基于新型圍壓控制系統的射流動壓影響試驗研究

Experimental Study on the Influence of Jet Dynamic Pressure Based on a New ConfiningPressure Control System

Zhou Shijie1LuWeiping'Liu Jiawei1Zhang Zheng1Zhu Ye1Luo Bin （1.JianghanMachineryResearchInstituteLimitedCompanyofCNPC；2.DownholeSeruiceCompany，CNPCChuanqingDrill ingEngineeringCompany Limited）

Abstract： To address challenges such as low operating eficiency and poor descaling effct in jet stimulation operation of deep/ultra-deep wells，the influence of downhole environmental pressre （confining pressure）on jet dynamic pressure has been studied at home and abroad.The confining pressure loaded in the previous study is mainly below 2O MPa，and the throtling method is used toadjust the pressure，which is inconvenientto control and the accuracy is not high. In this paper，a self-developed high confining pressure control system was used for simulation of higher confining pressure，achieving O＼～1Oo MPa stepless pressure regulation，and monitoring the jet dynamic pressure and confining pressure inreal time.Moreover，the experimental error possibly existed in the system was evaluated，and a preliminary testof confining pressre ≤55 MPa was carried out，verifyingthe feasibility of the new confining pressure loading system.The study results show that when the confining pressure is less than or equal to 10MPa ，the jet dynamic pressure decays significantly.As the confining pressure increases，the attenuation amplitude of jet dynamic pressure gradually decreases.The study results guide the jet operation of ultra-deep wells，and lay a foundation for further consolidating the jet attnuation characteristics under confining pressure and improving the theory of jet attenuation under high confining pressure.

Keywords： deep well; high speed jet；confining pressure;hydraulic control; impact pressure

0 引言

深層油氣資源尤其是 8000m 以深超深層油氣資源的高效開發，是保障我國能源增儲上產的重要領域。現勘探開發最大井深超過 8800m ，地層壓力最高超過 140MPa ，井口關井壓力最高115MPa 。而隨著深層油氣井長時間生產，面臨高壓高產井堵塞后產量損失大的問題。采用高速射流進行井筒或油管內的清理作業，可實現快速解堵復產。根據現場作業實踐經驗，在深度超過 6000m 的井射流解堵作業過程中存在施工效率低、除垢效果差的問題。作業工程師們一直關注如何在井下復雜工況下提高水射流作業性能。深井的高圍壓環境是重要的因素，對射流性能的影響不可忽略，多年來學者們對射流特性進行了持續研究。

1988年，SHENZ.等通過試驗研究了高壓射流在到達井底之前的衰減規律，并提出了沖擊壓力半衰距離這一指標。1995年，艾池等[2]利用高圍壓射流動壓測試裝置開展了 10MPa 圍壓對射流動壓力影響的試驗研究，提出了圍壓 6MPa 范圍內的射流動壓不穩定段，圍壓狀態下射流中的紊動流相似性和自模性依然存在。2009年，廖華林等[3采用水射流沖擊壓力測試裝置進行了 0～ 10MPa 圍壓下水射流動力特征室內試驗，研究認為，圍壓條件下射流動壓降低導致了射流破巖能力降低。2013年，高曉東4研究了 0～10MPa 范圍內圍壓對水射流沖擊壓力的影響，采用10、15、20MPa 噴嘴壓降，研究發現射流軸向動壓隨圍壓升高先衰減后趨于恒定。2016年，李敬彬等[5使用同樣裝置分析了 0～10MPa 圍壓對射流沖擊壓力的影響，同時對該裝置能否真實客觀地反映井下圍壓環境提出了質疑。

通過上述研究可以發現，盡管前期針對圍壓對射流特性的影響開展了大量室內試驗，但圍壓設置區間僅控制在 20MPa 以內[1-6，而深井、超深井的圍壓普遍大于 50MPa ，難以直觀反映更大尺度圍壓范圍內的射流特性變化規律，且針對普遍采用的節流憋壓式圍壓加載方法能否反映真實井況，以及圍壓是否對射流結構及能量傳遞存在影響均是有待探討的問題。

為此，筆者提出一種新型圍壓控制系統，憑借雙液缸相互補償的圍壓加載方式來模擬井下高圍壓環境，使用高圍壓射流動壓測試裝置測定噴距、排量以及射流動壓值。該試驗裝置可以將試驗的最大圍壓值從 20MPa 提升至 50MPa 以上（裝置設計的試驗能力為 0～100MPa ）。這里將分析新型圍壓加載方法試驗的可行性以及高圍壓區間的射流動壓變化規律，研究結論對深井、超深井水射流作業參數的設計具有重要指導意義。

