/m3;ρ2為吸入液的密度， kg/m3;ρ1為動(dòng)力液的密度，kg/m3。

4） 無(wú)量綱面積比m

m =" = （4）

式中：S1為喉管截面積，mm2;S2為噴嘴出口處的面積，mm2;D為喉管界面直徑，mm;d為噴嘴出口截面直徑，mm。

5） 射流泵效率

η = q （5）

射流泵在具體射流過(guò)程中，吸入室流體流場(chǎng)和能量交換及其復(fù)雜，在喉管區(qū)域由于兩股流體混合同樣伴隨著流體速度、壓力的劇烈變化，動(dòng)力液為環(huán)空中的鉆井液提供能量，在吸入室和喉管區(qū)域進(jìn)行能量交換，實(shí)現(xiàn)降低環(huán)空中鉆井液壓力，在此射流過(guò)程中動(dòng)力液、鉆井液、混合液都存在沿程損失，但這些能量的轉(zhuǎn)換都符合能量守恒定律。

假設(shè)各界面壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布均勻，根據(jù)文獻(xiàn)[11]的推導(dǎo)，現(xiàn)在普遍采用的射流泵基本方程為：

式中：φ1為噴嘴流速系數(shù)，0.95～0.975;φ2為喉管流速系數(shù)，0.975，φ3為擴(kuò)散管流速系數(shù)，0.9;φ4為喉管入口段流速系數(shù)，0.8～0.85;φ1、φ2、φ3、φ4值均由經(jīng)驗(yàn)確定。

由式（6）可知，當(dāng)面積比m和各個(gè)流速系數(shù)均已確定時(shí)，射流泵的基本方程可近似簡(jiǎn)化為一次函數(shù)，即q-h曲線近似為直線，因此，可將射流泵基本方程式（6）簡(jiǎn)化表達(dá)為：

h = φ12（q0-q） （7）

式中： h0和q0是性能系數(shù)，它與m有關(guān)，其表達(dá)式為：

m = 1～3，q0 = （5m-0.944 5）0.5-1.75

h0 = 2.667-0.002 3（m+26.07）2（8）

m = 3～25，q0 = （5m-0.94）0.5-1.7

h0 = 1.45m-0.892（9）

式（8）和（9）為射流泵性能方程適用于面積比m為1～25時(shí)的經(jīng)驗(yàn)式。

由上述推導(dǎo)可知壓力比、流量比、面積比為射流泵基本性能方程中的三個(gè)變量，當(dāng)確定其中的兩項(xiàng)時(shí)即可算出另一個(gè)參數(shù)[12]，最終結(jié)合以上理論分析，再結(jié)合井底實(shí)際工況，初定結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

將以上射流泵理論結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)合實(shí)際井下工況，建立三維實(shí)體模型（如圖 2所示），該模型主要模擬了鉆頭水眼及井底，整體上形成一個(gè)完整的自循環(huán)系統(tǒng)（鉆井液從工具內(nèi)部到環(huán)空）。

1.2 有限元模型

根據(jù)圖 2射流泵三維實(shí)體模型，對(duì)流體域進(jìn)行抽取，由于射流泵內(nèi)部流動(dòng)屬于不規(guī)則區(qū)域的有限空間射流流動(dòng)，在射流泵內(nèi)部流場(chǎng)很難復(fù)雜，尤其在噴嘴處，鉆井液流速很大，根據(jù)速度梯度進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在速度大、流場(chǎng)復(fù)雜的區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格模型如圖 3所示。

本文采用k-ε湍流模型中的RNG模型，該模型可以通過(guò)在公式中增加條件，從而提高求解精度，該模型考慮了湍流引起的漩渦，所以相比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型更加復(fù)合實(shí)際問(wèn)題，且該模型對(duì)瞬變流等可以做出很好的反應(yīng)。在有限元仿真軟件中，壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，流體選取水作為介質(zhì)，通過(guò)改變密度來(lái)模擬鉆井液;選擇入口為速度邊界條件，通過(guò)入口流量和入口截面面積確定入口速度;出口為壓力出口邊界條件，設(shè)置為0;選擇瞬態(tài)進(jìn)行求解，選擇求解方法為SIMPLE，時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-3 s。

