CN108360976A - 粒子冲击钻井喷嘴流道 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粒子冲击钻井喷嘴流道。本发明提供一种加速效果稳定、A区重合度好、避免喷嘴端面磨损的粒子冲击钻井喷嘴流道。该粒子冲击钻井喷嘴流道由收缩段和圆柱段构成，所述粒子冲击钻井喷嘴流道的所述收缩段的形状关于所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线对称，针对所述粒子冲击钻井喷嘴流道的经过所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线的截面，以所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线为x轴，以所述粒子冲击钻井喷嘴流道的入口截面与上述截面的交线为y轴，以所述粒子冲击钻井喷嘴流道的入口中心为原点建立坐标系，设构成所述收缩段的上半部分的函数为f(x)，满足0≤|f”(x)|<0.8。

Description

粒子冲击钻井喷嘴流道

技术领域

本发明涉及一种粒子冲击钻井喷嘴流道，具体而言，涉及一种加速效果稳定、A区重合度好、避免喷嘴端面磨损的粒子冲击钻井喷嘴流道。

背景技术

在我国，浅层的油气资源已经开发殆尽，但是在深部硬地层中还存在着较多的油气资源，然而就传统的钻井技术而言，普通的钻井方法往往不能起到令人满意的钻进效果，其较低的破岩效率直接影响着钻井工程的经济效益，这种情况严重制约了深部油气资源的开发。

粒子冲击钻井是一种新型的钻井方法，它以粒子冲击破岩为主以机械破岩为辅，其对坚硬岩层有很强的破碎能力。较传统钻进方法有更高的钻进速度，能实现更好的经济效益。

粒子冲击钻井技术是受射弹冲击破岩思想的启发而提出的，该技术在泥浆中加入一定比例的钢粒子，通过钻杆、水眼高速冲击岩石达到破碎岩石的目的，是一种新型钻井技术。

粒子破岩从本质上改变了常规钻井单一的机械破岩的破岩机理。这种方式除了具备切削机械破岩的功能以外，还通过从水眼喷射高速的含粒子钻井液进行冲击破岩。冲击破岩的具体过程是：局速的小钢珠撞击到岩石上，使岩石表面产生非常大的瞬时应力；此应力使岩石内部原有的微小初始裂纹扩展；一些裂纹进而发生破碎，还有一些裂纹在切削研磨切削后发生破碎。这种破岩方式大大地减少了单纯机械破岩情况下所需要的能量，提高了岩石的体积破碎率，提高了井下动力钻具的使用寿命并有效地提高了钻井效率。

在国外，ProDrill Services Inc.(PSI)于2003年在落基山油田测试中心研制了粒子射流冲击钻井系统，2004年1月PIDT公司获得此项创新技术的知识产权，并开展了研究。在国内，中国石油大学(华东)和中国石油天然气集团公司等针对粒子冲击钻井提出了专利申请，谋求粒子冲击钻井领域的专利保护。

然而，针对粒子冲击钻井的喷嘴流道设计，国内外均未开展具有理论深度的研究。在专利文献1(CN203362039U)中提出了一种粒子冲击牙轮钻头用喷嘴，包括喷嘴本体，喷嘴本体包括喷嘴前段和喷嘴后段，喷嘴前段为锥形段，喷嘴后段为圆柱段，锥形段的小径端连接圆柱段，锥形段与圆柱段之间的内壁连接处设置倒圆角。

在专利文献2(CN202061732U)中提出了一种粒子冲击钻井实验用喷嘴，其中，喷嘴由两级收缩段和直柱段组成，其中一级收缩段锥角40°，长度10mm；二级收缩段锥角13°，长度7.81mm；直柱段直径3mm，长度9.19mm。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：CN203362039U

专利文献2：CN202061732U

发明内容

发明要解决的问题

在上述现有技术中，涉及的喷嘴仅为锥形段加圆柱段的喷嘴形状(简称为锥直形)。尽管这样的喷嘴形状相对于传统的圆柱形喷嘴和圆锥形喷嘴具有一定的优势，然而锥直形喷嘴并未获得喷嘴的最优效果，在加速效果稳定性方面、A区重合度方面、喷嘴端面磨损减轻方面均存在改进的余地。

用于解决问题的方案

本发明涉及一种粒子冲击钻井喷嘴流道，该粒子冲击钻井喷嘴流道由收缩段和圆柱段构成，所述粒子冲击钻井喷嘴流道的所述收缩段的形状关于所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线对称，针对所述粒子冲击钻井喷嘴流道的经过所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线的截面，以所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线为x轴，以所述粒子冲击钻井喷嘴流道的入口截面与上述截面的交线为y轴，以所述粒子冲击钻井喷嘴流道的入口中心为原点建立坐标系，设构成所述收缩段的上半部分的函数为f(x)，满足0≤|f”(x)|<0.8。

进一步地，所述收缩段的上半部分的形状为中心位于点(0,d/2)的椭圆的一部分，其中，d为所述粒子冲击钻井喷嘴流道的出口直径，并且，-0.8<f”(x)<0，在所述收缩段与所述圆柱段之间的内壁连接处设置倒圆角。

进一步地，所述收缩段由第一曲线部和第二曲线部构成，其中，所述第一曲线部朝向所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线的内侧凹陷，所述第二曲线部朝向远离所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线的方向鼓出，所述第一曲线部的截面形状为流线形状，设所述第一曲线部的上半部的函数为f1(x)，满足0<f1”(x)<0.8，所述第二曲线部的截面形状为椭圆形状的一部分，设所述第二曲线部的上半部的函数为f2(x)，满足-0.8<f2”(x)<0，在所述收缩段与所述圆柱段之间的内壁连接处设置倒圆角。

