摘 要

摘　要：在徑向水平井技術(shù)中，自進(jìn)式射流鉆頭既要完成破巖鉆孔的任務(wù)，又要對高壓軟管產(chǎn)生一定的向前自進(jìn)力，才能達(dá)到連續(xù)向前鉆進(jìn)的目的。為此，以流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，分析了自進(jìn)式多

摘　要：在徑向水平井技術(shù)中，自進(jìn)式射流鉆頭既要完成破巖鉆孔的任務(wù)，又要對高壓軟管產(chǎn)生一定的向前自進(jìn)力，才能達(dá)到連續(xù)向前鉆進(jìn)的目的。為此，以流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，分析了自進(jìn)式多孔射流鉆頭的自進(jìn)機理，即射流反推力作用和反向射流降壓效應(yīng)。通過實驗方法得到了流量、射流鉆頭正反流量比、正向噴距和井簡直徑等參數(shù)對自進(jìn)力的影響規(guī)律。結(jié)果表明：自進(jìn)力隨著流量的增大而近似線性關(guān)系的增大，隨著射流鉆頭的正反流量比的增大而近似線性關(guān)系的減??；隨著正向噴距的變化，自進(jìn)力基本不變；自進(jìn)力隨著井筒直徑的增大呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)井簡直徑為36～49mm時產(chǎn)生的自進(jìn)力較大，當(dāng)筒直徑大于62mm后自進(jìn)力已基本不變。在實驗條件下，流量范圍為0.71～0.99L／s時，射流鉆頭正反流量比范圍為l／6～2／3，正向噴距范圍為l0～50mm，井筒直徑為30～70mm時，射流鉆頭所產(chǎn)生的自進(jìn)力范圍為51.1～228.1N。該研究成果可為套管內(nèi)轉(zhuǎn)向徑向水平井技術(shù)提供理論基礎(chǔ)，還可為自進(jìn)式多孔射流鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：徑向水平井  自進(jìn)力  射流鉆頭  流量  流量比  噴距  井簡直徑

Mechanism of a self-propelled multi-hole jet bit and influencing rules on its self-propelled force

Abstract：To achieve the aim of continuous drilling with a radial horizontal well drilling technology，a self propelled jet bit has not only to break the rock．but to provide the forward self propelled force for the high-pressure hose．Therefore，on the basis of fluid mechanics，the self-propelled mechanism of a self propelled multi hole jet bit was analyzed，including jet reverse thrust and backward-jet pressure-relief effects．The influencing rules of flow rate，the forward and backward flow ratio，forward standoff distance and borehole diameter on the self propelled force were obtained via experiments．The results showed that the linear approximation of the self-propelled force increases with the increase of flow rate，and the linear approximation decreases with the increase of forward and backward flow ratio．The self-propelled force remains almost unchanged with the increase of forward standoff distance．The selfpropelled force increases first and then decreases with the increase of borehole diameter．When the borehole dianleter is 36-49mm，the self-propelled force is relatively bigger；when the borehole diameter is over 62 mm，the self propelled force remains almost unchanged．Under the experimental conditions，when the flow rate ranges between 0.7l and 0.99L／s，the forward and backward flow ratio is 1／6—2／3，the forward standoff distance ranges between 10 and 50mm，the borehole diameter ranges between 30 and 70mm，and the self-propelled force caused by jet bit is 51.1-228.1 N．The research results may provide basis for the in casing technology turning to radial horizontal well technology and the structural design of a self-propelled multi-hole jet bit．

Keywords：radial horizontal well，self-propelled force，jet bit，flow rate．flow ratio，standoff distance，borehole diameter

