0 引言

径向水平井技术开始于20世纪80年代，在过去的20年中，径向水平井技术迅速发展，已经具有开发非常规油气的潜力^[1-5]。该技术要求采用具有高效破岩的水射流钻头，将高压流体通过小直径连续管和高压软管注入射流钻头，以达到破岩钻井的效果。在这种情况下，射流钻头是必不可少的技术，它不仅要破岩扩孔，而且要为高压软管提供牵引力^[6-9]。但实际钻进过程中，由于井底情况复杂，钻头的前向喷嘴经常直接与岩石层接触，再加上后向喷嘴施加的向前推力，导致前向喷嘴被岩石层牢牢堵住，这就是水射流钻头的“卡堵”现象。

为了解决这一问题，本文设计了一种带支撑板的自进式多孔射流钻头。同时，通过将圆锥收敛型喷嘴的结构设计应用于前向中心孔眼，增加等速核长度以提高破岩效率^[10-13]，保证了当射流钻头前向孔眼数量不多时一样具有较高的破岩效率^[14]。通过优选出支撑板的长度及宽度，使水射流冲击井底时具有最优的破碎岩石的效果。笔者对射流钻头流场进行数值模拟分析，研究了支撑板对水射流钻头钻进时的影响以及对漫流排屑的影响。

1 自进式多孔射流钻头的设计 1.1 结构

带支撑板的自进式多孔射流钻头结构图 1所示。该钻头最主要的特点是其前部有支撑板，支撑板用于保持钻头与待钻井底留有一定的距离，以防止水射流钻头在钻进过程中产生卡堵现象。

1.2 工作原理

钻头体的左侧内壁有螺纹，用于连接高压软管。在地面高压泵作用下，高压软管内的流体流经钻头，在钻头喷嘴的加速作用下，流体分成多股射流射出钻头体^[15-16]。其中多股射流依靠不同喷嘴的排列规律，使射流形成前向射流和后向射流^[17]。由于后向射流与钻头中心轴成一定的角度，后向射流射出的流体有利于冲刷井壁，具有扩孔与及时排屑的作用。此外，由于设计的钻头体后向喷嘴个数大于前向喷嘴个数，后向射流产生的推进力大于前向射流产生的阻力，从而实现射流钻头能牵引着高压软管向前钻进。钻头的右端是支撑板，在后向射流产生的推力作用下，钻头右端的支撑板高速撞击井底而对井底岩石造成初步破碎^[18]。

前向喷嘴的分布为1+3结构，即一个中心喷嘴，三个围绕中心孔在同一圆周按照等角度分布的喷嘴。射流破岩时，如果只依靠中心喷嘴来破岩，那么破岩面积过小。但如果又只依靠圆周分布的喷嘴，将在破岩面中心产生凸台。前向喷嘴采用1+3结构，喷射出的流体最终会形成一定直径范围内面积连通的孔眼。而且中心喷嘴应用了圆锥收敛型喷嘴的结构设计，能够尽可能缩小射流扩散角，这样射流的密集性就越高，能量就越集中^[19]。

1.3 结构参数

结构参数主要包括钻头体长度L₁，外径D₁，内径D₂，支撑板长度L₂，前向圆周分布的孔眼及后向孔眼直径d₁，后向孔眼扩散角α₂，前向中心孔眼直径d₂，前向孔眼扩散角α₃，前向中心孔锥角α₁等。

2 数值模拟 2.1 几何模型

利用SoildWorks软件建立了带支撑板的自进式多孔射流钻头的几何模型，如图 2所示。由于超短半径转向器的限制，选定钻头体总长度为40 mm, 钻头体外径为18 mm，流体入口内径为10 mm，支撑板长度为10 mm；考虑到前向孔眼数目对自进力的影响，同时为了错开前向射流与支撑板，前向孔眼采用1+3结构，出口直径均为1 mm，前向孔眼扩散角为15°；6个后向孔眼均匀分布且直径为1 mm，后向孔眼扩散角为30°，前向孔眼扩散角为15°；前向中心孔眼有一个锥角，为了使前向中心孔眼具有更高的破岩效率，将锥角设计成13.5°。

2.2 控制方程

研究对象为非淹没射流下的直射流流场，不存在剧烈漩涡运动。由于自进式多孔射流钻头产生的射流流速很高，而且钻头内、外均为高雷诺数区域，选用更适用于完全湍流的半经验双方程标准k-ε湍流模型。标准k-ε双方程湍流模型的输运方程为^[20]：

(1)

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：G_k是由平均速度梯度引起的湍动能；G_b是由浮力影响产生的湍动能；Y_M为可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响值；G_1ε、G_2ε、G_3ε为经验常数，FLUENT中默认值为G_1ε=1.44、G_2ε=1.92、G_3ε=0.09；σ_k、σ_ε分别为湍动能和湍动能耗散率对应的普朗特数，FLUENT中默认值为σ_k=1.0、σ_ε=1.3；Pr_t为湍动普朗特数，默认取Pr_t=0.85；g_i为重力加速度在i方向的分量；β为热膨胀系数；Ma_t为湍动马赫数；v为声速。

2.3 网格划分

计算域网格划分如图 3所示。本文采用的是非统一网格尺寸，以便于捕捉模型中的细小特征。网格模型左边蓝色部分为流体入口边界，红色部分为流体出口边界。网格在喷嘴出口和井底壁面等流场梯度大的位置划分的网格比较精细。ANSYS中MESHING模块有网格质量检查的功能，本文划分的网格最高质量指数为0.999 55，最低质量指数为0.382 99，平均质量指数为0.877 99。一般来讲，网格质量高于0.8就是优质网格。