进一步地，所述收缩段由第一曲线部、第二曲线部以及第三曲线部构成，其中，所述第一曲线部和所述第三曲线部朝向所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线内侧凹陷，所述第二曲线部朝向远离所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线的方向鼓出，所述第一曲线部的截面形状为等加速曲线，所述第二曲线部的截面形状为椭圆形状的一部分，设所述第二曲线部的上半部的函数为f2(x)，满足-0.8<f2”(x)<0，所述第三曲线部的截面形状为流线形状，设所述第三曲线部的上半部的函数为f3(x)，满足0<f3”(x)<0.8。

进一步地，所述收缩段由第一曲线部、第二曲线部、直线部以及第三曲线部构成，其中，所述第一曲线部和所述第三曲线部朝向所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线内侧凹陷，所述第二曲线部朝向远离所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线的方向鼓出，所述直线部随着向所述粒子冲击钻井喷嘴流道的出口侧去而向所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线侧收缩，所述第一曲线部的截面形状为等加速曲线，所述第二曲线部的截面形状为椭圆形状的一部分，设所述第二曲线部的上半部的函数为f2(x)，满足-0.8<f2”(x)<0，所述第三曲线部的截面形状为流线形状，设所述第三曲线部的上半部的函数为f3(x)，满足0<f3”(x)<0.8，所述直线部与所述第二曲线部相切并且与所述第三曲线部相切，设所述直线部的函数为f-s(x)，其中，-0.4<f-s’(x)<0。

进一步地，所述圆柱段长度与所述粒子冲击钻井喷嘴流道的出口直径之比为3～10，所述收缩段与所述圆柱段之间的长度比值满足0.3～0.6，所述粒子冲击钻井喷嘴流道的入口直径与所述出口直径之间的比值满足2.5～5。

进一步地，所述第一曲线部的长度与所述第二曲线部的长度之间的比值满足0.8～1.25。

进一步地，所述第一曲线部的长度与所述第二曲线部的长度之间的比值满足0.8～1.25，所述第二曲线部的长度与所述第三曲线部的长度之间的比值满足0.4～1。

进一步地，所述第一曲线部的长度与所述第二曲线部的长度之间的比值满足0.8～1.25，所述第二曲线部的长度与所述第三曲线部的长度之间的比值满足0.4～2.5，所述直线部的长度与所述收缩段的长度的比值满足小于0.2。

进一步地，所述粒子冲击钻井喷嘴流道采用35CrMo材料制成。

发明的效果

利用本发明的粒子冲击钻井喷嘴流道，能够获得一种加速效果稳定、A区重合度好、避免喷嘴端面磨损的粒子冲击钻井喷嘴流道。

附图说明

图1为粒子冲击钻井破岩装置的示意图。

图2是以往技术中的圆柱形粒子冲击钻井喷嘴流道的剖视图。

图3是圆柱形粒子冲击钻井喷嘴流道的钻井液速度分布云图。

图4是圆柱形粒子冲击钻井喷嘴流道的粒子速度分布云图。

图5是钻井液分区图。

图6是圆锥形粒子冲击钻井喷嘴流道的剖视图。

图7是锥直形粒子冲击钻井喷嘴流道的剖视图。

图8是流线形粒子冲击钻井喷嘴流道的剖视图。

图9是实施方式1的粒子冲击钻井喷嘴流道的剖视图。

图10是实施方式2的粒子冲击钻井喷嘴流道的剖视图。

图11是实施方式3的粒子冲击钻井喷嘴流道的剖视图。

图12是实施方式4的粒子冲击钻井喷嘴流道的剖视图。

图13是表示四种喷嘴质量变化曲线的图。

图14是表示三种喷嘴对水泥试件的冲蚀深度与时间的关系曲线的图。

具体实施方式

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语的目的在于描述装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

1.粒子冲击钻井破岩装置的结构和原理

图1为粒子冲击钻井破岩装置的示意图。在图1中，柱塞泵2从水箱1中抽取钻井液进入高压管线，高压管线将钻井液输送到钻杆9，粒子注入设备7将粒子注入钻杆9，粒子和钻井液在钻杆9内充分混合之后进入粒子冲击钻井喷嘴流道10中，并在粒子冲击钻井喷嘴流道10中进行加速，完成破岩过程。

其中，压力表3用于对压力进行监控，确保柱塞泵2的压力处于合理的范围内。安全阀4和控制阀5对钻井液进入钻杆9的过程进行控制。单向阀6防止钻井液从钻杆9回流到水箱1中，附图标记8为截止阀。

从图1中可知，在粒子冲击钻井中，粒子是通过粒子注入设备按一定的比例注入到钻杆中，而地面的动力设备要将钻井液注入钻杆中。在钻杆中，粒子随着钻井液下行进入钻头并最终由钻头的水眼喷出，冲击破碎岩石。由于粒子与钻井液一同由水眼喷出，所以钻井液的流速将直接影响粒子入射速度的大小。

粒子钻井的基本原理是高速的硬质钢粒接触岩时间极短，撞击点附近的岩石受到极大的冲击波压力。应力波以撞击点为中心向外传播，撞击点附近的岩石在强大的压力下呈现塑性流动的状态。应力波的传播使岩石受到拉伸的应力作用而产生裂纹。粒子与岩石的接触面积很小，其产生的冲击压力瞬间就超过了岩石抗压、抗拉、抗剪强度。同时在冲击接触区周围产生环向拉应力和剪应力，在岩石中将形成裂隙、压缩锥、微裂纹，同时产生破碎的岩屑，破岩效率是常规破岩两倍之多。