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

射流泵內(nèi)的流動(dòng)為有限空間軸對(duì)稱(chēng)流動(dòng)，依照相關(guān)成果資料[13-15]， 采用二維軸對(duì)稱(chēng)模型可以滿足研究需要。在網(wǎng)格劃分時(shí)分別取15 804、27 692、62 933三種不同網(wǎng)格數(shù)量，研究在不同網(wǎng)格數(shù)量下隨流量變化對(duì)壓降的影響。如圖 4所示，在三種不同網(wǎng)格數(shù)量下壓降隨流量變化趨勢(shì)相同，在網(wǎng)格數(shù)量為15 804的模型相比其他兩種模型在流量為2.5和3 m3/min相對(duì)誤差較大，而網(wǎng)格數(shù)量為27 692和62 933兩種模型隨流量變化的壓降值基本一致，誤差在5%以?xún)?nèi)。從整體上看，隨網(wǎng)格數(shù)量增大相對(duì)誤差降低，但綜合考慮相對(duì)誤差和計(jì)算效率，最終選擇網(wǎng)格數(shù)量為27 692進(jìn)行模擬計(jì)算。

1.4 流場(chǎng)分析

為分析該工具的可行性，對(duì)整體流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析。如圖 5所示為整體流體域速度矢量分布圖，流體由入口流入，一部分沿射流泵入口流入內(nèi)表面進(jìn)入噴嘴，另一部分沿主流道流入井底再到環(huán)空返排出去。在鉆井液流到井底時(shí)，由于井底工況復(fù)雜，會(huì)存在渦旋且流場(chǎng)復(fù)雜，但由于本文主要研究射流泵幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)壓降的敏感性，井底復(fù)雜流場(chǎng)影響較小，不影響結(jié)果。整個(gè)流體域的流體大體方向跟圖 2一致，且在噴嘴出口區(qū)域可以看到噴出高速低壓流體對(duì)環(huán)空中鉆井液進(jìn)行抽吸，可以實(shí)現(xiàn)降壓效果。

如圖 6所示為整體速度云圖。從圖6中6個(gè)切片可以看出，工作液由射流泵入口進(jìn)入噴嘴內(nèi)部，速度相對(duì)較小;在噴嘴縮徑，流體速度增大;由噴嘴出口噴出高速低壓流體;在吸入腔產(chǎn)生負(fù)壓抽吸環(huán)空鉆井液，此時(shí)噴嘴噴出流體進(jìn)行初步混合，混合流體流速逐漸下降;然后經(jīng)喉管進(jìn)行混合，在喉管入口處，流場(chǎng)復(fù)雜，混合未完全，速度相對(duì)喉管中部來(lái)說(shuō)相對(duì)較低;在喉管中下部是工作液和環(huán)空鉆井液發(fā)生劇烈混合的主要區(qū)域，流速達(dá)到最大值。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

2.1 噴嘴角度結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性數(shù)值模擬

隨噴嘴角度α的變化對(duì)射流泵在噴嘴處的局部損失有一定影響，從而影響射流泵產(chǎn)生的壓降，所以對(duì)射流泵的噴嘴角度敏感性分析很有必要。選取射流泵結(jié)構(gòu)參數(shù)為：噴嘴直徑6 mm;喉管直徑14 mm;喉管長(zhǎng)度30 mm;分別選擇噴嘴角度為11°、13°、15°、17°分析噴嘴角度對(duì)射流泵壓降的影響。

噴嘴角度與噴嘴出口壓力關(guān)系如圖7所示，隨噴嘴角度增大，噴嘴出口產(chǎn)生的負(fù)壓線性降低，由于測(cè)量值為靜壓，出口壓力數(shù)值上為負(fù)值。噴嘴角度增大會(huì)使得在噴嘴處局部損失增大，導(dǎo)致在噴嘴出口處產(chǎn)生的負(fù)壓降低。噴嘴角度由11°增大到17°，噴嘴出口產(chǎn)生的負(fù)壓由0.239 2 MPa降低到0.225 MPa，降低了6%，表明噴嘴角度對(duì)其影響不顯著。

