径向水平井多孔自旋射流喷嘴设计及应用

0 引言

径向水平井技术利用高压水射流在油气储层中喷射出具有一定直径、一定长度的水平井眼，有效增加储层的裸露面积和泄流通道，提高油气采收率与单井产量，是高效开发煤层气、页岩气等非常规油气资源的关键技术之一［1-4］。自进式射流喷嘴是实现破岩及钻进的执行部件，其设计的合理性直接决定水平井眼的孔眼直径、水平进尺及钻进效率，关系钻井施工的成败。

为了充分利用有限的水力能量钻出大直径深孔，Dickinson等［5］构思了利用旋转射流的想法，王瑞和等［6-7］深入研究了旋转射流破岩、携岩的机理，发现该种射流虽能形成大直径孔眼，但深度较浅。为此，Buckman等［8］发明了一种综合旋转射流和直射流优点的直旋混合射流喷嘴，李根生等［9-10］对该种喷嘴的流场特性和破岩规律展开了研究，认为该种射流破岩效果较好，但射流调制困难，且喷嘴不易加工。目前，现场多采用多孔射流喷嘴，Buset等［11-12］研究了该喷嘴的破岩机理和牵引力作用方式，廖华林等［13］对该喷嘴的破岩钻孔特性进行了分析。若喷嘴水眼的空间布局不合理，易在岩石表面形成多个不连续的小孔眼，不利于射流喷嘴继续钻进。

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为了使射流既具有轴向速度，以增加破岩钻孔的深度，又具有周向速度，以保证孔眼的直径，笔者以多孔射流喷嘴为基础，设计出了结构简单的多孔自旋射流喷嘴。通过流场数值计算，分析了喷嘴的外流场特性；通过室内破岩实验，分析了喷嘴的破岩方式，并优选了喷嘴的结构参数。最终得到了一种新型高效的射流喷嘴，有助于加快径向水平井技术的推广应用。

1 结构及工作原理

为了更清晰地认识原油组分对CO2驱混相的影响，通过室内实验开展原油中具有代表性的典型组分MMP的研究，不同碳数的烷烃、环烷烃、芳香烃与CO 2的MMP实验结果如图2所示。

图1 多孔射流喷嘴水眼布置

由于单股射流形成的破碎坑较小，而前端水眼产生的射流又相对独立，因此很难形成一个连续的孔眼。针对以上问题，设计了一种多孔自旋射流喷嘴，改变了原有的水眼布置方式。

与此同时，瓮福蓝天、重庆兴发金冠等参股联营公司2018年前三季度经营业绩实现不同程度增长，为公司贡献了良好的投资收益。

多孔自旋射流喷嘴的设计以单个周向水眼为例进行阐述，定义2个特征平面（见图2）：1）倾斜投影平面。经过周向水眼出口中心点和喷嘴轴线的平面，记在倾斜投影平面内，经过周向水眼出口中心点，且平行喷嘴轴线的直线为周向水眼参考轴线。2）切向投影平面。经过周向水眼参考轴线，并垂直于倾斜投影平面的平面。周向水眼倾斜角为其轴线在倾斜投影平面内的投影与其参考轴的夹角，周向水眼切向角为其轴线在切向投影平面内的投影与其参考轴的夹角，周向水眼定位圆半径为其出口中心点到喷嘴轴线的距离。

图2 多孔射流喷嘴特征平面定义

经过改进的喷嘴形成的射流同时具有轴向、径向和周向三维速度，既具有旋转射流扩孔的优点，保证孔径，又能够实现快速钻进，增加孔深。通过多股射流的组合和叠加包络，实现钻大直径深孔的目标。

2 喷嘴外流场特性数值模拟计算

2.1 计算模型

由于与喷嘴配合使用的导向器内滑道直径为30 mm，且喷嘴尾部连接外径16 mm的高压钻管；因此，在该工况下，设计射流喷嘴外径17 mm，内径12.5 mm，前端周向水眼8个、中心水眼1个，后端反向水眼6个，喷嘴水眼当量直径2.11 mm。设计入口流量40 L/min，压力40 MPa，出口压力1 MPa，流场外径 30 mm，喷距20 mm。依据上述参数，建立多孔自旋射流喷嘴的物理模型和流场模型。

