連續(xù)油管?chē)娚溷@進(jìn)中新型噴頭的研發(fā)

董小龍， 張心明， 王戰(zhàn)友， 劉濤

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

連續(xù)油管?chē)娚溷@進(jìn)中新型噴頭的研發(fā)

董小龍， 張心明， 王戰(zhàn)友， 劉濤

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

結(jié)合實(shí)際工況，對(duì)噴射系統(tǒng)的噴頭進(jìn)行了一系列優(yōu)化，從使用壽命考慮，選擇了陶瓷材料，根據(jù)實(shí)際要求對(duì)噴頭結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)構(gòu)確定后，進(jìn)行了基本的受力分析，最后完成實(shí)驗(yàn)對(duì)比，確定了噴頭的實(shí)際應(yīng)用。噴頭雖然小，但卻是噴射系統(tǒng)最終執(zhí)行元件，因此，新型噴頭的研發(fā)不僅對(duì)油井噴射鉆進(jìn)的發(fā)展有重大意義，還對(duì)船舶、化工等領(lǐng)域中的噴射系統(tǒng)的效率有很大的促進(jìn)作用。

噴頭；陶瓷；噴射

0 引言

噴射鉆進(jìn)技術(shù)是一種新興的重要技術(shù)，我國(guó)的噴射鉆進(jìn)技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，1977年我國(guó)引進(jìn)了第一臺(tái)連續(xù)油管?chē)娚溷@進(jìn)機(jī)，但工作情況并不理想。油井水射流鉆進(jìn)主要用于水平井鉆進(jìn)，采用撓性不銹鋼連續(xù)管和連續(xù)軟管輸送高壓流體，使井下軟管連接的噴頭噴射出高壓射流，高壓射流沖蝕壓裂巖層，實(shí)現(xiàn)徑向鉆井。噴頭是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行元件，直接影響系統(tǒng)的每個(gè)部件，因此，必須重視對(duì)噴頭材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝、檢驗(yàn)方法的研究，噴頭的完善是高壓水射流噴射技術(shù)提高的重要標(biāo)志。

針對(duì)水射流在鉆井等方面的應(yīng)用，提出了一種新型噴頭的設(shè)計(jì)方案，并從噴頭的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、參數(shù)等方面加以改進(jìn)，提高了噴頭的使用壽命，減少了頻繁更換井下噴頭的次數(shù)，減少了不必要工作時(shí)間的浪費(fèi)。新型噴頭很好地完成了擴(kuò)井的功能，并能夠自動(dòng)進(jìn)給，極大地提高了鉆進(jìn)的效率。

1 噴頭材料

噴頭的使用壽命對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)和噴射效率起著決定性的作用，而噴頭的結(jié)構(gòu)和材料是影響其壽命的關(guān)鍵因素。目前，我國(guó)市場(chǎng)上的噴頭材料主要是采用金屬和硬質(zhì)合金，但是由于金屬和硬質(zhì)合金的硬度低，耐磨性差，耐腐蝕性不強(qiáng)，使用壽命非常短，導(dǎo)致了在實(shí)際的生產(chǎn)中噴頭更換頻繁，不僅嚴(yán)重影響了噴射鉆進(jìn)的效率，而且增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。因此，開(kāi)發(fā)出高性能、長(zhǎng)壽命的噴頭是石油噴射鉆進(jìn)技術(shù)研究的重點(diǎn)。陶瓷材料正好具有這方面的優(yōu)勢(shì)。

應(yīng)用最為廣泛的就是SiC陶瓷材料，碳化硅陶瓷材料具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能、抗氧化性能、耐磨損性、熱穩(wěn)定性，且熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大、硬度高以及抗熱震和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良性能。SiC是在隕石中發(fā)現(xiàn)的，為強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，自然界中幾乎不存在，目前獲取SiC陶瓷的主要方法是熱壓燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)等。表1為SiC陶瓷的性能參數(shù)，表2為SiC陶瓷的耐酸堿腐蝕性能。

