超臨界CO2直旋混合射流破巖特性的實驗研究*

田守嶒，張啟龍，李根生，賀振國，劉 晗，劉欣然

(1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 100083;2.中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300425)

超臨界CO2直旋混合射流破巖特性的實驗研究*

田守嶒1，張啟龍2，李根生1，賀振國1，劉 晗1，劉欣然1

(1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 100083;2.中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300425)

超臨界二氧化碳(CO2)射流破巖既能降低巖石門限壓力又能有效保護儲層，直旋混合射流兼具直射流和旋轉射流特點可提高破巖效率，基于此提出了超臨界CO2直旋混合射流的破巖方法。為了揭示超臨界CO2直旋混合射流破巖特性，設計加工出葉輪式直旋混合射流噴嘴，通過巖石定點沖擊破碎實驗對比了該射流與常規水射流的破巖效果，并研究了葉輪長度、葉輪中心孔直徑、混合腔長度、噴射距離、射流壓力等重要參數對超臨界CO2直旋混合射流破巖效果的影響。結果表明：相同實驗條件下，該射流方法的平均破巖能力比常規水射流提高了42.9%；超臨界CO2直旋混合射流破巖易出現較大體積巖屑崩落現象；隨著葉輪長度、混合腔長度、噴射距離的增大破巖效果均先增強后減弱，實驗條件下上述參數存在最優范圍值；葉輪中心孔直徑的增大會導致巖石破碎孔深度增加、直徑減??；隨著射流壓力的升高，超臨界CO2直旋混合射流破巖效果有著較為明顯的提升。研究結果可為超臨界CO2直旋混合射流破巖方法的進一步研究提供實驗依據。

爆炸力學；破巖實驗；直旋混合射流；沖擊射流；超臨界二氧化碳

我國的煤層氣、頁巖氣、低滲透油氣等非常規油氣資源具有巨大的開采潛力[1]，但由于儲層滲透率較低，單井產能較小，采用常規鉆采方法難以取得經濟效益[2]。高壓水射流沖擊破巖輔助鉆井與壓裂技術是提高鉆速與儲層產能的有效途徑，但水射流較高的破巖比能和門限壓力以及水基流體對儲層的傷害制約著該技術在煤層氣等非常規油氣藏上的使用前景[3-9]。目前，有2種解決上述問題的思路與方法：(1)改變流體介質，利用破巖門限壓力較低且對儲層無傷害的流體進行噴射作業[10]；(2)改變鉆頭或壓裂工具上噴嘴的結構，通過改變井下流體對巖石的應力場來提高射流的破巖效率[11]。

近年，國內外學者提出了超臨界CO2作為鉆井與壓裂流體提高射流破巖能力的方法，并通過理論分析、數值模擬、室內實驗等手段開展了探索研究。研究表明超臨界CO2流體的密度接近于液體，但具有接近于氣體的低黏度和高擴散系數，利用其作為鉆井液或壓裂液能夠有效保護儲層，降低破巖的門限壓力，提高射流的破巖能力[12-14]。部分學者也提出可采用改變射流結構形成直旋混合射流的方法提高射流破巖能力。直旋混合射流是指軸向直射流和徑向旋轉射流在混合段混合而形成的高效混合射流，相關學者以水為流體介質研究了直旋混合射流的破巖規律與流場特性。結果表明該射流結合直射流與旋轉射流的特點，通過空蝕、直射流沖擊、剪切破壞以及壓力波動等破壞方式對巖石進行沖濁破碎，能夠在巖石上鉆出較大直徑和深度的孔眼，提高射流的破巖效率[15-18]?；谏鲜?種思路，提出超臨界CO2直旋混合射流破巖的方法，期望其能在超臨界CO2鉆井和壓裂作業中發揮各自在高效破巖、儲層保護等方面的獨特優勢。

本文中針對葉輪長度、葉輪中心孔直徑、混合腔長度、噴射距離、噴射壓力等5個重要參數對破巖效果的影響，開展了超臨界CO2直旋混合射流破巖特性的室內實驗，研究了實驗條件下各參數的最優范圍，為進一步研究超臨界CO2直旋混合射流破巖方法提供實驗依據。