2.粒子冲击钻井喷嘴流道的基本类型

作为粒子射流冲击钻井中不可或缺的执行部件，钻头是将高压流体能量转化成粒子动能的重要机构，不同喷嘴的喷嘴流道对粒子和钻井液加速效果不同，其能量的转化率不同，粒子和钻井液的喷射能量和喷射有效距离不同，因此流道的设计决定了粒子射流冲击破岩的效果。

加速状态时，粒子加速度一直低于钻井液的速度，理论上粒子会一直持续加速直至喷出。但是两相流在喷嘴内是紊流状态，如果加速轨道过长，不仅造成大量粒子群对喷嘴内表面的强烈冲蚀，且能量损失也高。

通常来说，喷嘴有四种基本类型。

2.1.圆柱形喷嘴

圆柱型喷嘴是目前最常用的连续水射流喷嘴，其喷嘴流道为圆柱通孔。如图2所示。

对于圆柱型喷嘴，喷嘴流道对固液两相流并无加速效果，认为钻井液和粒子趋于平稳的状态运动。

在圆柱型喷嘴流道两相流速度场模拟中，建立圆柱形喷嘴流道三维模型，其中喷嘴长度为40mm，出口、入口直径均为4mm，为了更好的模拟井底喷嘴流道的加速状态，井底流场区间较大。经过FLUENT软件的模拟，得到了圆柱型喷嘴流道的流动状态，当粒子和钻井液入口速度均为30m/s时，圆柱型喷嘴流道内的对钻井液速度图和喷射粒子速度图。

图3是圆柱形粒子冲击钻井喷嘴流道的钻井液速度分布云图。图4是圆柱形粒子冲击钻井喷嘴流道的粒子速度分布云图。通过分析，可以看到粒子和钻井液的射流存在不同的区间。图5是钻井液分区图。以钻井液速度分布云图为例，可以将钻井液和粒子的运动大致分为三个区域。其中靠近出口的区域为淹没射流区，其近似于自由射流。该区域又可以分为A和B两个区域。其中，A区为钻井液最大流速区间，在这一区间钻井液的流速为近似等速区间，在这一区间最适合破岩；而在B区域内钻井液速度锐减，但是仍可以视为自由射流区间。2区域可以看作冲击区，此区域内正向和反向的射流相互作用，冲击强烈，十分容易形成强烈的漩涡，造成能量损失。3区域为钻井液主要沿着井底的向外出流的横向速度，可称之为井底漫流区，所以流体的速度方向与前面的速度垂直，同时，在3区域靠近壁面时，粒子和钻井液也很容易出现强烈的漩涡。同理，粒子也具有三个射流区间，其中，1区域内为自由射流区，但是在A区的粒子会在钻井液的水利动力下加速或保持近似稳定最大速度；B区域内粒子速度下降。粒子的2区域范围要明显小于钻井液的2区域范围，井底漫流区的3区域也很小，对于圆柱型喷嘴几乎没有粒子在3区内贴着井底岩石，基本可以忽略近壁区的漩涡。

通过前面的分析，最适合破岩的区域为A区及粒子射流区。在该区域内，粒子和钻井液速度近似为最大速度，十分有利于破岩。

钻井液和粒子在1区，即淹没射流区内近似于自由射流，由于钻井液和粒子喷出喷嘴后将发生扩散现象，不利于集中破岩。考虑到出口粒子和钻井液的收敛性，其收敛性越好，破岩效果越好；越发散，破岩效果越差。因此，出口粒子和钻井液的收敛性也可作为喷嘴破岩效果的判定标准。

从图3和图4中可以看到，在管道中靠进壁面的速度近似为零，中间的钻井液和粒子速度大。究其原因是因为，入口处为设定入口速度值，而模型计算过程中考虑壁面摩擦，近壁面速度近似为零，越靠近中心轴线，速度越大。因此，出现了中心处速度最大，两相流在自由射流区的速度呈梯度状态分布的情况。由于入口和出口处均为端面，没有过渡平滑区，入口冲蚀角为高度角，粒子对喷嘴入口端面冲击大，粒子和钻井液直接冲进或者冲出，容易造成喷嘴入口端面和喷嘴出口处的较大磨损，同时粒子对于内部壁面具有低角冲蚀。两相流在喷嘴流道内产生较大的局部阻力，造成喷嘴的压力降较大，喷嘴出口压力和入口压力相差大，造成能量损失较大，即圆柱型喷嘴流道对钻井液和粒子加速具有局限性。

综上分析，圆柱形喷嘴的结构简单，易于加工制造，但不能满足粒子射流冲击钻井的要求标准。

2.2.锥形喷嘴

锥形喷嘴流道结构如图6所示。当粒子和钻井液进入喷嘴后，两相流处于加速状态，忽略能量损失，任意截面速度均匀分布。

根据锥型喷嘴流道两相流速度场模拟，由于钻井液和粒子进入喷嘴时速度较低，经过很长管路的充分混合，固液两相流的速度基本相当。假定入口处钻井液和粒子速度一致，在喷嘴流道的加速过程中，粒子的加速度始终低于钻井液的加速度，二者的速度差持续增大，这是因为粒子的密度远大于钻井液的密度，导致出口处粒子和钻井液速度差距很大。