1 新型高圍壓射流試驗系統

1. 1 系統組成

試驗系統主要包含 150MPa 超高壓柱塞泵、高壓射流試驗裝置（高壓釜）、 100MPa 圍壓調控裝置及高壓鉆屑過濾裝置（見圖1）。其中：高壓泵提供高壓動力源；高壓射流試驗裝置主要用于高圍壓噴嘴射流試驗，有效測試最高壓力 140MPa 圍壓調控裝置取代了常規節流圍壓的針閥（節流嘴），基于雙液壓缸相互補償的調控機制，建立不超過 100MPa 的穩定圍壓條件；高壓鉆屑過濾裝置實現流體介質的二級過濾，保障試驗系統的安全和穩定。試驗參數如表1所示。

升降電機過濾裝置P1 雙缸圍壓調控裝置高壓泵 介質罐系統出口射流釜安全閥測試靶盤

1.2射流動壓測試原理

高壓流體經高壓泵進入高壓射流釜，由噴嘴形成高壓射流，射流壓力可由流體入口處的壓力表1測得，標記為 p₁ ；高壓流體噴射到沖擊面板上，測點處的實測總壓力由測試靶盤壓力傳感器測得，標記為 p₃ ，其值為測點處水力靜壓與射流沖擊壓力之和；隨后流體經出口閥流出該裝置，圍壓釜內的壓力由壓力表2測得，標記為 p₂ 。由于測壓孔的前端面為平面，由袁恩熙的研究得其沖

擊壓力為：

式中： p_i 為測點處沖擊壓力， Pa ： ρ 為水的密度，kg/m³ . 為水的速度， m/s 。

通過測試靶盤壓力傳感器3測得總壓力 p₃ 可表示為：

隨著圍壓的增大，射流軸線呈現衰減趨勢。為解釋上述現象，廖勇8基于國外學者的研究，提出了圍壓下的射流速度衰減結構理論；通常采用的理想伯努利方程忽略了其他壓力的影響，而在實際工況下，液體不能被認為是理想流體，存在液體介質間的摩擦及噴嘴內的收縮，使得射流在圍壓下的軸線速度呈指數衰減。隨著圍壓的增加，環境介質密度隨之增加，環境介質對射流的阻力增大，射流軸線速度降低，降低了圍壓下射流軸心動壓力，減小了射流核長度，削弱了射流性能。

1.3圍壓調控與工作原理

1.3.1傳統圍壓調控

雙級調壓裝置實物如圖2所示。建立圍壓的方式為控制高壓出口閥直徑，可在圍壓筒內憋壓形成圍壓，主要控制方式通過設置多級調壓閥實現圍壓控制。雙級調壓裝置結構原理如圖3所示。該測試裝置[5采用雙級調壓方式，使用電子壓力控制器監測前端背壓，再通過計算機對氣動閥進行精細調控，平衡系統運行過程中的壓力波動。

1.3.2 新型雙缸圍壓調控

針對在超高壓條件下因水黏度較低導致背壓較難穩定的問題，設計了雙缸圍壓調控裝置，將最高 100MPa 的高壓釜水壓轉換為 35MPa 的液動油壓，液壓油端接恒壓油源，實現對應壓力腔的壓力穩定以及控制雙缸切換工作，解決了節流控制超高圍壓方法而導致節流口元件易損壞、低黏度水介質難控制的難題。工作壓力平衡原理為：

p₀S₀=p_sS₂

式中： p₀ 為恒壓油源工作壓力， Pa . S₀ 為液壓缸上端表面積， m² ; p_s 為高壓釜待設置的圍壓， Pa ; S₂ 為液壓缸下端表面積， m²

圍壓調控工作原理如圖4所示。預設恒壓油源工作壓力，此時水/油壓轉換裝置活塞處于最下端。隨著高壓釜內高壓射流的持續注入，當釜內壓力大于入口壓力 p₁ 時，水力端推動1#缸的活塞向上運動至頂端，液壓油將1#缸的活塞快速壓出，排出腔內水；之后，1#缸的活塞運行至底，水力端開始推動2#缸的活塞向上運動。以此循環保證高壓釜圍壓持續穩定。設置額定壓力，對于射流源流量波動引起的背壓變化起到補償作用

對比2種不同圍壓調控方式及原理，新型雙缸圍壓調控裝置可以作到設置圍壓數值前提下的無級調壓，控制更加精準，圍壓區間更大，也更加方便，在形式上更加符合深井井底實際作業工況，

2 試驗設備及方案

為了驗證系統運行和圍壓加載方式的可行性，基于新型高圍壓射流試驗平臺，開展了 0～50MPa 圍壓下射流動壓影響測試試驗。

2.1 試驗準備

2.1.1 射流噴嘴

因對噴嘴/射流形態不做研究，選用普通的錐形噴嘴，如圖5所示，其當量直徑為 1mm ，錐度為 30^° ，出口圓柱段長 2mm ，噴距 7mm 固定。

2.1.2 數據采集

主要采集入口的壓力和流量、釜內的圍壓和靶盤壓力、出口調節壓力與流量。實時監控射流靶盤上6個點位上受到的壓力，記錄不同圍壓和流量條件下不同位置上射流動壓曲線。數據采集界面如圖6所示。