1 實驗裝置和實驗方法

1.1 實驗裝置

利用超臨界CO2噴射破巖實驗系統完成相關實驗，如圖1所示，該實驗裝置根據相似原理進行設計，其可通過調節射流壓力、射流溫度、圍壓、噴距等參數模擬實際井下情況，具備了較高的模擬精度。

圖1 超臨界CO2噴射破巖實驗系統Fig.1 Rock erosion experiment system of supercritical carbon dioxide jet

實驗所用設備主要性能參數如下：

(1)泵：高壓泵的最大工作壓力為100 MPa，最大排量為30 L/min，使用當量直徑為1 mm的噴嘴，射流最高入口壓力可達60 MPa。

(2)井筒模擬裝置：圍壓筒內徑150 mm，通過巖石夾持器對巖石進行固定。通過調節節流安全閥的開度調節井筒圍壓，范圍為5～30 MPa；通過熱循環系統改變井筒溫度，范圍為30～90 ℃；通過調節噴嘴螺栓調節噴距，范圍為0～15 mm。

(3)溫度調節系統：包括制冷機和水浴加熱設備，可通過控制柜進行調節，調控范圍分別為0～7 ℃和30～90 ℃。

(4)CO2流體：本實驗所使用的CO2為工業用瓶裝液態CO2，其純度大于99%，符合實驗要求，為保證CO2流體能夠自動流入實驗系統中，通過加熱圈對氣瓶進行加熱處理。

(5)人造巖心：分2組進行制作，將石英砂與水泥按照一定比例混合澆注后經過21 d風干作用而制成，制成的巖心尺寸均為直徑100 mm、高度160 mm，2組巖心的平均單軸抗壓強度約為47和44 MPa。

(6)噴嘴：根據實驗要求，設計并加工不同尺寸的直旋混合射流噴嘴，如圖2～3所示，該噴嘴主要由噴嘴本體和直旋葉輪組成，其中噴嘴本體包含混合腔、收斂腔、擴散腔等結構，實驗時將直旋葉輪放入噴嘴本體后用螺栓固定。具體尺寸為：擴散角α=60°,葉輪槽面積S=6 mm2,葉輪槽出口角γ=60°,噴嘴直徑d=1 mm,葉輪長度L2=3～7 mm；葉輪中心孔直徑d1=0～2 mm；混合腔長度L1=3～6 mm。

圖2 直旋混合噴嘴結構圖Fig.2 Structure of the combined swirling and round jet nozzle

圖3 直旋混合噴嘴實體圖Fig.3 Stereogram of the combined swirling and round jet nozzles

1.2 實驗方法

本實驗采用控制變量的實驗方法研究了不同噴嘴的結構參數和部分射流參數對破巖效果的影響規律，以破碎孔深度δ和破碎孔孔徑D來評價破巖效果。

實驗步驟為：打開CO2氣瓶閥與制冷循環裝置，使液態CO2儲罐壓力與溫度降到CO2飽和線以下，將CO2以液體狀態儲存于CO2儲罐中，打開加熱循環系統使圍壓破巖系統的溫度達到預設值；柱塞泵將液態CO2抽至溫度大于31.1 ℃，壓力大于7.38 MPa的緩沖罐內，將液態CO2變為超臨界狀態；調節柱塞泵頻率和節流閥的開度對射流壓力與圍壓進行整，調至預設值后將噴嘴切換至噴射出口，即對巖石進行定點破碎，此時要求圍壓大于7.38 MPa以保證整個噴射過程CO2保持超臨界狀態；到達預設噴射時間后，圍壓筒中的部分CO2經過除砂器進入CO2儲罐中循環使用，剩余CO2通過圍壓筒泄壓閥泄掉，取出巖心測量孔深與孔徑，實驗結束，相同參數實驗重復多次進行，取其平均值。實驗分5組進行，每組實驗將待測參數選為自變量，其余參數保持不變，具體實驗方案可見表1，其中H為噴射距離，p為射流壓力。除5個待測參數外的其他參數在各組實驗中都選為定值，破巖時間Δt=3 min，射流和模擬井筒溫度T=60 ℃，圍壓pw=8 MPa。