2.2 计算方法

在定位圆半径为4 mm、倾斜角为6°的条件下，进行切向角分别为 0°，10°的喷嘴破岩实验（见图 8a，8b）。由图8a，8b可知，在切向角为0°时，单个水眼形成的射流分别形成单独孔眼，中心孔和周向孔分别呈圆形和水滴形剖面，中心孔和周向孔之间留有环形壁面。这是由于切向角为0°，意味着周向水眼射流无旋转速度，不具有对中心水眼射流的保护作用，中心水眼射流的轴向速度衰减较快，前端周向水眼射流与中心水眼射流各自发展，两者形成的流场涡度为0，作用到岩石上的射流不具有剪切作用，因此无法形成连续孔眼。

采用以压力和动量为基本变量的原始变量法求解流场，并用SIMPLEC算法处理压力-速度耦合关系。对各项采用不同的离散方法，对流项采用二阶迎风格式，梯度采用基于单元的最小二乘格式，压力项采用线性格式，湍动能和湍流耗散率采用一阶迎风格式。

2.3 计算结果

2.3.1 喷嘴外流场特性

在切向角为10°时，环形壁面消失，中心孔和周向孔连通，形成连续孔眼。此时在前端周向水眼射流的保护作用下，中心水眼射流的轴向速度衰减较慢，有利于深孔的形成，并且前端周向水眼射流与中心水眼射流形成具有一定涡度的流场，使作用到岩石上的射流具有一定的剪切作用和旋流磨削作用，中心孔和周向孔之间不存在环形壁面，且形成的孔眼直径较大。因此，切向角的存在对改善喷嘴的破岩效果具有重要影响。

图3 多孔自旋射流喷嘴外流场速度结构

考虑零售商、分销商和供应商组成三级供应链，供应链企业共同拟定一组数量弹性契约.设供应链运营对象皆为短周期电子产品，突发事件暴发导致市场需求急剧变化，价格随机波动.零售商仅能通过分析以往经验数据和观察现行市场行为，预测市场需求，进一步拟定初始订货量.供、分、销三者间相互不隐瞒各自的各种相关信息，且供应链成员均为风险中性，不存在风险厌恶.

总结：我国从2007至2014年期间，我国图书出口数量大于进口，图书出口金额却远远小于进口，所以我国图出口贸易比重较小。因此，中国图书出口的竞争力较弱，附加值较低。

2.3.2 布孔参数对流场的影响

为了消除喷嘴尺寸的影响，定义真实冲击区面积与喷嘴定位圆面积的比值为无因次冲击区面积（S*）。图4为不同布孔参数条件下S*的变化规律。

采用单因素实验方法开展实验，加工不同结构的射流喷嘴。多孔自旋射流喷嘴破岩实验系统见图5，柱塞泵额定压力50 MPa，额定排量63 L/min，高压釜提供围压环境，额定围压30 MPa。岩样为水泥和砂浇注，水∶水泥∶砂=0.5∶2.0∶1.0（质量比），抗压强度 38 MPa。高压釜一端有转盘，转动转盘可调节喷嘴喷距，以模拟喷嘴送进过程。高压釜长1.8 m，内径300 mm，承压能力30 MPa。实验条件：泵压40 MPa，喷距20 mm，喷射时间1 min，围压10 MPa，淹没环境。

典型多孔射流喷嘴的水眼布置如图1所示：喷嘴中轴线上布置一个与轴线平行的中心水眼，距离轴线一定半径的圆周上（定位圆）均匀分布多个与中轴线呈一定夹角（倾斜角）的周向水眼；喷嘴后端侧面布置多个反向喷射水眼，用于产生喷嘴自进力并辅助破岩。其中，前端水眼的空间结构参数是实现钻大直径深孔的关键。

由图4b可知，在θ2一定的条件下，S*随θ1的增大而减小。θ1为6°时，卷吸损失的能量较小，并能在冲击壁面形成较大的冲击区和速度较高的漫流区。

由图4c可知，在 θ1一定的条件下，在 θ2为 16°时S* 最大。较小的 θ2，易产生康达效应［14-15］，减小覆盖面积和周向射流的冲击作用。随着θ2的增大，出口平面内射流的切向速度分量增大，射流在冲击壁面的覆盖面积增大。较大的θ2，使周向射流冲击区远离中心冲击区，冲击区之间形成漫流环，形成不连续冲击区。

由以上分析可知，多孔自旋射流喷嘴的定位圆半径、倾斜角和切向角是影响射流喷嘴破岩钻孔效果的关键结构参数。三者之间存在最佳的相互匹配关系，可通过室内破岩实验进行优选。