噴嘴角度增大使得噴嘴出口產(chǎn)生的負(fù)壓減小，在一定程度上對(duì)降低環(huán)空鉆井液壓力起消極作用。如圖 8所示，在隨噴嘴角度增加，射流泵產(chǎn)生的壓降線性下降，表明過(guò)大的噴嘴角度導(dǎo)致噴嘴產(chǎn)生的局部損失增大;此外，噴嘴由11°增大到17°，壓降由0.63 MPa下降到0.605 MPa，下降了4%，在一定程度上增大了局部損失，但總體來(lái)說(shuō)噴嘴角度對(duì)壓降不是很敏感。

2.2 噴嘴直徑結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性數(shù)值模擬

根據(jù)伯努利方程可知，隨噴嘴出口直徑減小，噴嘴出口鉆井液流速將會(huì)增大，鉆井液流速越大壓力越小，此外，噴嘴出口直徑對(duì)局部損失也存在一定程度的影響，所以分析壓降對(duì)噴嘴直徑的敏感性很有必要。選取結(jié)構(gòu)參數(shù)為：噴嘴角度13 °;喉管直徑14 mm;喉管長(zhǎng)度30 mm;鉆井液密度1.5 g/cm3。分別選擇噴嘴直徑為4、5、6、7 mm分析噴嘴直徑對(duì)射流泵壓降的影響。

噴嘴直徑與噴嘴出口壓力關(guān)系如圖 9所示，隨噴嘴直徑增大，導(dǎo)致噴嘴噴出的鉆井液流速降低，導(dǎo)致噴嘴出口處產(chǎn)生的負(fù)壓線性降低。噴嘴直徑由4 mm增大到7 mm，噴嘴出口處產(chǎn)生的負(fù)壓由0.416 8 MPa降到0.200 3 MPa，降低了52%，表明噴嘴直徑對(duì)噴嘴出口處產(chǎn)生的負(fù)壓影響很顯著。

噴嘴直徑增大使得噴嘴出口產(chǎn)生的負(fù)壓降低，影響噴嘴噴出工作液對(duì)環(huán)空鉆井液的抽吸作用。如圖 10所示為噴嘴出口直徑與環(huán)空壓降關(guān)系圖，隨噴嘴出口直徑增加，環(huán)空壓降線性下降，但由于考慮到鉆井液中攜帶大顆粒巖屑，最小噴嘴直徑只取到了4 mm。噴嘴出口直徑增大，一方面可以降低射流泵由于噴嘴收縮引起的局部壓力損失，但從另一方面來(lái)說(shuō)，噴嘴出口直徑增大，噴嘴出口鉆井液速度將會(huì)降低，導(dǎo)致射流泵產(chǎn)生的抽吸作用降低，從而導(dǎo)致壓降下降。噴嘴直徑由4 mm增大到7 mm，環(huán)空壓降由0.841 MPa下降到0.59 MPa，下降了30%，相對(duì)噴嘴角度來(lái)說(shuō)，噴嘴出口直徑的敏感性更高。

2.3 喉管直徑尺寸敏感性數(shù)值模擬

在喉管區(qū)域，提供壓力的工作液（噴嘴內(nèi)部鉆井液）將會(huì)與被抽吸的環(huán)空中的鉆井液相混合，喉管直徑大小會(huì)影響兩者的流進(jìn)該區(qū)域的流量，對(duì)最終的壓降也存在影響，所以分析壓降對(duì)喉管直徑的敏感性很有必要。選取結(jié)構(gòu)參數(shù)為：噴嘴直徑6 mm;噴嘴角度13°;喉管長(zhǎng)度30 mm;鉆井液密度1.5 g/cm3。分別選擇喉管直徑為12、13、14、15 mm分析喉管直徑對(duì)射流泵壓降的影響。

如圖 11所示為噴嘴出口壓力和喉管直徑關(guān)系圖，隨喉管直徑增大，噴嘴出口產(chǎn)生的負(fù)壓線性增大，但喉管直徑由12 mm增大到15 mm，噴嘴出口產(chǎn)生的負(fù)壓由0.224 5 MPa增大到0.235 7 MPa，增大了5%，表明喉管直徑對(duì)噴嘴出口壓力影響不顯著。