表1 實驗方案Table 1 Experimental scheme

2 實驗結果分析

2.1 超臨界CO2直旋混合射流與水射流破巖效果對比

圖4 3種射流方案破巖效果對比 Fig.4 Comparison of rock-erosion between three jet schemes

高壓水射流是目前常用的射流輔助破巖方法之一，為了驗證超臨界CO2直旋混合射流的破巖效果，進行超臨界CO2直旋混合射流與2種水射流(直射流和直旋混合水射流)破巖效果的對比實驗。實驗條件為：噴射壓力為25～35 MPa，圍壓為8 MPa，射孔直徑均為1 mm，噴射距離為4 mm，噴射時間為3 min。實驗結果如圖4所示。在射流壓力為25 MPa時，3種射流的破巖體積都較小，當射流壓力大于30 MPa時，超臨界CO2直旋混合射流的射流效果明顯大于另外2種水射流，其主要原因在于：與水相比，超臨界CO2的黏度較低，擴散系數較大，更容易向巖石中存在的微裂紋擴散，擴大了射流的作用范圍從而提高了破巖效率。綜合不同射流條件下的破巖體積，超臨界CO2直旋混合射流的平均破巖能力比常規直射水射流的提高了42.9%，比直旋混合水射流提高了25.3%?？梢?，超臨界CO2直旋混合射流在破巖效率方面具有獨特優勢。

2.2 超臨界CO2直旋混合射流破巖基本特征

為了探究超臨界CO2直旋混合射流的破巖特性，在相同噴射壓力、噴射距離、噴嘴當量直徑等條件下(噴射壓力為35 MPa，圍壓為8 MPa，噴嘴直徑為1 mm)，通過鉆孔實驗對比了相同當量直徑的超臨界CO2旋轉射流，超臨界CO2直旋混合射流、超臨界CO2直射流的破巖效果，結果如圖5～6所示?？梢园l現，超臨界CO2直旋混合射流比直射流擴孔能力強，比旋轉射流射孔深度大，在該實驗條件下，其破巖體積是超臨界CO2旋轉射流的2.16倍，是超臨界CO2直射流的1.27倍。分析可得，超臨界CO2直旋混合射流有效的結合了超臨界CO2旋轉射流的徑向破巖能力和超臨界CO2直射流的軸向破巖能力，在射流射孔面積與射孔深度這對矛盾中找到了平衡點，提高了射流的破巖能力。

圖5 3種超臨界CO2射流方案破破巖效果實體對比圖Fig.5 Stereogram of rock-erosion with three jets of supercritical carbon dioxide

圖6 3種超臨界CO2射流方案破巖效果對比Fig.6 Comparison of rock-erosion between three jets of supercritical carbon dioxide

圖7 破巖過程中大體積巖塊崩落現象Fig.7 Phenomenon of rock mass breakaway in rock-erosion process

實驗還發現，超臨界CO2直旋混合射流易導致巖心發生大體積不規則巖塊崩落，如圖7所示，發生這種現象的原因主要有2個：首先，因為超臨界CO2的黏度比水低，擴散系數較大，與水射流相比更易向微孔隙、微裂紋中繼續擴展，射流作用范圍增大，體積膨脹泄壓后可以在巖石破碎坑周圍形成比較大的拉應力，從而使巖石破碎坑的直徑變大，較易造成巖塊大體積崩落[13]；其次，由于直旋混合射流作用在巖石上時具有較大的切向速度，射流進入微裂紋后對巖石產生較大的切應力作用，從而將大體積巖塊切離巖石本體。正是由于這種拉應力與切應力的聯合作用，使巖石發生大體積崩落現象，從而降低射流破巖的門限壓力，提高破巖效率。