套管內(nèi)轉(zhuǎn)向徑向水平井技術(shù)起步于20世紀(jì)末，其特點是在轉(zhuǎn)向處徑向水平井的曲率半徑小于套管內(nèi)徑，可在套管內(nèi)完成由垂直向水平方向的轉(zhuǎn)向。其工藝流程是首先用磨銑鉆頭在套管內(nèi)鉆孔，然后利用自進(jìn)式射流鉆頭牽引高壓軟管從所鉆孔通過，進(jìn)而進(jìn)入地層鉆小直徑的水平井^[1-10]。此技術(shù)相比常規(guī)鉆井方法大大節(jié)約了施工成本，同時又?jǐn)U大了油氣層裸露面積，是目前鉆井行業(yè)發(fā)展的一個新方向^[11-13]。該技術(shù)已經(jīng)在國外獲得了成功應(yīng)用^[14-16]，應(yīng)用推廣潛力巨大。

自進(jìn)式射流鉆頭既要完成破巖鉆孔的任務(wù)，又要對高壓軟管產(chǎn)生一定向前的自進(jìn)力，進(jìn)而達(dá)到連續(xù)向前鉆進(jìn)的目的。自進(jìn)式射流鉆頭上的正向孔眼射流用于破巖鉆孔，為射流鉆頭提供前進(jìn)的通道；反向孔眼射流用于產(chǎn)生向前的推力，對于射流鉆頭和高壓軟管整個系統(tǒng)而言即為自進(jìn)力。目前國內(nèi)外學(xué)者對套管內(nèi)轉(zhuǎn)向徑向水平井技術(shù)中射流鉆頭的自進(jìn)能力進(jìn)行了初步研究^[17]。Buset等^[7]實驗研究了在垂直條件下自進(jìn)式多孔射流鉆頭所產(chǎn)生自進(jìn)力的規(guī)律。而在真實徑向水平井鉆進(jìn)條件下，射流鉆頭所產(chǎn)生的自進(jìn)力為水平方向，因此其研究成果的適用性不強，有必要對水平條件下自進(jìn)式多孔射流鉆頭的自進(jìn)能力進(jìn)行系統(tǒng)研究。筆者以流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，首先分析了自進(jìn)式多孔射流鉆頭的自進(jìn)機理；然后通過實驗方法研究了在水平條件下流量、射流鉆頭正反流量比、正向噴距和井簡直徑等因素對自進(jìn)力的影響規(guī)律。

1　自進(jìn)式多孔射流鉆頭自進(jìn)機理

自進(jìn)式多孔射流鉆頭結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。正向孔眼主要用于破巖鉆孔，反向孔眼用于為射流鉆頭和高壓軟管提供一定的自進(jìn)力，同時還有擴(kuò)孔和清巖的作用。為了保證能使射流鉆頭產(chǎn)生向前的力，則反向孔眼流量分配須大于正向孔眼。通常認(rèn)為射流鉆頭的自進(jìn)機理有如下2方面：①射流噴射產(chǎn)生的反推力；②高速反向射流帶走其周圍流體，使得射流鉆頭后部環(huán)面附近產(chǎn)生局部低壓，由于壓力差的作用射流鉆頭會受到一個向前的力。

 

1．1　射流反推力作用

選取射流鉆頭內(nèi)部流場作為研究對象。如圖1所示，按順時針順序選取圖內(nèi)點A，B，C，…，V，W，X所圍區(qū)域為控制體(S)，根據(jù)動量定理，單位時間內(nèi)控制體的動量變化等于作用于控制體上外力之和。在穩(wěn)定流條件下得到動量方程為^[18]：

 

由于所選控制體關(guān)于x軸的對稱，其在y軸方向的動量變化可以相互抵消，故只需分析控制體內(nèi)z軸方向的動量變化和受力情況，故將式(1)投影于x軸可得：

 

式中vx為x軸方向的分速度，m／s；vn為流體速度，m／s；Fx為作用于控制體上的力在x軸方向的分量，N。

規(guī)定射流鉆頭前進(jìn)方向(圖1中為自左向右)為正方向，式(2)中方程左邊代表控制體內(nèi)x軸方向上的動量變化，具體表現(xiàn)為射流鉆頭正、反向孔眼出口處x軸方向動量值減去射流鉆頭內(nèi)部流道入口處x軸方向動量值，即：

 

式中r為流體密度，kg／m³；vi為第i個正向孔眼射流速度，m／s；

 