2.2 試驗方案

試驗的目的是發現不同圍壓對流體的射流動壓的影響，重點是 ?20MPa 高圍壓下的差別。主要的試驗方式為： ① 在不同圍壓條件下控制相同射流速度，測量其在靶盤上中心位的沖擊壓力；② 試驗數據的記錄頻率為每秒1次，每獲得60次數據為1個周期，求取一次數據平均值，作為試驗結果用于結論的分析。

試驗前對整體臺架進行調試，通過泵排量和回流排量調節，選擇10.00、13.33、15.00、16.67L/min 的射流排量較為合適；圍壓系統設置：0（淹沒）、5、10、50、 55MPa 。計算4組排量下的理論射流速度及射流動壓，如表2所示。

3結果與分析

3.1無圍壓下射流動壓分析

在定噴距條件下，理論射流動壓往往都比試驗得到的數據要高。依據《水射流理論及在礦業工程中的應用》中對基本段軸線速度衰減公式的描述[9-10]，計算出理論值：

式中： v_m 為基本段軸線流速， m/s ； v₀ 為初始段軸線流速， m/s ; R₀ 為噴嘴半徑， mm ; L 為噴嘴圓柱段加測點到噴嘴出口距離， mm . L₀ 為射流核心段長度， mm 。

根據試驗結果和理論計算，得到了實際射流動壓與理論對比關系，如圖7所示。在該測試系統條件下，無圍壓時，隨著排量由 10.0L/min 提升至16.67L/min ，實際動壓與理論動壓的偏差系數由8.54% 增加到了 13.57% 。一方面，動壓偏差的產生可能來源于試驗系統本身，包括排量、噴嘴結構、噴距、傳感器等；另一方面，偏差的增加主要可能是因為隨著流速的增加，在整個試驗系統中的沿程摩阻的增加。整體上，誤差控制穩定，滿足科學評價要求。

3.2不同圍壓下射流動壓分析

采用該試驗系統得到了不同圍壓的試驗系統的工作壓力（泵壓），如圖8所示。為了在不同圍壓條件下實現同等的射流速度，試驗泵壓呈線性增加。試驗沒有獲取到 10～50MPa 圍壓條件下的結果，但是總體趨勢已經明顯。

不同射流速度時射流動壓與圍壓的關系如圖9所示。通過 7mm 靶距位置的靶件壓力傳感器的數據采集，試驗得到：射流動壓隨著圍壓增加而減弱，但是隨著圍壓變大而變得平緩，4種不同的試驗排量呈現相似的衰減趨勢。

試驗暫時無法明確射流動壓衰減減緩位置，根據擬合曲線，預估拐點出現在 10MPa 附近。

4結論

通過一種新型圍壓加載方式實現了最高55MPa的井下圍壓模擬環境，針對系統中可能存在的試驗誤差進行評估，驗證了新型圍壓加載系統的可行性。通過研究射流動壓隨圍壓變化規律，對高圍壓尺度下的射流動壓特性形成初步認識，指導超深井射流作業，為后續更高圍壓下的室內試驗奠定基礎。取得結論如下：

（1）研制了一種雙缸圍壓調控裝置，利用液動油壓缸交替作用穩定釜內水壓的方式，可在釜體模擬井下高圍壓環境，相比常規節流憋壓方式，解決了超高壓節流導致元件易損壞、低黏度水介質難控制的問題。（2）由于噴嘴加工、磨損等不可避免因素，采用該試驗系統在淹沒狀態下測得的無圍壓射流動壓小于理論值，實際射流動壓與理論動壓存在20%～30% 的偏差。（3）研究發現，采用新型圍壓調控裝置，在指定工況下，低圍壓（ 10MPa ）范圍內射流動壓衰減明顯，隨著圍壓增加射流動壓衰減幅度逐漸減小。

參考文獻

[1]SHEN Z， SUN Q. Study of pressure attenuation of a sub-merged，nonfreejetandamethodofcalculationforbot-tomhole hydraulic parameters [J]. SPE Drillingamp; Engi-neering，1988，3（1）：69-76.

[2]艾池，沈忠厚．圍壓下射流動壓力分布規律的實驗研究［J]．石油鉆探技術，1995（增刊1）：6-7，26，84.AIC，SHEN ZH. Study of pressure distribution in jetsunder ambient pressure condition [J]. Petroleum Drill-ingTechniques，1995（Sup.1）：6-7，26，84.

[3]廖華林，李立冬，易燦，等．圍壓對水射流動力學特性影響的實驗研究［J]．中國科技論文在線，2009，4（11）：838-843.LIAOHL，LILD，YIC，etal.Experimental studyon impact of ambient pressure on water jetkinetics [J].SciencepaperOnline，2009，4（11）：838-843.

[4] 高曉東．圍壓對水射流沖擊壓力的影響研究［J]．中國科技信息，2013（12）：76，79.GAO X D. Study on the influence of confining pressureonwater jet impact pressure [J].China ScienceandTechnologyInformation，2013（12）：76，79.