雖然喉管直徑增大，噴嘴出口產(chǎn)生的負(fù)壓降低，對(duì)壓降來(lái)說(shuō)起消極作用，但如圖 11中所示，喉管直徑增大使得喉管中的負(fù)壓降低，降低了對(duì)環(huán)空鉆井液的抽吸效果。如圖 12所示為喉管直徑與壓降關(guān)系圖，隨喉管直徑的增大，壓降線性下降。喉管直徑由12 mm增大到15 mm，壓降由0.64 MPa下降到0.617 MPa，下降了3.6%，相對(duì)來(lái)說(shuō)喉管直徑對(duì)壓降影響不顯著。

2.4 喉管長(zhǎng)度尺寸敏感性數(shù)值模擬

喉管長(zhǎng)度在一定程度上同樣影響著噴嘴噴出的工作液和環(huán)空中被抽吸鉆井液的混合程度，過(guò)短的喉管長(zhǎng)度將會(huì)導(dǎo)致兩者未被充分混合就進(jìn)入擴(kuò)散管，從而影響降壓性能。選取結(jié)構(gòu)參數(shù)為：噴嘴直徑6 mm;噴嘴角度13°;喉管直徑14 mm;鉆井液密度1.5 g/cm3。分別選擇喉管長(zhǎng)度為25、30、35、40 mm分析喉管長(zhǎng)度對(duì)射流泵壓降的影響。

如圖 13所示為噴嘴出口壓力與喉管長(zhǎng)度關(guān)系圖，隨喉管長(zhǎng)度增長(zhǎng)，噴嘴出口處噴出的鉆井液產(chǎn)生的負(fù)壓先增加后降低，產(chǎn)生的最大負(fù)壓為0.234 4 MPa，最小負(fù)壓為0.228 7 MPa，降低了2.6%，表明喉管長(zhǎng)度對(duì)噴嘴產(chǎn)生的負(fù)壓影響不顯著。

喉管長(zhǎng)度影響著工作液和環(huán)空中鉆井液的混合程度，喉管越長(zhǎng)兩者的混合程度越好，但由于喉管內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，長(zhǎng)度越長(zhǎng)沿程損失越大。如圖14所示，隨喉管長(zhǎng)度增加，壓降先增大后減小。表明喉管長(zhǎng)度在25 mm到35 mm范圍內(nèi)，隨喉管長(zhǎng)度增大，工作液和被抽吸鉆井液混合程度增大，這對(duì)于環(huán)空壓降來(lái)說(shuō)是有利因素，因此在該范圍內(nèi)壓降線性增大;但隨著喉管長(zhǎng)度增大到40 mm時(shí)，過(guò)長(zhǎng)的喉管長(zhǎng)度會(huì)使得喉管中混合鉆井液的沿程損失增大，使得喉管中混合鉆井液速度降低，在一定程度上會(huì)降低環(huán)空中的壓降。但總體來(lái)說(shuō)隨喉管長(zhǎng)度增大對(duì)壓降的影響不大，在喉管直徑為25 ～40 mm范圍內(nèi)最大壓降為0.626 MPa，最小壓降為0.619 MPa，由最大壓降到最小壓降僅降低了1.1%。表明壓降對(duì)喉管長(zhǎng)度不敏感。

3 工況參數(shù)對(duì)壓降敏感性分析

隨入口排量增大，內(nèi)部流到中的靜壓增大，導(dǎo)致射流泵內(nèi)部以及環(huán)空中鉆井液壓力變化，從而影響射流泵產(chǎn)生的壓降;此外，由伯努利方程可知，隨流體的密度變化，對(duì)相同排量下的鉆井液壓力和速度產(chǎn)生影響，從而影響沿程損失和局部損失，導(dǎo)致對(duì)射流泵產(chǎn)生的降壓性能發(fā)生變化。所以對(duì)于排量和鉆井液密度對(duì)射流泵降壓性能分析很有必要。

結(jié)合以上對(duì)射流泵結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性分析，再結(jié)合實(shí)際工況，得出最優(yōu)射流泵就夠參數(shù)為：噴嘴角度11°;噴嘴直徑4 mm;喉管直徑12 mm;喉管長(zhǎng)度35 mm。

如圖 15所示為在不同鉆井液密度、不同排量下射流泵壓力云圖，在相同排量下，隨鉆井液密度增大，噴嘴內(nèi)部壓強(qiáng)越高，噴嘴出口處產(chǎn)生的負(fù)壓越大;在相同排量下，隨鉆井液密度增大，噴嘴內(nèi)部壓強(qiáng)越高，噴嘴出口處產(chǎn)生的負(fù)壓越大。