相较于圆柱型喷嘴，锥型喷嘴的钻井液和粒子速度有显著提升，此时，粒子与钻井液的速度比率ε＝0.682，能量转化率不高，但是粒子的近似等速区间有所提高，粒子喷射出喷嘴收敛性较好，但是流体发散较为明显；此外，在喷嘴出口处两相流速度最大，压力最高，容易造成出口端面处的磨损严重，因此，依然不能满足粒子射流冲击破岩的喷射要求。

相对于圆柱型喷嘴，锥型喷嘴的流道粒子和钻井液淹没射流区的A区的交汇区间变短，但是射流形态相对较为稳定，比圆柱型喷嘴更适应于岩石喷射距离较大的井眼。出口处粒子射流呈现出典型的射流3区，即井底漫流区，这表示锥型喷嘴井底的粒子横向速度较大，但由于钻井液和粒子的速度值差距较大，导致粒子容易汇集在喷嘴出口处，引起喷嘴出口处的过度磨损。

2.3.锥直形喷嘴

如图7所示，为锥直型喷嘴流道结构图。对于锥直型喷嘴，粒子的加速在喷嘴流道的收缩段和圆柱段内完成。锥直型可以看作先在锥形喷嘴流道内加速后，粒子的速度不及钻井液的速度，所以在其进入圆柱型喷嘴流道后由钻井液继续为其加速。

对于锥直型喷嘴，喷嘴流道可分为锥型段和直型段，可以分别对其长度进行计算然后相加。

根据锥直型喷嘴流道两相流速度场模拟，锥直型喷嘴具有导流作用的锥状进口，入口处的冲蚀角为低角，因此入口磨损有所改善，粒子进入喷嘴相对容易，加速运动中，钻井液及粒子不会对喷嘴入口端面行成高角冲蚀，但是在锥形和直线型结合段，容易因为突然缩小的截面积，钻井液和粒子的速度突然加大，引起锥直结合处的较大磨损，造成一部分能量损失。但锥直型喷嘴内的高速钻井液形成了压力等值体，从结构上避免了圆柱型喷嘴压力损失大的因素。通过计算，此时粒子与钻井液的速度比率ε＝0.882，从仿真结果上看，整体的能量转化率有所提高。

2.4.流线形喷嘴

流线型喷嘴流道结构如图8所示。其入口处钻井液和粒子进入喷嘴相对容易，入口处的冲蚀角很低，喷嘴内部流道较为平滑，扩散角小。流线型圆弧段入口处直径为15mm。

根据流线型喷嘴流道两相流速度场模拟，当收缩段长为20mm，当两相流入口速度达到30m/s时，钻井液出口速度为470.8m/s，粒子出口速度为382.9m/s，此时粒子与钻井液速度比率ε＝0.813。

此外，由于流线型喷嘴内部扩散角小，过渡性较好，粒子和钻井液加速效果均较为稳定，流量系数大，因此形成射流收敛效果较好。

上述四种喷嘴中，流线型和锥直型对两相流的加速效果优于圆柱型和锥型喷嘴，淹没射流区的两相流近似等速A区重合度较好，且井底漫流区中粒子沿着井底向外的横向速度较大，因此破岩效果和井底清理效果较好。

2.5.结论

通过分析各种喷嘴流道可以发现：

(1)收缩段喷嘴流道内两相流的运动

钻井液和粒子进入喷嘴流道的收缩段时，钻井液和粒子开始加速，且钻井液加速度持续大于粒子加速度，两相的速度差越来越大。此时，粒子的加速不仅仅有喷嘴流道的加速，还有钻井液的携带加速作用，同时井壁对两相流有阻尼作用，越靠近中心轴线，两相流速度越大，越靠近近壁区，两相流速度越小。

(2)圆柱段喷嘴流道内两相流的运动

当钻井液首先通过收缩段进入圆柱段时，将会在原有的加速度基础上保持惯性加速直至加速度为零，之后以稳定匀速运动，直至喷出。粒子经过圆柱段时，将会在钻井液的携带下继续保持加速运动，如果喷嘴流道够长，那么粒子加速到一定距离时，便会逐渐趋于平稳。则在此圆柱段长度范围内，粒子加速状态一直持续，直至喷出。

(3)喷出后两相流的运动

钻井液喷出后，会保持喷出速度运动一段距离，之后速度锐减，且有一定的发散，最后以尖帽状分布。因此，钻井液存在一个等速区，该区间内钻井液喷射效果均为较好。与钻井液相似，粒子在喷出后，会保持喷出速度运动一段距离，之后速度会发生削减。

对比锥直型、流线型喷嘴，可以看到，流线型喷嘴流道中钻井液和粒子的发散最小，速度相对集中，且等速区较长；锥直型次之，锥型喷嘴流道两相流喷出后等速区较短，圆柱型喷嘴几乎没有加速，只有速度的梯形分布。

利用FLUENT软件，模拟了两相流入口速度对出口速度的影响，两相流入口速度越大，出口速度越大。锥型喷嘴效果优于圆柱型，但是由于喷嘴流道的断面直径持续减小，钻井液速度与粒子速度差越来越大，导致出口压力值突然增大，因此喷嘴流道出口端面磨损将会加重。对于锥直型喷嘴，其喷嘴流道内粒子通过收缩段加速后，通过圆柱段缩小了钻井液与粒子速度差，提高了能量转化率。对于流线型喷嘴，喷嘴流道的收缩段较为平滑，粒子和钻井液加速效果较好，能量转化率很高，且喷出后收敛性较好。