（2）热处理调质后变形风险大 根据技术条件的性能试料要求编制的粗加工图如图2所示，增加性能试料区和粗加工余量后粗加工尺寸变为φ6430mm×350mm。虽然在工艺准备时充分考虑到变形因素并适当增加厚度方向上的余量，力求在源头上保证热处理变形后尺寸能够满足精加工要求，但管板直径大、壁厚小、高径比小，热处理调质时容易变形，调质后变形风险大。

图4 无因次冲击区面积与周向水眼空间形态参数关系

3 室内破岩实验

3.1 实验方法

由图 4a 可知，在不同 θ1，θ2的条件下，S*随 r0的增大而增大。在同一r0条件下，θ2对S*的影响较为显著。随着r0的增大，周向水眼射流间的空隙增大，卷吸流体增多，在保证冲击区连续的条件下，S*增大。

姑妈并不在乎洗浴中心条件多好，在乎的是玉敏陪着。玉敏说姑妈，我帮你搓背吧，我准备了几个搓澡巾呢。姑妈说这太好了，平时后背总也搓不到。玉敏开着玩笑说，我的手劲可大了，小心你的细皮嫩肉哟。

图5 多孔自旋射流喷嘴破岩实验系统

3.2 实验结果

3.2.1 定位圆半径对破岩效果的影响

在倾斜角为6°、切向角为12°的条件下，进行定位圆半径分别为2，3，4 mm的喷嘴破岩实验（见图6）。由图6可知，岩样表面成孔直径随定位圆半径的增大而增大，连续孔深度随定位圆半径的增大而减小。由于喷嘴具有一定的倾斜角和切向角，周向水眼射流对中心水眼射流具有一定的保护作用，因此上述喷嘴均形成连续的中心孔。

高压流体经喷嘴前端水眼喷出后，其速度特点经历了3个阶段。阶段1：流体速度以轴向速度为主，8股周向射流围绕1股中心射流。由于周向射流具有三维速度，类似于旋转射流的特点，对中心射流起到一定的保护作用，使中心射流的速度衰减降低，能量利用率提高，有利于深孔形成。阶段2：随着喷距增加，轴向速度衰减，射流与周围流体掺混均匀，部分流体向下游运动的同时，绕喷嘴中心线作旋转运动，形成旋涡，使射流具有一定的剪切作用和旋流磨削作用，有利于形成大直径孔。阶段3：由于周向水眼的切向角，冲击壁面附近的流体仍有周向速度，此时冲击壁面上的流体轴向速度为0，并向四周形成漫流，而周向速度的存在，使射流仍然能够对岩石产生一定的剪切拉伸作用。

当定位圆半径较小时，周向水眼射流对中心水眼射流的保护作用较强，并且周向水眼射流之间的干扰较严重，因此形成的连续孔眼较深，但直径较小。随着定位圆半径的增大，周向水眼射流与中心水眼射流之间的距离增大，周向水眼射流对中心水眼射流的保护作用逐渐减小，中心水眼射流的轴向速度衰减加快，因此形成的孔眼深度逐渐减小。周向水眼射流之间的干扰减小，射流之间消耗的能量较少，并且周向水眼射流冲击面积增大，形成的孔眼直径逐渐增大。

图6 定位圆半径对破岩钻孔形态的影响

3.2.2 倾斜角对破岩效果的影响

在定位圆半径为4 mm、切向角为10°的条件下，进行倾斜角分别为 6°，10°，14°的喷嘴破岩实验（见图7）。由图7可知，小倾斜角的喷嘴比大倾斜角的喷嘴能够形成更大的连续孔眼，但周向孔眼在远离中心孔端没有完全连通。当倾斜角较小时，在前端周向水眼射流的保护作用下，中心水眼射流的轴向速度较高，有利于深孔的形成，并且前端周向水眼射流与中心水眼射流形成涡度较强的流场，使作用到岩石上的射流又具有一定的剪切作用和旋流磨削作用，有利于大直径孔眼的形成；因此，倾斜角较小的喷嘴能形成连续的大直径深孔。

喷距一定时，随着倾斜角的增大，前端周向水眼形成的射流越来越发散，虽然冲击壁面的面积增大，但有效冲击壁面面积减小，并且前端周向水眼射流对中心水眼射流的保护作用减小，中心水眼射流的轴向速度衰减加快，前端周向水眼与中心水眼形成的流场涡度较弱；因此，喷嘴的倾斜角越大，形成的连续孔眼越小。当倾斜角为14°时，形成的周向孔眼较浅且不连续。