如圖16所示為射流泵在不同鉆井液密度下產(chǎn)生的壓降與排量的關(guān)系圖，整體來(lái)說(shuō)隨鉆井液排量增大和鉆井液密度增大，都會(huì)使壓降線性增大，表明鉆井液排量和鉆井液密度對(duì)于壓降來(lái)說(shuō)都是有利因素。射流泵壓降隨排量變化為二次曲線，隨排量增大，壓降效果越顯著;在相同排量下，隨密度增大，壓降增大，但壓降增幅在降低。表明隨鉆井液流量增大，射流泵壓降的敏感性增大;隨鉆井液密度增大，射流泵壓降的敏感性降低;相對(duì)來(lái)說(shuō)，鉆井液排量對(duì)射流泵的降壓效果影響相比鉆井液密度更為顯著。

4 沖蝕分析

為分析射流泵噴嘴的沖蝕情況，運(yùn)用CFD-DPM方法，考慮顆粒與流體的雙向耦合作用，對(duì)該井下降壓工具進(jìn)行沖蝕模擬，分析射流泵的沖蝕情況。設(shè)置離散相質(zhì)量流量為0.254 kg/s，惰性顆粒密度2.5 g/cm3，直徑0.5 mm，入口鉆井液速度8.5 m/s，密度1.5 g/cm3。

如圖17～18所示分別為射流泵沖蝕云圖和射流泵速度矢量圖，在射流泵入口處由于流道垂直，顆粒對(duì)射流泵入口一側(cè)壁面產(chǎn)生高速碰撞，出現(xiàn)較大沖蝕;流進(jìn)射流泵內(nèi)流道的顆粒在射流泵彎管拐角處由于流道改變對(duì)彎管拐角處上側(cè)產(chǎn)生沖蝕;當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)到噴嘴縮徑處，由于流體部分處于流道上方，主要對(duì)噴嘴縮頸上側(cè)產(chǎn)生沖蝕。為改善沖蝕，目前主要通過(guò)對(duì)沖蝕嚴(yán)重的表面涂防沖蝕涂層，防沖蝕涂層的種類(lèi)很多，大致可分為金屬涂層、非金屬涂層和復(fù)合涂層三類(lèi)[16]。對(duì)于射流泵入口處和噴嘴縮徑處產(chǎn)生較大沖蝕的區(qū)域，可通過(guò)涂防沖蝕涂層的方法以改善沖蝕情況，提高射流泵壽命;此外，對(duì)于彎管處產(chǎn)生的沖蝕，可采用三角形槽的表面仿生結(jié)構(gòu)[17]，提高抗沖蝕特性。

5 結(jié)論

1） 對(duì)射流泵四個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬得到四種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓降的影響，得出噴嘴直徑相比其他三種參數(shù)來(lái)說(shuō)對(duì)環(huán)空壓降影響較顯著，喉管長(zhǎng)度、喉管直徑對(duì)環(huán)空壓降影響較小。

2） 分析了射流泵在不同鉆井液排量和不同鉆井液密度下對(duì)降壓效果的影響，鉆井液排量相對(duì)與鉆井液密度來(lái)說(shuō)對(duì)射流泵的降壓效果影響更為顯著。

3） 對(duì)用于井下起抽吸降壓作用的中心射流泵的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)提供一定的參考。

4） 通過(guò)CFD-DPM模型對(duì)射流泵沖蝕情況進(jìn)行數(shù)值模擬，指出了射流泵入口處和噴嘴縮徑處及彎管拐角處為沖蝕較大的位置，前兩者可通過(guò)對(duì)內(nèi)表面涂防沖蝕涂層改善沖蝕情況;后者可通過(guò)采用三角形槽的表面仿生結(jié)構(gòu)提高壽命。

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收稿日期： 2023-12-04

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金（52174210）;南充市-西南石油大學(xué)市校科技戰(zhàn)略合作項(xiàng)目（SXHZ049）。

作者簡(jiǎn)介： 謝仁軍（1983-），男，陜西陽(yáng)縣人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事海洋石油鉆完井方面的技術(shù)研究工作，E-mail：xierj@cnooc.com.cn。