3.本发明的粒子冲击钻井喷嘴流道

在上述现有的粒子冲击钻井喷嘴流道的形状中，如锥直形喷嘴那样，随着朝向出口侧去而喷嘴的内径均匀地缩小，或者如流线形喷嘴那样，喷嘴朝向喷嘴中心轴线内侧凹陷。之所以进行上述设计的原因在于，本领域技术人员认为，如果使喷嘴流道的形状形成为朝向远离喷嘴中心轴线的方向鼓出，有可能导致粒子在行进至喷嘴形状相对较快地收缩的位置时对该位置处的喷嘴壁面造成较大的磨损。

本发明人经过锐意研究反复探索，结果发现，对于喷嘴收缩段形状而言，在设收缩段的曲线部的函数为f(x)时，在|f”(x)|大于0.8的位置处，粒子将在行进至喷嘴形状相对较快地收缩的位置时对该位置处的喷嘴壁面造成较大的磨损。通过将|f”(x)|限定在小于0.8的范围内，即使喷嘴流道的形状形成为朝向远离喷嘴中心轴线的方向鼓出，粒子在行进至喷嘴形状相对较快地收缩的位置时对该位置处的喷嘴壁面造成的磨损也不会过大。此外，在使喷嘴流道的形状形成为朝向远离喷嘴中心轴线的方向鼓出时，能够使加速效果更加稳定。本发明正是基于兼顾了减少磨损和提高加速效果的理解而提出的。

以下列举本发明的四种实施方式，应当理解，本发明将以下的实施方式作为参考，并不只限定于该实施方式。因此，以下的实施方式中的构成要素中的表示本发明的最上位概念的独立权利要求未记载的构成要素，对于达成本发明的目的不一定是必要的，但作为构成更理想的形态的要素来进行了说明。另外需要说明的是，附图是为了展示本发明而适当地进行了强调、省略、比率的调整的示意性的图，有时与实际的形状、位置关系以及比率不同。

3.1.实施方式1的粒子冲击钻井喷嘴流道

实施方式1的粒子冲击钻井喷嘴流道是在上述基本形状的粒子冲击钻井喷嘴流道的基础上进行的改进。具体而言，如图8所示，以往的流线形喷嘴朝向喷嘴中心轴线内侧凹陷，如图9所示，实施方式1的粒子冲击钻井喷嘴流道的形状为朝向远离喷嘴中心轴线的方向鼓出。

为研究喷嘴的收缩段形状，对于喷嘴的经过喷嘴中心轴线的截面而言，以喷嘴的中心轴线为x轴，以喷嘴入口截面与上述截面的交线为y轴，以喷嘴入口中心为原点建立坐标系。设椭圆型喷嘴流道的方程为：

则，对于上半段收缩段，

其中，

x——流道内任意一点在水平方向的投影，单位：mm；

y——流道内任意一点在竖直方向的投影，单位：mm；

d——流道出口直径，单位：mm；

R——流道入口半径，单位：mm。

由于喷嘴管壁附近具有一定的粘滞阻尼，导致喷嘴中心部位的速度加速效果优于边缘加速效果，随着钻井液和粒子入口处速度的增大，出口处粒子与钻井液速度之比逐渐减小，即钻井液与粒子速度拉开的距离越来越大。这表明，钻井液对粒子加速过程中，粒子对钻井液有一定的粘滞阻力。同时，椭圆型喷嘴流道粒子和钻井液淹没射流区A区重合距离与流线型喷嘴流道相当，井底漫流区粒子沿着井底向外的横向速度较大，方便清理井底。

在本实施方式中，设构成收缩段的曲线部的函数为f(x)，为了避免粒子进入喷嘴的过程中由于急剧缩小的内径而对喷嘴造成限度以外的磨损，则限定有：

-0.8<f”(x)<0。

其中，当f”(x)<0时，曲线部随着向出口侧去而向喷嘴的中心轴线侧收缩。当f”(x)>-0.8时，曲线部随着向出口侧去而向喷嘴的中心轴线侧收缩的程度较为平缓，在能够起到加速作用的前提下不会导致喷嘴的过度磨损。

在上述限定下，曲线部呈椭圆形状，相比于朝向喷嘴中心轴线内侧凹陷的流线形喷嘴而言，能量利用率更高一点。

此外，在收缩段与圆柱段之间的内壁连接处设置倒圆角。

实施方式1的设计相比于以往的设计进一步将喷嘴主体的冲蚀磨损机理、特定性与加速度作用结合考虑，更加提高了能量利用率。

根据利用FLUENT软件对不同尺寸的椭圆形喷嘴形状进行的模拟，确认当圆柱段长度与喷嘴出口的直径之比为3～10，收缩段与圆柱段之间的长度比值满足0.3～0.6，入口直径与出口直径之间的比值满足2.5～5时，喷嘴实现了最优的性能。此时，既能够减轻端面的磨损程度，也能够提高能量转化率。

例如本实施方式中，收缩段为20mm，圆柱段为40mm，入口直径为15mm，出口直径为4mm。

3.2.实施方式2的粒子冲击钻井喷嘴流道

实施方式2的粒子冲击钻井喷嘴流道具有第一曲线部和第二曲线部，其中第一曲线部朝向中心轴线内侧凹陷，第二曲线部朝向远离喷嘴的中心轴线的方向鼓出。

本实施方式进一步避免了粒子进入喷嘴入口时由于急剧缩小的内径而对喷嘴造成磨损。

对于喷嘴的经过喷嘴中心轴线的截面而言，以喷嘴的中心轴线为x轴，以喷嘴入口截面与上述截面的交线为y轴，以喷嘴入口中心为原点建立坐标系，设构成收缩段的第一曲线部的函数f1(x)满足如下关系：