图7 倾斜角对破岩钻孔形态的影响

3.2.3 切向角对破岩效果的影响

多孔自旋射流喷嘴外部流场介质为水，不可压缩流体，密度为常数。采用时均方法对连续性方程和运动方程进行时均化，得到雷诺时均N-S方程，使用基于Boussinesq假设的涡黏模型对雷诺时均N-S方程组进行封闭，采用Realizable κ-ε模型计算涡黏系数。

图8 切向角对破岩成孔形态的影响

图3为多孔自旋射流喷嘴外流场速度结构。前端水眼形成多股射流，喷嘴的定位圆半径（r0）决定了流场是否能够覆盖整个井底，而水眼的倾斜角（θ1）和切向角（θ2）决定了射流冲击井底岩石的速度分量，关系着破岩效率和成孔效果；后端反向水眼形成的射流提供喷嘴和高压钻管前进的动力，同时冲击孔眼的壁面，在一定程度上起到扩孔的作用。

3.2.4 综合破岩实验

在淹没条件下，使用水眼定位圆半径4 mm、倾斜角6°、切向角16°的多孔自旋射流喷嘴进行破岩钻进实验（见图8c），钻进速度70 mm/min，钻进时间1 min。由图8c可知，该喷嘴有效地消除了环形壁面，同时周向孔眼在远中心孔端形成了有效的连通，破岩效果较好，孔眼形状较为规整，有效直径约为30 mm，可供喷嘴和高压钻管通过，满足现场应用要求。

分析实验结果可知，周向水眼的切向角是破岩成孔的重要条件。在淹没、周向水眼无切向角的条件下，多孔自旋射流喷嘴在冲击壁面形成只有径向速度的漫流层，而且周向射流与中心射流的漫流发生叠加形成低速漫流环，不利于岩屑的排开。这2种条件下，在岩石表面，单孔之间易形成环形壁面形态。在淹没条件下，切向角的存在使流体切向进入流场，卷吸周围流体进入环形区，并形成旋涡运动；在冲击壁面，具有切向速度的流体作用于冲击区之间区域，对环形壁面产生剪切作用，使孔眼连续。

4 现场应用

山西沁水盆地南部的煤层气储层渗透率较低，产能较小。通过径向水平钻孔形成的孔眼，可沟通煤层裂隙，改变煤层的渗流环境，提高煤层的渗流能力，实现提高煤层气产量的目的。

利用新型高效的多孔自旋射流喷嘴，在该地区完成了1口井的钻井作业。径向水平孔眼穿透的煤层为山西组3号煤层，煤层深度为761.60～767.70 m（厚度为6.10 m），对该井分4个层次实施径向水平井作业，每个层次分别钻进2个分支径向孔，共设计8个径向孔眼。施工结果如表1所示，设计的多孔自旋射流喷嘴能够钻出直径约35 mm、长度约90 m的孔眼，满足现场对煤层气增产的应用要求。

表1 施工结果

层次 作业深度/m 分支编号1 2 3 4 766.09 765.13 764.15 763.17 1 2 3 4 5 6 7 8方位角/（°） 孔径/mm 喷射长度/m 0 35 90.44 180 35 85.35 90 35 84.05 270 35 92.98 0 35 101.32 180 35 86.87 90 35 89.26 270 35 91.32

5 结论

1）多孔自旋射流喷嘴的无因次冲击区面积随定位圆半径的增大而增大，随倾斜角的增大而减小，随切向角的增大呈现出先增大后减小的规律。

2）切向角的设计使得射流具有三维速度，多孔自旋射流喷嘴以剪切破碎、冲蚀破碎、拉伸破碎以及旋流磨削等综合方式实现高效率的破岩钻孔。

3）定位圆半径 4 mm、倾斜角 6°、切向角 16°的多孔自旋射流喷嘴可实现钻大直径深孔的目标，取得了较好的现场应用效果，是一种新型高效的微型多分支井射流喷嘴。

1.提升中国执行AP-BEPS的能力。基于AP-BEPS的国内落地业务需求，优化中国税务机关国际税收征管组织体系，优化配置实施AP-BEPS的国际税收业务管理资源，持续提升执行AP-BEPS的组织管理能力。全面推进国际税收信息化管理，强化国际税收信息化质效管理，利用信息技术协助AP-BEPS的执行管理，持续提升实施AP-BEPS的信息化管理能力。

4）本文仅设计了多孔自旋射流喷嘴的结构参数，没有对其工艺参数进行优选，建议开展喷嘴压降、喷距、围压等工艺参数对喷嘴破岩效果的影响规律研究，以便为现场应用提供更准确的实验依据。

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