2.3 實驗參數影響規律分析

2.3.1 葉輪長度的影響規律

圖8 葉輪長度對射流破巖效果的影響Fig.8 Effect of the impeller length on rock-erosion

直旋葉輪長度決定著超臨界CO2旋轉射流和直射流各自的發展程度，其是影響破巖效率的重要參數，通過實驗研究不同直旋葉輪長度對超臨界CO2直旋混合射流破巖效果的影響規律，其實驗結果如圖8所示。當其他條件不變時，破巖孔徑在葉輪長度大于3后無明顯變化，而破巖深度隨葉輪長度的增加有先增加后減小的趨勢，存在最優值，這是因為當直旋葉輪長度較小時，旋轉槽部分射流并未充分發展為旋轉射流，其進入混合腔后會對軸向直射流產生較大干擾，影響射流對軸心部分的沖擊進而影響射孔深度，因此射孔深度隨著葉輪長度的增加而增加；但當葉輪長度過大時，直射流與旋轉射流會因為各自孔道上的摩阻而產生能量損失，由于葉輪中心孔直徑較小，所以直射流的摩阻損失更為嚴重，從而對破巖效果尤其是射孔深度產生較大的影響。綜合射孔深度和孔徑，我們可以得出該實驗條件下的最優直旋葉輪長為6 mm。

2.3.2 葉輪中心孔直徑的影響規律

圖9 葉輪中心孔直徑對射流破巖效果的影響Fig.9 Effect of the impeller center hole diameter on rock-erosion

在研究超臨界CO2直旋混合射流噴嘴葉輪中心孔直徑對破巖效率的影響實驗中，其他實驗參數均保持不變，只改變噴嘴的葉輪中心孔直徑，對同一批次人造巖心進行破巖實驗。其實驗結果如圖9所示。從圖中可以看出，隨著中心孔直徑的增大，射流破巖的射孔深度逐漸增加，但破巖的孔徑卻逐漸減小。這是因為巖石中心的射孔深度主要受直旋混合射流中的直射流部分影響，而旋轉射流的強弱決定著射孔孔徑的大小[15]。當入口流量一定的情況下，隨著中心孔直徑的增大，中心孔所占流量比例隨之增大而旋轉槽所占流量比例減小，從而混合射流中對孔深起主要作用的直射流能量增強而旋轉射流能量減弱。從圖中得出當中心孔直徑為1.5 mm時，既有較大的破巖深度又能保持較大的破巖面積，可以認為是該實驗條件下的最優值。

2.3.3 混合腔長度的影響規律

圖10 混合腔長度對射流破巖效果的影響Fig.10 Effect of the mixing chamber length on rock-erosion

超臨界CO2射流經過直旋葉輪分流成直和旋轉射流2個部分，其混合程度直接影響射流的破巖能力。射流的混合程度在噴嘴中可以用混合腔的長度來表征，圖10所示為噴嘴的混合腔長度對破巖效率的影響規律。隨著混合腔長度的增加，射孔深度和射孔孔徑均先增大后減小，存在最優混合腔長度。這是因為混合腔的長度會限制或促進直旋混合射流的混合程度和射流能量，當混合腔長度過小時，直旋射流在未充分混合后便進入收斂腔，在收縮面上產生較大的回流作用。由于超臨界CO2具有低黏度、高擴散性等特點，其直、旋2種射流在未充分混合條件下的相互滲透及相互干擾較強，增大了流動阻力從而影響破巖效率；隨著混合腔長度增大，混合程度會隨之增加，2種射流之間的相互干擾以及在收縮壁面產生的回流會隨之減少；當混合段長度過大時，混合程度較高的直旋射流會在混合腔內產生較大的摩擦損失，導致射流能量的減小，使孔深和孔徑都隨之減小。當混合腔長度為5 mm時，破巖深度和孔徑都較大，為該實驗條件下的最優混合腔長度。