其中，

x——流道上任意一点在水平方向的投影，单位：mm；

R——入口半径，单位：mm；

d——出口直径，单位：mm；

H——流道整体长度，单位：mm；

β——液流方向与竖直正向的夹角，单位：°；

L₀——收缩段长度，单位：mm；

y——流道上任意一点在竖直方向的投影，单位：mm；

a，b——待定系数，由初始条件确定。

在设计喷嘴的结构尺寸时，对喷嘴的各个尺寸参数进行确定之后，使β在0°～90°的范围内取值，连续计算x和y值，在相关软件上连成光滑的曲线，可得到流道母线。

另外，对于第一曲线部的函数为f1(x)而言，需要满足0<f1”(x)<0.8。

当f1”(x)>0时，曲线部呈朝向中心轴线内侧凹陷的形状，相比于实施方式1而言，粒子对喷嘴入口的磨损更小。另外，当f1”(x)<0.8时，曲线部随着向出口侧去而向喷嘴的中心轴线侧收缩的程度较为平缓，在能够起到加速作用的前提下不会导致喷嘴的过度磨损。

第二曲线部的限定与实施方式1的曲线部的限定大致相同。设第二曲线部的函数为f2(x)，其中，f2(x)所表示的截面形状为椭圆形状的一部分，-0.8<f2”(x)<0。

此外，在收缩段与圆柱段之间的内壁连接处设置倒圆角。

根据利用FLUENT软件对不同数值的喷嘴形状进行的模拟，确认当圆柱段长度与喷嘴出口的直径之比为3～10，收缩段与圆柱段之间的长度比值满足0.3～0.6，入口直径与出口直径之间的比值满足2.5～5，第一曲线部的长度与第二曲线部的长度之间的比值满足0.8～1.25时，喷嘴实现了最优的性能。此时，既能够减轻端面的磨损程度，也能够提高能量转化率。

例如本实施方式中，第一曲线部的长度和第二曲线部的长度分别为10mm，圆柱段为40mm，入口直径为15mm，出口直径为4mm。

3.3.实施方式3的粒子冲击钻井喷嘴流道

如图11所示，实施方式3的粒子冲击钻井喷嘴流道具有第一曲线部、第二曲线部以及第三曲线部，其中，第一曲线部和第三曲线部朝向中心轴线内侧凹陷，第二曲线部朝向远离喷嘴的中心轴线的方向鼓出。

第一曲线部进一步避免了粒子进入喷嘴入口时由于急剧缩小的内径而对喷嘴造成磨损，第二曲线部更加提高了能量利用率，第三曲线部进一步避免了粒子在收缩段与圆柱段之间对喷嘴造成的磨损。

为研究喷嘴的收缩段形状，对于喷嘴的经过喷嘴中心轴线的截面而言，以喷嘴的中心轴线为x轴，以喷嘴入口截面与上述截面的交线为y轴，以喷嘴入口中心为原点建立坐标系。其中，本实施方式中的第二曲线部相当于实施方式2的第二曲线部，本实施方式中的第三曲线部相当于实施方式2的第一曲线部。以下重点针对本实施方式中的第一曲线部进行说明。

设第一曲线部的函数为f1(x)，其中，在截面B-B处，直径为d1，流速为v1，x轴坐标为L1，在截面A-A处，直径为2R，流速为v2，x轴坐标为0。在第一曲线部之间的任意截面处，设直径为d’，流速为v，x轴坐标为x。

建立如下方程组：

求得如下关系：

在第一曲线部，液流在喷嘴中流过时，沿着喷嘴轴线方向，液流速度变化成为常数。这样的喷嘴的优势在于，在将液流从喷嘴入口引入时，液流在第一曲线部以常数的加速度进行加速从而缩小钻井液与粒子之间的速度差并且曲线部随着向出口侧去而向喷嘴的中心轴线侧收缩。之后，在液流进入第二曲线部和第三曲线部时，避免了粒子进入喷嘴入口时由于急剧缩小的内径而对喷嘴造成磨损，并且进一步提高了能量利用率。

根据利用FLUENT软件对不同数值的喷嘴形状进行的模拟，确认当圆柱段长度与喷嘴出口的直径之比为3～10，收缩段与圆柱段之间的长度比值满足0.3～0.6，入口直径与出口直径之间的比值满足2.5～5，第一曲线部的长度与第二曲线部的长度之间的比值满足0.8～1.25，第二曲线部的长度与第三曲线部的长度之间的比值满足0.4～2.5时，喷嘴实现了最优的性能。既能够减轻端面的磨损程度，也能够提高能量转化率。

例如本实施方式中，第一曲线部的长度和第二曲线部的长度分别为8mm，第三曲线部的长度为4mm，圆柱段为40mm，入口直径为15mm，出口直径为4mm。

3.4.实施方式4的粒子冲击钻井喷嘴流道

图12示出了实施方式4的粒子冲击钻井喷嘴流道。实施方式4的粒子冲击钻井喷嘴流道具有第一曲线部、第二曲线部、直线部以及第三曲线部。其中，第一曲线部和第三曲线部朝向中心轴线内侧凹陷，第二曲线部朝向远离喷嘴的中心轴线的方向鼓出。直线部随着向出口侧去而向喷嘴的中心轴线侧收缩。