2.4 边界条件

入口边界：采用绝对速度入口边界，速度方向为进口法向，进口绝对速度大小为15 m/s，径向速度为0 m/s。

出口边界：前向和后向出口压力均采用环境压力，静压p_s =0.2 MPa。

壁面条件：采用无滑移绝热固壁边界。

3 模拟结果与分析 3.1 自进式多孔射流钻头的流场特性

入口处流体的绝对速度为15 m/s，前向和后向出口压力均为0.2 MPa。自进式多孔射流钻头中心轴横截面速度云图如图 4所示。流体通过钻头前向孔眼和后向孔眼以高速射出，其中通过前向孔眼射出的流体主要起破碎岩石的作用，通过后向孔眼射出的流体主要起扩孔及提供钻头自进力的作用。

3.2 前向射流的速度分布

图 5是自进式多孔射流钻头前向射流速度云图。图 5中截面包括了一个圆周分布的孔眼、一个中心孔眼以及一个支撑板。中心孔眼采用锥角设计，形成了较小的射流扩散角，射流拥有更高的密集性，能量也越集中。显然，采用圆台结构的中心孔眼比其他圆周普通孔眼有更长的射流等速核，冲击力量更大，破岩效果更佳。因此前向中心孔眼起主要的破岩作用，其他三个同圆周分布的孔眼由于与钻头中心轴成一定的角度，所以三个同圆周分布的孔眼形成的射流冲击岩石时有一定的剪切力，这样的剪切力更利于破碎岩石。

3.3 后向射流的速度分布

自进式多孔射流钻头后向孔眼射流速度云图如图 6所示。

后向孔眼一共有6个，均匀分布在同一圆周上。部分流体由钻头内部进入后向喷嘴并喷射到环空，形成后向射流。后向孔眼出口处的流体速度最高达到了156.1 m/s，在周围流体围压的影响下，后向射流流速有所耗散，但射流最后冲击岩石时，后向射流的流速仍有82.5 m/s，高速的流体对孔壁产生强烈的剪切应力，使其更利于破碎岩石扩大孔径。此外，后向射流产生的推进力是钻头实现自进的主要动力，井底产生的岩屑也可以通过后向射流进一步排出。

3.4 井下流场分析 3.4.1 速度分布

井底速度分布如图 7所示。射流冲击井底后，射流流体在井底限制下沿井底径向流动，形成一层沿井底高速流动的漫流。这层高速流动的漫流对井底的岩屑产生了一个横向推力^[19]，使其随着漫流一起运动，达到及时排除岩屑的作用。

研究表明，当井底边界条件为无滑移壁面时，最大漫流速度出现在距井底0.5 mm高度的范围内，且最大漫流速度值可达射流喷嘴出口速度的50%~80%。取距离井底0.5 mm的截面为研究对象，该截面流场的速度分布云图如图 8所示。由图 8可知，速度分布云图上分布着4个圆状高速区域，该区域为前向射流形成的射流横截面，并且前向中心喷嘴形成的射流在井底的流速显然更大，破碎深度也更深。图 8中三块白色区域是支撑板形成的零速区域，与另外三个同圆周分布的喷嘴交错排列是为了减小支撑板对射流的影响。支撑板内圆弧面周围的流体流速较高，被击碎的岩屑就不会堆积在支撑板的内圆弧面上，以达到及时清洗井底岩屑的作用。

3.4.2 压力分布

图 9是井底静压分布云图。由图 9可知，前向中心孔眼形成的射流静压力相比于其他三个同圆周分布的孔眼形成的射流静压力要大很多，中心孔眼形成的射流静压最大为5 MPa，而同圆周分布的孔眼形成的射流静压最大为2 MPa，且形成的静压区域均呈现出从中心向周围区域逐渐减小的趋势。

图 10是井底动压分布云图。由图 10可知，动压呈现出的分布与静压分布大不相同，在射流与井底撞击的区域是动压最小的区域，周围的动压逐渐变大，靠近井壁时，动压又逐渐减小。

4 结论及认识

(1) 设计了一种带支撑板的自进式多孔射流钻头，可以解决工程上自进式水射流钻头在钻进时造成的卡堵问题。

(2) 考虑到前向孔眼的数目对自进力的影响以及支撑板的分布对射流的影响，前向孔眼采用1+3结构最佳，即一个中心孔眼加上三个绕中心孔眼均布排列的孔眼，且三个同圆周均布的孔眼与支撑板错开排列。

(3) 从井底速度分布云图以及井底压力分布云图可知，采用了锥角设计的前向中心喷嘴比其他圆周均布的普通喷嘴具有更高效的破岩效率以及更长的等速核。

(4) 从井底速度分布云图以及井底静压分布云图可知，支撑板内圆弧面具有较高的流体速度与静压，利于排除岩屑。所以带有支撑板的自进式多孔射流钻头具有及时清洗井底岩屑的作用。

(5) 由于超短半径转向器的限制以及钻进过程中诸多因素的影响，支撑板的形状、数目、长度以及分布方式都应进一步研究和优化设计。

(6) 为了平稳的控制水平井眼的轨迹，应找到合适的方法或者仪器来测量水射流钻头的轨迹以及考虑使用特殊机构来调整方位角和倾角。