旋转磨料射流喷嘴叶轮参数优化设计_周秋成.pdf

流 体 机 械第 51 卷第 2 期2023 年 2 月 33 收稿日期：2021-11-18 修稿日期：2022-09-17基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFB1504202）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.02.005旋转磨料射流喷嘴叶轮参数优化设计周秋成1，罗 宁1，李健敏1，王秀伟1，刘 鑫2，陈开研1，张力凡3（1.中国石油天然气股份有限公司 华北油田分公司，河北任丘 062550；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 100249；3.中国石油天然气股份有限公司 辽河油田分公司，辽宁盘锦 124010）摘 要：为增强旋转磨料射流在硬岩地层高效破岩效果，喷射破岩形成较大孔径径向水平井井眼，对喷嘴叶轮参数展开了优化设计。对径向水平井井下工况旋转磨料射流流场进行模拟，研究了叶轮扭转角、长度、直径、叶片厚度和叶片数量等参数对流场速度的影响。结果表明：叶轮扭转角度为影响流场旋流强度的主要因素；减小叶轮直径或增加叶片厚度会缩小流道的过流面积，增加射流的旋转强度，直径影响最大切向速度相差 15.1%，厚度影响相差 44.6%；叶片数量较多会降低射流冲击速度。在本文条件下，给出了建议性优化喷嘴叶轮结构参数：叶轮扭转角度为630，长度为30mm，直径为18mm，叶片厚度为 4mm，叶片数量为 3。所得结果可为径向井旋转磨料射流喷嘴优化设计提供依据。关键词：径向水平井；旋转射流；磨料射流；数值模拟；射流流场中图分类号：TH12 文献标志码：A Optimization design on swirlers of swirling abrasive water jet nozzleZHOUQiucheng1，LUONing1，LIJianmin1，WANGXiuwei1，LIUXin2，CHENKaiyan1，ZHANGLifan3（1.PetroChinaHuabeiOilfieldCompany，Renqiu 062550，China；2.CollegeofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleumBeijing，Beijing 100249，China；3.PetroChinaLiaoheOilfieldCompany，Panjin 124010，China）Abstract：Toenhancerockbreakingeffectsofabrasiveswirlwaterjetanddrilllargediameterradialjetdrilling（RJD）laterals，swirlergeometryparametersofnozzlearedesignedoptimally.AbrasiveswirlingvelocityofjetflowfieldunderthedownholeconditionsinRJDwellsisstudiedbynumericalsimulationmethods.Theeffectsonflowfieldvelocityofswirlingangle，length，diameter，bladethicknessandbladenumberonflowfieldvelocityarestudied.Theresultindicatesthattheincreaseofswirlingangleisthemainreasonfortheincreaseofswirlintensityintheflowfield.Thedecreaseoftheswirlerdiameterandthebladethicknessresultsinreducingtheflowareaofthepassageandincreasethejetswirlingintensity.Themaximumtangentialvelocityisaffectedbythediameterby15.1%andthethicknessby44.6%respectively.Morebladesreducethejetimpingingvelocity.Undertheseconditions，therecommendedoptimalstructuralparametersofthenozzleswirlerareasfollows：theswirlingangleoftheswirleris630，thelengthis30mm，thediameteris18mm，thebladethicknessis4mm，andthenumberofbladesis3.TheresultsprovidereferencesforabrasivenozzlesdesignofRJDwells.Key words：radialjetdrilling；swirlingjet；abrasivejet；numericalsimulation；jetflowfield0 引言水力喷射径向水平井（径向井）技术，是一种在现有井段通过磨铣套管水泥环开窗，实现喷射管线短半径转向，并利用射流破岩沿径向钻出多口水平井的技术1-3。该技术目前较适用于常规技术难开发的地质条件，在国内外有部分油气生产老井区块应用，并产生了一定的经济效益4，该技术相对来说施工周期快，节约成本，流程易操作不繁琐，且不会损害储层、污染环境，也被认为是开发地热能的有效方法5。在高裂缝密度地层中，径向井可以通过沟通岩石裂缝有效提高产能。在低渗透油气藏中，流体主要通过裂缝网络流动，径向井使裂缝网络相连6。在立陶宛的地热注入井中钻成 12 个径向井分支，回灌量增加 14%7。其中喷嘴破岩成孔是其关键技术，径向孔眼直径34FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023约2.545.1cm8。