在本实施方式中，第一曲线部进一步避免了粒子进入喷嘴入口时由于急剧缩小的内径而对喷嘴造成磨损，第二曲线部更加提高了能量利用率，第三曲线部进一步避免了粒子在收缩段与圆柱段之间对喷嘴造成的磨损。直线部的作用在于在第二曲线部之后构成光滑的过渡，使粒子对喷嘴的磨损降低。

为研究喷嘴的收缩段形状，对于喷嘴的经过喷嘴中心轴线的截面而言，以喷嘴的中心轴线为x轴，以喷嘴入口截面与上述截面的交线为y轴，以喷嘴入口中心为原点建立坐标系。其中，本实施方式中的第二曲线部相当于实施方式3的第一曲线部，本实施方式中的第二曲线部相当于实施方式3的第二曲线部，本实施方式中的第三曲线部相当于实施方式3的第三曲线部。

设直线部的函数为f-s(x)，其中，直线部定义为与第二曲线部相切并且与第三曲线部相切。在满足上述前提下，-0.4<f-s’(x)<0。

根据利用FLUENT软件对不同数值的喷嘴形状进行的模拟，确认当圆柱段长度与喷嘴出口的直径之比为3～10，收缩段与圆柱段之间的长度比值满足0.3～0.6，入口直径与出口直径之间的比值满足2.5～5，第一曲线部的长度与第二曲线部的长度之间的比值满足0.8～1.25，第二曲线部的长度与第三曲线部的长度之间的比值满足0.4～2.5，直线部的长度与收缩段的长度的比值满足小于0.2时，喷嘴实现了最优的性能。既能够减轻端面的磨损程度，也能够提高能量转化率。

例如本实施方式中，第一曲线部的长度的长度为6mm，第二曲线部的长度分别为8mm，第三曲线部的长度为4mm，直线部的长度为2mm，圆柱段为40mm，入口直径为15mm，出口直径为4mm。

4.实验例

通过实验具体测定本发明的实施方式的粒子冲击钻井喷嘴流道的性能。

喷嘴磨损实验原理为：高压泵将水从水池中吸出，对其进行加压形成高压水射流，经过高压管线，高压管线中的水在磨料罐的顶部渗流进入磨料粒子的空隙中，而磨料粒子在水射流和浓度差异的驱动下，通过扩散的方式渗入到高压管线中去，并随着高速运动的射流加速到一定的速度，最后经高压喷嘴冲出，形成磨料射流，随着磨料射流的逐渐发展，粒子逐渐喷出磨料罐，储存在磨料罐内的粒子逐渐减少，储存于磨料罐上部的水的体积逐渐变大，在试验进行过程中，只要高压泵一直运行，就会使磨料罐的上部储存一定体积的高压水，并且随着磨料逐渐流出磨料罐的过程，高压水的体积会越来越大，当关闭高压泵之后，磨料罐内存在的高压水会将存在于磨料罐内下部的磨料粒子引入到高压管线中，当下次再启动高压泵时，从高压管线中来的高压水会将上次试验结束时沉淀在高压管线中的磨料粒子推动，并高速前进，这样完成一个试验循环，又一次形成了由水和磨料粒子形成的磨料射流。

在上述粒子冲击钻井喷嘴流道中，喷嘴材料选用35CrMo，在加工过程中经蘸火处理强化硬度。

磨料粒子选用翰金公司的硬质钢球，规格：1mm，密度7.6g/cm³，成分及含量：Mn：0.7％～1.3％，C：0.9％～1.3％，Si：0.5％，P：0.06％，S：0.04％，硬度：41-52HRC洛氏硬度(389-531HV维氏硬度)。

喷嘴磨损实验进行12小时，每隔两个小时对喷嘴进行一次测量，随着冲蚀时间的增长，通过对喷嘴称重确定喷嘴的磨损情况，冲蚀后喷嘴在分析乙醇中清洗，以清除其上附着的磨粒，再用吹风机吹干，在电子天平上测出经过冲蚀后喷嘴的重量损失，由于在测量的过程中会产生误差，为防止误差对实验结果的影响，在实际称重中测量三次，取其平均值，保证实验数据的可靠性。

实验选取了圆柱形喷嘴、锥形喷嘴、实施方式1的喷嘴和实施方式2的喷嘴。图13示出了四种喷嘴质量变化曲线。从图13可以看出，在开始试验的两小时内，四种喷嘴的磨损量相当，主要原因是几种喷嘴内壁的材料相同，而且喷嘴内壁的粗糙度也基本相同，试验2小时至7小时的时间内，锥形喷嘴的磨损量最大，圆柱形喷嘴次之，实施方式1和实施方式2的喷嘴的磨损量相当，小于锥形和圆柱形喷嘴。当试验进行至12小时时，锥形喷嘴和圆柱形喷嘴的磨损量远大于本实施方式的两种喷嘴。

综上，证明本实施方式的喷嘴能够起到避免喷嘴端面磨损的作用效果。

为了对本实施方式的喷嘴与现有技术的喷嘴的加速效果进行比较，对喷嘴的冲蚀能力进行了对比试验。喷嘴对物料的冲蚀能力能直接证明喷嘴性能的好坏，同时，在喷嘴的入口直径、出口直径以及喷嘴长度一定的前提下，喷嘴对物料的冲蚀能力反映了喷嘴的加速效果的好坏。