綜合表1、表2，噴頭材料優(yōu)先選用熱壓燒結(jié)SiC陶瓷。熱壓燒結(jié)SiC陶瓷的一些其他參數(shù)如表3所示。

2 噴頭結(jié)構(gòu)

噴頭是噴射鉆進(jìn)的執(zhí)行元件，它的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的好壞對(duì)噴射鉆井的質(zhì)量和效率有著直接的關(guān)系。噴頭雖然

表1 SiC陶瓷性能參數(shù)

表2 SiC陶瓷的耐酸堿腐蝕性能

表3 SiC陶瓷其他參數(shù)

很小，但卻有著它不可忽視的重要性，優(yōu)化噴頭的幾何形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)于研究水射流噴射鉆井有著非常重要的意義。在水力噴射鉆進(jìn)的過(guò)程中，噴頭發(fā)出的水射流是傳過(guò)從巖石表面反彈回來(lái)的水到達(dá)巖石表面的，這樣就不可避免地?fù)p失了一部分功率。所以把傳統(tǒng)的垂直噴嘴（如圖1所示）改成具有一定傾斜角度的斜噴嘴（如圖2所示），水射流總是朝向比較寬的一邊切割巖石，反彈回來(lái)的水流也總是朝向比較寬的一面，這樣就有效地避免了因?yàn)榉磸椝鞫斐傻墓β蕮p失。而且，傾斜的水射流更有利于破巖，這種改進(jìn)也極大地?cái)U(kuò)大了井的直徑。實(shí)驗(yàn)也表明了這種噴頭更加有力于噴射鉆進(jìn)。

圖1 傳統(tǒng)噴頭示意圖

圖2 改進(jìn)噴頭示意圖1

圖3 改進(jìn)噴頭示意圖2

在使用這種噴頭的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，噴進(jìn)的速度并不是很快，沒(méi)有達(dá)到工程的要求，于是在噴頭的中央加了一個(gè)垂直孔，即軸線孔（如圖3所示）。實(shí)驗(yàn)表明，這種結(jié)構(gòu)極大地加快了噴進(jìn)的速度，達(dá)到了8 m/min，很好地滿(mǎn)足了工程中的實(shí)際要求。

噴頭在前進(jìn)的過(guò)程中，會(huì)和井壁產(chǎn)生摩擦，由于噴射出的井的內(nèi)壁形狀極不規(guī)范，就更增加了這種摩擦力，進(jìn)給極為不便。為了適應(yīng)井下的復(fù)雜工控，改進(jìn)后的噴頭上增加了向后噴射的噴嘴。1）新型噴頭確保了連續(xù)管被“拖拽”進(jìn)給，并自動(dòng)控制進(jìn)給速度，省去了人為的進(jìn)給，增加了工作的效率；2）向后噴射的射流能夠起到擴(kuò)井的作用，有效地?cái)U(kuò)大了井的內(nèi)徑；3）向后的射流使噴頭置于井的中間位置，規(guī)范了井內(nèi)壁的形狀，減小了阻礙噴頭的摩擦力；4）這種結(jié)構(gòu)能夠很好地沖去粉碎的石粒，起到了洗井的作用，如圖4、圖5所示。

圖4 噴頭的工作原理圖

圖5 噴頭的三維模型

3 噴孔直徑

水力噴射破巖本質(zhì)上就是把水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，打擊在巖石上的射流流量和流速對(duì)這種轉(zhuǎn)變效應(yīng)非常重要，它們決定了到巖石表面的射流功率和射流的作業(yè)效率，而泵控制著射流的流量，噴頭出口截面面積控制著射流流速。水射流噴孔對(duì)流體的約束使得水射流噴出速度急劇增加，高壓水射流所用高壓泵是基于正排量的，這就是說(shuō)，單位時(shí)間內(nèi)高壓泵總是以一定的流量排出進(jìn)入噴頭從噴孔流出形成水射流。如果沒(méi)有旁通的泄漏，射流流量也就是泵的排量。噴頭噴孔噴出的射流必須具備一定的流速，這就需要高壓泵提供足夠的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)。隨著泵所輸出流量和額定壓力的確定，與之相應(yīng)的噴頭噴孔直徑也就能夠確定了。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)高壓水射流的描述主要是產(chǎn)生射流的流體壓力、流速、射流量和噴孔直徑。