為第i個正向孔眼面積，m²；qi為第i個正向孔眼與射流鉆頭中心軸線夾角，(°)；m為正向孔眼數(shù)量；vj為第j個反向孔眼射流速度，m／s；

 

為第j個反向孔眼面積，m²；qj為第j個反向孔眼與射流鉆頭中心軸線夾角，(°)；n為反向孔眼數(shù)量；v0為射流鉆頭內(nèi)部入口流體速度，m／s；

 

為射流鉆頭內(nèi)部入口過流面積，m²。

式(2)右邊代表作用于控制體邊界上x軸方向上的外力矢量和，在x軸方向，射流鉆頭受到內(nèi)、外流體對控制體邊界的壓力，高壓軟管阻礙其前進(jìn)的力，即高壓軟管對射流鉆頭的拉力，此力大小和射流鉆頭產(chǎn)生的自進(jìn)力相等，方向相反，為作用力與反作用力的關(guān)系，則式(2)右邊可表示為：

 

 

式中Fh為高壓軟管對射流鉆頭的拉力，N；pin為射流鉆頭內(nèi)部壓強，Pa；pout為射流鉆頭外部壓強，Pa。

將式(4)化簡并積分，整理可得：

 

結(jié)合式(2)、(3)和式(5)，可得到高壓軟管對射流鉆頭的拉力：

 

根據(jù)作用力與反作用力原理，射流鉆頭對高壓軟管的作用力與Fh相等，方向相反，這個力就是射流鉆頭產(chǎn)生的自進(jìn)力(Fz)，可以帶動射流鉆頭和高壓軟管在徑向井中前進(jìn)。因此射流鉆頭產(chǎn)生的自進(jìn)力可用下式計算：

 

各孔眼的流速與各自的局部阻力系數(shù)相關(guān)，建立射流鉆頭內(nèi)部入口和正、反孔眼出口處的伯努利方程：

 

式中Zin為為射流鉆頭入口處比位能，m；Zout為孔眼出口處比位能，m；zi為第i(i＝1,2,3,…,m)個正向孔眼的局部阻力系數(shù)，無因次；zj為第j(j＝1,2,3,…,n)個正向孔眼的局部阻力系數(shù)，無因次。

由于射流鉆頭尺寸較小，可認(rèn)為Zin與Zout相等，將式(8)整理可得：

 

根據(jù)式(9)，即可求出各個孔眼出口流速。

1．2　反向射流降壓效應(yīng)

在徑向水平井正常鉆進(jìn)過程中，向后噴射的高速射流從反向孔眼噴出，射流會從它周圍卷吸流體，由于射流鉆頭前面和四周均為巖石，外界流體補充困難，以至在射流鉆頭后部——環(huán)形區(qū)域形成低壓。由于反向射流是多股均勻分布的，所以在一定條件下可在射流鉆頭后端產(chǎn)生一個密閉環(huán)境的環(huán)形低壓區(qū)。此區(qū)域壓力低于井底環(huán)境壓力，由于壓差作用，會對射流鉆頭和高壓軟管產(chǎn)生一個向前的力，即為反向射流降壓效應(yīng)的自進(jìn)力產(chǎn)生機理。

以圖l中E點為例，在反向射流作用下，E點流體由于被卷吸而產(chǎn)生低壓效應(yīng)，由于高速射流卷吸作用，E點流體流速可近似等于反向射流速度(vj)，對E點應(yīng)用伯努利方程計算其流體壓強，可得：

pE＝pout-0.5rvj²            (10)

式中pE為E點流體壓強，Pa；pout為射流鉆頭外部壓強，Pa。

由式(10)可知，E點流體壓強主要由反向射流速度(vj)決定的，vj越大，則在E點的流體壓強越低，密封效果越明顯。

由于徑向水平井鉆進(jìn)過程中井底流場比較復(fù)雜，目前還無法僅通過理論方法給出反向射流的衰減規(guī)律，因此假設(shè)反向射流沿噴射方向距離孔眼出口處的流速為vjr，故反向射流方向距離孔眼出口一定距離(r)處的流體壓強可用下式表示：

pr＝pout-0.5rvjr²            (11)