在冲蚀能力对比试验中，采用了锥直形喷嘴和实施方式1和2的喷嘴分别对抗压前度为10Mpa的水泥时间进行冲蚀，冲蚀时间为80s，根据实验测得的数据，得到了三种喷嘴对水泥试件的冲蚀深度与时间的关系曲线。上述关系曲线在图14中示出，横轴为时间，单位为s，纵轴为冲蚀深度，单位为mm。通过对比三种喷嘴的冲蚀深度与冲蚀时间的关系，证明了本实施方式的喷嘴的加速效果优于现有技术的喷嘴。

上述示例只是用于说明本发明，本发明的实施方式不限于上述示例，本领域技术人员所作出的符合本发明的思想的各种具体实施方式都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种粒子冲击钻井喷嘴流道，其特征在于，

该粒子冲击钻井喷嘴流道由收缩段和圆柱段构成，所述粒子冲击钻井喷嘴流道的所述收缩段的形状关于所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线对称，

针对所述粒子冲击钻井喷嘴流道的经过所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线的截面，以所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线为x轴，以所述粒子冲击钻井喷嘴流道的入口截面与上述截面的交线为y轴，以所述粒子冲击钻井喷嘴流道的入口中心为原点建立坐标系，

设构成所述收缩段的上半部分的函数为f(x)，

满足0≤|f”(x)|<0.8。

2.根据权利要求1所述的粒子冲击钻井喷嘴流道，其特征在于，

所述收缩段的上半部分的形状为中心位于点(0,d/2)的椭圆的一部分，其中，d为所述粒子冲击钻井喷嘴流道的出口直径，

并且，-0.8<f”(x)<0，

在所述收缩段与所述圆柱段之间的内壁连接处设置倒圆角。

3.根据权利要求1所述的粒子冲击钻井喷嘴流道，其特征在于，

所述收缩段由第一曲线部和第二曲线部构成，其中，所述第一曲线部朝向所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线的内侧凹陷，所述第二曲线部朝向远离所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线的方向鼓出，

所述第一曲线部的截面形状为流线形状，设所述第一曲线部的上半部的函数为f1(x)，满足0<f1”(x)<0.8，

所述第二曲线部的截面形状为椭圆形状的一部分，设所述第二曲线部的上半部的函数为f2(x)，满足-0.8<f2”(x)<0，

在所述收缩段与所述圆柱段之间的内壁连接处设置倒圆角。

4.根据权利要求1所述的粒子冲击钻井喷嘴流道，其特征在于，

所述收缩段由第一曲线部、第二曲线部以及第三曲线部构成，其中，所述第一曲线部和所述第三曲线部朝向所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线内侧凹陷，所述第二曲线部朝向远离所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线的方向鼓出，

所述第一曲线部的截面形状为等加速曲线，

所述第二曲线部的截面形状为椭圆形状的一部分，设所述第二曲线部的上半部的函数为f2(x)，满足-0.8<f2”(x)<0，

所述第三曲线部的截面形状为流线形状，设所述第三曲线部的上半部的函数为f3(x)，满足0<f3”(x)<0.8。

5.根据权利要求1所述的粒子冲击钻井喷嘴流道，其特征在于，

所述收缩段由第一曲线部、第二曲线部、直线部以及第三曲线部构成，其中，所述第一曲线部和所述第三曲线部朝向所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线内侧凹陷，所述第二曲线部朝向远离所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线的方向鼓出，所述直线部随着向所述粒子冲击钻井喷嘴流道的出口侧去而向所述粒子冲击钻井喷嘴流道的中心轴线侧收缩，

所述第一曲线部的截面形状为等加速曲线，

所述第二曲线部的截面形状为椭圆形状的一部分，设所述第二曲线部的上半部的函数为f2(x)，满足-0.8<f2”(x)<0，

所述第三曲线部的截面形状为流线形状，设所述第三曲线部的上半部的函数为f3(x)，满足0<f3”(x)<0.8，

所述直线部与所述第二曲线部相切并且与所述第三曲线部相切，设所述直线部的函数为f-s(x)，其中，-0.4<f-s’(x)<0。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的粒子冲击钻井喷嘴流道，其特征在于，

所述圆柱段长度与所述粒子冲击钻井喷嘴流道的出口直径之比为3～10，所述收缩段与所述圆柱段之间的长度比值满足0.3～0.6，所述粒子冲击钻井喷嘴流道的入口直径与所述出口直径之间的比值满足2.5～5。

7.根据权利要求3所述的粒子冲击钻井喷嘴流道，其特征在于，

所述第一曲线部的长度与所述第二曲线部的长度之间的比值满足0.8～1.25。

8.根据权利要求4所述的粒子冲击钻井喷嘴流道，其特征在于，

所述第一曲线部的长度与所述第二曲线部的长度之间的比值满足0.8～1.25，所述第二曲线部的长度与所述第三曲线部的长度之间的比值满足0.4～1。

9.根据权利要求5所述的粒子冲击钻井喷嘴流道，其特征在于，

所述第一曲线部的长度与所述第二曲线部的长度之间的比值满足0.8～1.25，所述第二曲线部的长度与所述第三曲线部的长度之间的比值满足0.4～2.5，所述直线部的长度与所述收缩段的长度的比值满足小于0.2。

10.根据权利要求1～5中任一项所述的粒子冲击钻井喷嘴流道，其特征在于，

所述粒子冲击钻井喷嘴流道采用35CrMo材料制成。