工程实践表明，喷嘴的扩孔能力和破岩效率已成为需要解决的主要问题9。磨料水射流切割是一种非传统的切割工艺，能够通过水和磨料的混合来更有效地切割各种软硬材料。其冲击速度是冲击侵蚀中最重要的变量，冲击角是影响岩石破碎的第二大因素。对于脆性材料，最大侵蚀发生在90左右的冲击角，但对于韧性材料，最大侵蚀角为203010-11。田家林等12在研究中对前混式磨料水射流切割的喷嘴结构进行了优化设计计算。在射流喷嘴中加入叶轮可以产生旋流射流，其流场具有 3 个区域，即自由射流区、冲击射流区和壁射流区。旋流射流显示出其复杂而独特的流动特征13。与传统的冲击射流相比，旋流射流扩散范围更广，对周围流体的卷吸率更高14。BANG 等15研究了喷嘴出口旋流的速度分量和锥角。理论参数研究包括内部喷嘴几何形状的影响、质量流量和旋流强度的影响。倪雁等16通过数值模拟手段研究了不同叶片形式对旋流性能参数的影响。马国锐等17研究了旋转磨料射流的流场以及破岩效果。刘培坤等18对旋流导流结构展开了试验研究。李敬彬19研究了自推进式多孔钻头的射流流场，该射流产生旋流破碎岩石。何丽娟等20基于 FLUENT 分析了涡流管内部流场的旋流流动。但由于旋转结构和小直径喷嘴，自进式多孔钻头不允许磨料颗粒通过。水射流虽然具有较强的破碎硬材料能力，但也存在破碎孔径小、破岩效率低等缺陷21。旋流射流技术可与水射流结合用于破岩应用，磨料和水的混合物流过喷嘴叶轮，在叶轮上被动旋转，从喷嘴出口形成锥形的扩散射流22。不同叶轮参数下旋转磨料射流流场速度对破岩喷嘴的优化设计具有重要影响，其流场的速度分布直接关系到喷嘴的破岩性能，解决破岩效率较低和破岩直径较小等问题，保证后续管线顺利送进对于径向井成井具有重要意义。高压条件下旋转射流流场观察难度较大，因此，有必要通过数值模拟的方法，研究不同叶轮参数对应的流场，优化适用于高压射流径向钻井技术的叶轮结构，为后续作业的进行创造条件，为该技术的进一步发展和推广应用提供指导。本文对叶轮的几何参数进行了数值模拟，分析了旋转磨料射流的轴向和切向速度，对叶轮结构进行优化设计并给出了现场应用推荐参数。1 射流速度场数值模拟方案1.1 喷嘴工作原理与叶轮设计喷嘴作为径向水平井钻进系统的破岩部件，是决定水力钻孔效果的核心元件。设计新型高效的喷嘴结构，提高喷嘴钻进性能对推进水力喷射径向水平井技术的发展具有重要意义。喷嘴在工作时，带有磨料的高压流体从喷嘴后端泵入，经过叶轮流段，获得切向速度，进入锥形段后流道直径变小，获得轴向速度，压力升高，且切向速度在锥形混合腔与加速的轴向速度发生混合，从直柱段经过喷嘴出口形成射流。如图 1 所示，定义叶轮扭转角度为沿轴线每前进 50mm，叶片上一点沿轴旋转的角度。以扭转角度360、长度50mm、直径18mm、叶片数3个的设计为对照组，围绕对照组设计了用于试验与数值模拟的叶轮几何参数见表 1。图 1 旋转叶轮结构示意Fig.1 Structurediagramofaswilrer表 1 喷嘴叶轮几何参数设计Tab.1 Geometryparametersofswirlingabrasivejetnozzle设计分组扭转角度/（）长度/mm直径/mm叶片厚度/mm叶片数/个对照组36050182.53扭转角度组 0/90/180/270/450/540/630/72050182.53叶轮长度组36030/40/60/70/80/90182.53叶轮直径组3605014/15/16/17/19/202.53叶片厚度组36050182/3/3.5/4/4.5/5/5.5/63叶片数量组36050182.50/1/2/3/4/535周秋成，等：旋转磨料射流喷嘴叶轮参数优化设计1.2 数值模拟模型Realizablek-epsilon模型包含湍流黏度的替代公式，适用于旋流研究。模型内包含了从均方涡度波动传输的精确方程导出耗散率的修正传输方程。在旋转均匀剪切流的测试案例中，该模型的性能优于Standardk-epsilon模型，可较准确地模拟旋流流场地速度分布23。Euler-Euler 模型的仿真目标为液相、气相和固相。三相可两两组合也可混合，也可添加较多的相数量，曾被使用于磨料射流多相流研究24。本文研究问题涉及颗粒旋转射流，导流件旋转使得流场内结构复杂。因此本文采用适用性较好的 Euler-Euler 模型来模拟多相流体的运动。如图 2 所示，喷嘴到喷射界面的距离称为喷距。一般采用实际喷射距离 H 与喷嘴出口当量直径 d 之比作为 n 倍无因次喷距（H/d=n），原形出口直径即为当量直径。在水力喷射径向水平井井下施工作业中，当完成破岩后会较及时地送进喷射管线，缩短喷距。综合考虑，选取 10 倍喷距截面区域为冲击平面。将喷嘴内部的连通空间作为一个整体研究，通过三维建模软件绘制出流场区域，入口处保留了一段距离用于稳定流体，整体射流流场区域为一圆柱体，侧面为压力出口，除入口和出口其余部分为壁面。图 2 旋转磨料射流喷嘴抽取流场Fig.2 Flowfieldofswirlingabrasivejetnozzle1.3 网格划分旋转磨料射流喷嘴的流场网格模型由喷嘴内场和冲击流场组成。整个网格为四面体网格，适合流体研究。由于本模型为流体计算，整体网格采用了六面体网格。由于包括叶轮的流道形状较复杂，对旋转叶轮导流流道部分的流体域单独划分。划分工具为 ANSYSWorkbench 平台中的meshing 模块。对网格尺寸无关性进行分析见表 2，G1G6表示在其他条件相同情况下，不同网格尺度下的6 组算例，G5，G6 格数过大，导致计算量较大，计算时长较长。G3，G4 已达到稳定的计算网格数，选取其中 G4 组中的 42 万个网格单元为优化组。表 2 网格无关性分析Tab.2 Gridsindependencytest计算组网格节点数水相无因次速度距上一组网格偏离（%）水相压力/Pa距上一组网格偏离（%）G12724147.150153.59911097097.059G25349448.093281.67111