式中r為沿噴射方向距離反向孔眼(j)的垂直距離，m。

由式(11)即可求出反向射流外邊界周邊任意一點流體由于射流卷吸作用所產(chǎn)生的低壓。

同時由于反向射流降壓作用，會減小射流鉆頭前端的外部壓強，將減小后的外部壓強(pout)代入式(7)中，也可得到更大的射流鉆頭白進(jìn)力(Fz)。

2　實驗裝置與方法

2．1　實驗裝置

1)高壓泵：高壓柱塞泵l臺，額定壓力為60MPa，額定排量為100L／min，柴油機功率為90kW。

2)數(shù)顯式推拉力計：量程為500N，最小分度值為0.1N，示值誤差為±0.5％。

3)模擬井筒及實驗臺架(圖2)：選用不銹鋼材料設(shè)計了5個不同尺寸的模擬井筒，長度均為1.5m，內(nèi)徑分別為30mm、36mm、48mm、62mm和70mm。實驗臺架高為0.5m，長為1.5m，可用于固定模擬井筒，確保模擬井筒在實驗時不發(fā)生移動或轉(zhuǎn)動。

 

4)液流設(shè)備：選用高壓軟管作為實驗管線。實驗高壓軟管長20m，外徑為l7mm，內(nèi)徑為l0mm，最高耐壓強度達(dá)50MPa。

5)多孔射流鉆買：鉆頭長度為30mm，外徑為l8mm。正反方向孔眼的直徑均為lmm，反向孔眼數(shù)量統(tǒng)一為6個，反向孔眼與射流鉆頭中軸線夾角為30°；正向孔眼分別為4個、3個、2個和l個(即射流鉆頭正反流量比為2／3、1／2、l／3和1／6)，正向射流方向與射流鉆頭中軸線平行。

2．2　實驗方法

實驗裝置示意圖如圖3所示。模擬井筒水平放置，固定于實驗臺架上。實驗臺架固定于地面上，保證實驗時模擬井筒不發(fā)生移動或轉(zhuǎn)動。連接高壓軟管的多孔射流鉆頭放置于模擬井簡內(nèi)，將拉力測試線一端連接于多孔射流鉆頭后端接頭，另一端連接于拉力計上。拉力計固定于另一實驗臺架上，2個實驗臺架高度相同，以確保拉力測試線水平。實驗時，2個實驗臺架均固定在地面上，通過拉力測試線長度來確定射流鉆頭的正向噴距。經(jīng)實驗測量，當(dāng)柴油機的轉(zhuǎn)數(shù)相同時，無論連接哪種射流鉆頭，高壓泵的排量大小都相差不大。因此在實驗中，通過固定柴油機轉(zhuǎn)數(shù)的方法來保證應(yīng)用不同射流鉆頭時流量相同。

 

用以下實驗方法研究多孔射流鉆頭自進(jìn)力的影響規(guī)律：①改變柴油機轉(zhuǎn)數(shù)的方法來調(diào)節(jié)泵排量，研究流量參數(shù)對射流鉆頭自進(jìn)力的影響規(guī)律；②更換多孔射流鉆頭的方法來改變射流鉆頭正反流量比，研究正反流量比參數(shù)對射流鉆頭自進(jìn)力的影響規(guī)律；③調(diào)節(jié)射流鉆頭與模擬井底之間的距離，研究正向噴距參數(shù)對多孔射流鉆頭自進(jìn)力的影響規(guī)律；④更換模擬井筒的方法來改變井簡直徑，研究井筒直徑參數(shù)對多孔射流鉆頭自進(jìn)力的影響規(guī)律。

自進(jìn)力測試實驗參數(shù)設(shè)置：流量為0.71L／min、0.75L／min、0.82L／min、0.91L／min和0.99L／min；正反流量比為2／3、1／2、1／3和1／6；正向噴距為10mm、20mm、30mm、40mm和50mm；井徑為30mm、36mm、49mm、62mm和70mm。