式中：vt為射流出口的理論速度，m/s；p為射流壓力，MPa；Qt為射流的理論流量，L/min；D為噴頭出口直徑，mm；At為噴頭出口截面積，mm2。

式（1）、式（2）得出的是理論的流速和流量，但由于客觀因素，實(shí)際的流速v和流量Q都要比理論值要小。我們把實(shí)際流速和理論流速的比值定義為速度系數(shù)φ，把實(shí)際流量和理論流量的比值定義為流量系數(shù)μ，把噴頭出口截面積和射流出口截面積定義為伸縮系數(shù)ε。

根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）、式（4）、式（5）可得

對(duì)于多噴孔，由當(dāng)量噴孔直徑代入式（6）進(jìn)行噴頭參數(shù)計(jì)算，當(dāng)量噴孔直徑De表示為：

根據(jù)初始設(shè)計(jì)要求：

得出噴孔直徑D0=0.8 mm。

4 應(yīng)力分析

應(yīng)用有限元方法來(lái)分析噴頭的應(yīng)力及總體變形。首先確定所要分析的范圍，假定噴頭在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中溫度不變，不存在溫度變化所引起的溫差應(yīng)力，分析屬于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題。材料為SiC陶瓷，彈性模量E=450 GPa，泊松比ν=0.17。在CATIA中進(jìn)行三維建模。

射流的工作壓力為28 MPa，流量為55 L/min，由于噴頭是自動(dòng)進(jìn)給的，在噴頭的一端面添加固定約束。分析時(shí)，噴頭內(nèi)壁及噴孔內(nèi)施加28 MPa的射流工作壓力。

網(wǎng)格劃分：由于噴頭體積小，為保證精度，網(wǎng)格均細(xì)分劃。網(wǎng)格劃分后的單元數(shù)是20104個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為35179個(gè)。生成的網(wǎng)格如圖6。

圖6 生成的網(wǎng)格

有限元分析結(jié)果：1）噴頭噴孔處應(yīng)力增大，最大應(yīng)力值為464 MPa，出現(xiàn)在噴孔出口處。原因是噴頭噴孔內(nèi)壁受到的正壓力和摩擦力與速度成正比，與半徑成反比。在噴孔段，沿噴孔軸線方向，流體速度不斷增加，對(duì)內(nèi)壁的摩擦力和正壓力不斷增大，所以噴孔處應(yīng)力遞增，直到噴孔段結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值。2）另一處應(yīng)力較大的地方為倒槽部位，此處噴孔數(shù)較多，受到的沖蝕較大，再加上磨損，致使其應(yīng)力相對(duì)較大，如圖7所示。

圖7 有限元分析

5 噴頭的檢驗(yàn)

噴頭結(jié)構(gòu)確定之后，要經(jīng)過(guò)實(shí)際的工況應(yīng)用才能確定其使用價(jià)值。因?yàn)樾碌膰婎^不能在油井中現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，所以試驗(yàn)臺(tái)的制定就成為了必須。噴頭試驗(yàn)臺(tái)主要由水箱、增壓泵、連續(xù)軟管、溢流閥、壓力傳感器、水壓表，試件固定架、罩體等組成。其中水箱分為兩體，由于試件由巖石組成，噴射回流的液體中會(huì)含有大量的巖石碎末，因此兩體的水箱便于液體中的固體碎末沉淀排出。增壓泵采用美國(guó)SC公司生產(chǎn)的氣動(dòng)液體增壓泵，它以普通壓縮氣體為動(dòng)力，具有無(wú)需任何潤(rùn)滑、不產(chǎn)生熱量和電火花、連續(xù)啟停、不受限制等優(yōu)點(diǎn)。水箱及罩體全部采用厚2 mm不銹鋼板焊接，罩體門(mén)中部裝有鋼化玻璃，能夠直觀地看到試驗(yàn)臺(tái)里面的實(shí)際噴射情況。