3　實驗結(jié)果與分析

3．1　流量的影響

因為實驗用多孔射流鉆頭的反向射流流量均大于正向射流流量，由理論分析可知，射流鉆頭會產(chǎn)生向前的自進(jìn)力，并且隨著流量的增大自進(jìn)力也隨之增大。自進(jìn)力測試實驗也驗證了這一點，如圖4所示。選取正反流量比為2／3、1／2、1／3和1／6的射流鉆頭進(jìn)行實驗，當(dāng)正向噴距為10mm，井簡直徑為49mm時，自進(jìn)力隨著流量的增大也隨之增大，近似呈線性關(guān)系變化。以正反流量比為2／3的射流鉆頭為例，流量為0.71L／s時，產(chǎn)生的自進(jìn)力為67.8N；流量為0.75L／s時，產(chǎn)生的自進(jìn)力為74.8N；流量為0.82L／s時，產(chǎn)生的自進(jìn)力為96.9N；流量為0.9lL／s時，產(chǎn)生的自進(jìn)力為118.7N；流量為0.99L／s時，產(chǎn)生的自進(jìn)力為133.2N。這是因為隨著流量的增大，射流的總動量也隨之增大，反向射流產(chǎn)生的反推力更大，反向射流產(chǎn)生的降壓效果也更加明顯。故可以產(chǎn)生更大的自進(jìn)力。在實驗條件下，流量從0.71L／s增加到0.99L／s，4種不同正反流量比的射流鉆頭所產(chǎn)生的自進(jìn)力范圍為67.8～228.1N。

 

3．2　射流鉆頭正反流量比的影響

當(dāng)流量不變時，射流鉆頭的正反流量比對自進(jìn)力的影響就顯得比較重要。通過實驗測量發(fā)現(xiàn)，射流鉆頭所產(chǎn)生的自進(jìn)力隨著正反流量比的增大而減小，近似呈線性關(guān)系變化(圖5)。以噴距為10mm，井筒直徑為49mm，流量為0.99L／s時為例，正反流量比為2／3的射流鉆頭所產(chǎn)生的自進(jìn)力為133.2N；正反流量比為l／2的射流鉆頭所產(chǎn)生的自進(jìn)力為171.9N；正反流量比為l／3的射流鉆頭所產(chǎn)生的牽引力為188.5N；正反流量比為l／6的射流鉆頭產(chǎn)生所產(chǎn)生的牽引力為228.1N。這是因為隨著正反流量比的減小，反向射流的流量分配比例增大，反向射流所產(chǎn)生的反推力也增大，同時反向射流的降壓效應(yīng)也越明顯，故可以產(chǎn)生更大的自進(jìn)力。在實驗條件下，射流鉆頭流量比從1／6增大到1／3，排量在0.71～0.99L／s時范圍，所產(chǎn)生的自進(jìn)力范圍為67.8～228.1N。

 

3．3　正向噴距的影響

噴距是高壓水射流技術(shù)中的一個重要參數(shù)，正向噴距是指射流鉆頭前端面與井底之間的距離。如圖6所示，在實驗條件下，選取正反流量比為2／3的射流鉆頭作為研究對象，井筒直徑選取49mm，隨著正向噴距的增大，在同一流量下射流鉆頭產(chǎn)生的自進(jìn)力變化不大，基本持平。以流量為0.91L／s時為例，噴距為10mm時，自進(jìn)力為ll8.7N；噴距為20mm時，自進(jìn)力為ll9.6N；噴距為30mm時，自進(jìn)力為ll7.8N；噴距為40mm時，白進(jìn)力為ll8.9N；噴距為50mm時，自進(jìn)力為ll9.1N。這主要是因為射流所產(chǎn)生的反沖力大小僅與噴嘴出口處流速有關(guān)，與接觸靶物時的速度無關(guān)，故反沖力大小與正向噴距無關(guān)，同時井筒直徑大小不變，改變正向噴距并不影響反向射流的降壓效應(yīng)，所以正向噴距對自進(jìn)力的影響不大。在實驗條件下，井筒直徑為49mm，排量范圍為0.71～0.99L／s，噴距從10mm增加到50mm時，正反流量比為2／3的射流鉆頭所產(chǎn)生的白進(jìn)力范圍為67.8～135.2N。

 

3．4　井簡直徑的影響

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，井簡直徑參數(shù)影響白進(jìn)力的大小主要包括2種原因：①因為均勻分布的多股反向射流快速噴射可以在射流鉆頭后部產(chǎn)生一個環(huán)形低壓區(qū)，由于壓差作用，會使射流鉆頭和軟管有一個向前的力，即為反向射流的降壓效應(yīng)，井徑不同所產(chǎn)生的降壓效應(yīng)也不同，故對射流鉆頭產(chǎn)生的自進(jìn)力有影響；②因為正向射流沖擊到井底后會產(chǎn)生返流，返流會對射流鉆頭前端面產(chǎn)生一個向后的推力，井簡直徑不同返流速度也不同，則對射流鉆頭的推力也不同。如圖7所示，在實驗條件下，正向噴距為10 rrliYl時，正反流量比為2／3的射流鉆頭產(chǎn)生的白進(jìn)力隨著井筒直徑的增加呈先增大后減小的趨勢，存在一個最優(yōu)井筒直徑。以流量為0.99L／s時為例，井筒直徑為30mm、36mm、49mm、62mm、70mm時，產(chǎn)生的白進(jìn)力分別為119.2N、136.1N、133.2N、107.8N、105.2N。自進(jìn)力隨著井簡直徑的增加先增大是因為井簡直徑較小時，正向射流沖擊井底后形成的返流速度較快，對射流鉆頭端面產(chǎn)生較大向后的推力，故自進(jìn)力相對較小；自進(jìn)力隨著井筒直徑的增加后又減小是因為當(dāng)井筒直徑較大時，井筒空間變大，反向射流的封隔能力減弱，其降壓效應(yīng)變差，故自進(jìn)力也減小，此處也證明了反向降壓效應(yīng)的存在。當(dāng)井筒直徑為62mm和70mm時，射流鉆頭所產(chǎn)生的自進(jìn)力已經(jīng)相差不大，說明在實驗條件下，井筒直徑為62mm時，反向射流的降壓效應(yīng)已經(jīng)不明顯。當(dāng)井筒直徑為36～49mm之間時，射流鉆頭所產(chǎn)生的白進(jìn)力較大。在實驗條件下，井筒直徑從30mm增加到70mm，排量范圍為0.71～0.99L／s時，正反流量比為2／3的射流鉆頭所產(chǎn)生的自進(jìn)力范圍為51.1～136.1N。

 

4　結(jié)論

通過理論分析和實驗得出了自進(jìn)式多孔射流鉆頭的自進(jìn)機理，主要包括射流反推力作用和反向射流的降壓效應(yīng)。揭示了流量、射流鉆頭正反流量比、正向噴距和井筒直徑等參數(shù)對多孔射流鉆頭自進(jìn)力的影響規(guī)律。在實驗條件下，保持其他參數(shù)不變，隨著流量的增大，射流鉆頭產(chǎn)生的自進(jìn)力隨之近似線性關(guān)系增大；隨著射流鉆頭的正反流量比的增大，自進(jìn)力隨之近似線性關(guān)系減?。徽驀娋鄬ι淞縻@頭產(chǎn)生的白進(jìn)力的影響較小，隨著噴距的增大自進(jìn)力基本不變；隨著井筒直徑的增大，射流鉆頭產(chǎn)生的自進(jìn)力呈先增大后減小的趨勢。在實驗條件下，流量范圍為0.71～0.99L／s時，射流鉆頭正反流量比范圍為l／6～2／3，正向噴距范圍為10～50mm，井簡直徑為30～70mm時，射流鉆頭所產(chǎn)生的自進(jìn)力范圍為51.1～228.1N。

 

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本文作者：馬東軍  李根生  黃中偉  李敬彬  王基龍

作者單位：中國石化石油工程技術(shù)研究院

  “油氣資源與探測”國家重點實驗室·中國石油大學(xué)(北京)