如圖8所示，試驗(yàn)臺(tái)分為上下兩部分，下面為液壓系統(tǒng)，上面為噴射系統(tǒng)。進(jìn)行第一組實(shí)驗(yàn)，打開(kāi)罩體門(mén)，將其他噴頭連接連續(xù)軟管，將巖石試件裝入試件固定架，并使其緊固；關(guān)閉罩門(mén)，確定良好后，啟動(dòng)電源，按下運(yùn)行按鈕；同時(shí)按下計(jì)時(shí)器，在噴射的過(guò)程中記錄壓力表的數(shù)值；當(dāng)將試件噴射穿透后，噴頭噴出的水射流會(huì)觸碰到試件后端的傳感器，試驗(yàn)臺(tái)報(bào)警燈閃爍，再次按下計(jì)時(shí)器，記錄所用試件；按下停止按鈕，關(guān)閉電源。新型噴頭試驗(yàn)臺(tái)液壓原理圖見(jiàn)圖9。

圖8 噴頭試驗(yàn)臺(tái)

圖9 新型噴頭試驗(yàn)臺(tái)液壓原理圖

按照相同步驟，將新型噴頭連接連續(xù)軟管，將相同材質(zhì)相同長(zhǎng)度的巖石試件緊固在試件固定架，進(jìn)行第二組實(shí)驗(yàn)，紀(jì)錄壓力表數(shù)值和射穿巖石所用時(shí)間。然后，換用另一種不同材質(zhì)相同長(zhǎng)度的巖石試件緊固在試件固定架，分別進(jìn)行第一組和第二組實(shí)驗(yàn)，紀(jì)錄數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論

對(duì)相同巖層，新型噴頭能更有效地進(jìn)行噴射鉆進(jìn)，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)進(jìn)給；噴射后的井的直徑較大，有明顯的擴(kuò)井作用；所形成的井洞形狀較規(guī)則，對(duì)噴頭的磨損較??；換用不同的巖層，也具有相同的效果。

7 結(jié) 語(yǔ)

水射流噴頭的研究一直是重要的研究課題之一。本文通過(guò)實(shí)際需要，對(duì)水力噴射系統(tǒng)中的噴頭進(jìn)行了研究，從材料的選擇到結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，都有了很大的提高。與以往的噴頭相比，新型噴頭更加合理地分配了射流量，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)進(jìn)給和擴(kuò)井的功能，為進(jìn)一步研究水力噴射鉆井系統(tǒng)起到了很大的促進(jìn)作用。

［1］ 劉莉莉，鄧建新，皇攀凌，等.SiC/(W，Ti)C梯度陶瓷噴頭的設(shè)計(jì)與制備［J］.中國(guó)科學(xué)：E輯：技術(shù)科學(xué)，2007，37（7）：857－865.

［2］ 薛勝雄.高壓水射流技術(shù)工程［M］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［3］ 王瑞和，沈忠厚，周衛(wèi)東.高壓水射流破巖鉆孔的實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油鉆采工業(yè)，1995，17（1）：20-27.

［4］ 孫家俊.水射流切割技術(shù)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992.

［5］ 沈忠厚.水射流理論與技術(shù)［M］.東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，1998.

（編輯立 明）

Research of New Type Nozzle in Coiled Tubing Jet Drilling

DONG Xiaolong,ZHANG Xinming,WANG Zhanyou,LIU Tao
（College of Mechanical&Electrical Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China）

According to the actual working condition,a series of optimization is carried out for the nozzle of injection system.The ceramic material is selected for increasing service life.Nozzle structure and its parameters are optimized according to the actual requirements.Then the basic stress analysis and the experimental contrast are completed,and the practical application of nozzle is ensured.Although the nozzle is small,but it is the final element of injection system,so the development New type nozzle is not only significant to the jet drilling oil Wells,and also has a great role in promoting the efficiency of the injection system in ship,chemical industry and other fields.

nozzle;ceramic;jet

TE 248

A

1002－2333（2014）05－0026－03

董小龍（1986—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榫?、超精密加工及檢測(cè)設(shè)備。

2013-11-06