2.3.4 噴射距離的影響規律

圖11 噴射距離對射流破巖效果的影響Fig.11 Effect of the jet standoff on rock-erosion

常規射流破巖實驗中噴距是對破巖效果影響較大的參數，而對超臨界CO2直旋混合射流同樣如此，在射流壓力35 MPa，圍壓8 MPa，溫度60 ℃的條件下，研究噴距(1～6 mm)對破巖效果的影響規律，實驗結果如圖11所示。隨著噴距的增加，射流深度和射流面積有先增大后減小的趨勢，這與直射流和旋轉射流在射流區域的發展程度和能量損耗有關。當噴距較小時，超臨界CO2直射流和旋轉射流都未充分擴展，其作用面積較小，導致破巖直徑較小，同時由于壁面離噴嘴較近，其沖擊破碎過程中壁面的回流會對噴嘴附近的直旋射流產生干擾，導致能量損耗較大，從而影響破巖深度；隨著噴距的增大，超臨界CO2的旋轉射流有較好的發展，沖擊區域變大，具有較好的旋向速度，并形成有利于直射流發展的負壓區[17]，巖石壁面的反流的干擾作用也變小，因此可以得到直徑和深度都較大的孔眼；但當噴距進一步增大時，直旋射流的速度與能量衰減較為嚴重，雖然射流作用在巖石壁面上的面積較大，但其沖擊速度和沖擊能量較小，徑向邊緣射流不足以破壞巖石，從而孔深和孔徑都減少。綜合射孔深度與射孔直徑，該實驗條件下的最優噴距為3～4 mm。

圖12 噴射壓力對射流破巖效果的影響Fig.12 Effect of the jet pressure on rock-erosion

2.3.5 噴射壓力的影響規律

射流壓力可以表征射流能量的大小,它是影響射流破巖效果的最直接因素之一，保持其他參數不變，研究了不同噴射壓力(20～45 MPa)條件下超臨界CO2直旋混合射流的破巖規律，結果如圖12所示。當射流壓力達到25 MPa時，巖石發生輕微的破碎，隨著射流壓力的增高，其破巖深度和破巖直徑都有較為明顯的提高。由于實驗保持圍壓為8 MPa不變，隨著射流壓力的升高，噴嘴壓降(射流壓力與圍壓之差)隨之增大，其會導致參與破巖的射流動能的增加。射流動能的增加一方面使中心直射流的軸向速度增加，從而使破巖深度隨之增大，另外它還增大了周圍旋轉射流的切向速度，在旋轉射流的沖擊和剪切作用下，巖石的破碎直徑有所增加，但在40和45 MPa條件下的射孔直徑變化較小，這主要是受一定噴距下旋轉射流的作用面積有限所致[19]。此外，隨著射流壓力的升高，巖石更容易發生大體積崩落現象，這是因為壓力的升高能夠使擴散性較強的超臨界CO2更容易進入較深的巖石裂縫中，從而使深處裂縫面以上的大塊巖石在拉、切應力的作用下脫離巖石本體。綜上所述，在條件允許的情況下，應努力提高射流壓力，增大超臨界CO2直旋射流的破巖能力，進而提高破巖效率和鉆井速度。

3 結 論

(1)超臨界CO2直旋混合射流的破巖效果優于常規水射流，相同實驗條件下，該射流的平均破巖能力比常規水射流提高42.9%，比直旋混合水射流提高25.3%。

(2)超臨界CO2直旋混合射流有效的結合了超臨界CO2旋轉射流的徑向破巖能力和超臨界CO2直射流的軸向破巖能力，相同實驗條件下，其破巖體積是超臨界CO2旋轉射流的2.16倍，是超臨界CO2直射流的1.3倍。

(3)超臨界CO2直旋混合噴嘴的結構參數對射流的破巖效果影響較大，實驗條件下的最優值可取為：葉輪中心孔直徑1.5 mm，葉輪長度6 mm，直旋混合腔長度5 mm。

(4)隨著噴射距離的增大，超臨界CO2直旋混合射流的破巖效果有先增強后減弱的趨勢，實驗條件下的最優噴距為3～4 mm。

(5)超臨界CO2直旋混合射流噴射壓力的升高會增強射流的破巖效果：一方面會使射流對巖石的沖擊破壞力增大；另一方面，會促進超臨界CO2進入較深巖石裂縫中，使巖石在拉、切應力的作用下發生大體積的崩落現象，從而降低了巖石的門限壓力。

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(責任編輯 王易難)

Experimental study on rock-erosion features with combined swirling and round jet of supercritical carbon dioxide

Tian Shouceng1, Zhang Qilong2, Li Gensheng1,He Zhenguo1, Liu Han1, Liu Xinran1

(1.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing100083,China;2.BohaiPetroleumResearchInstitute,TianjinBranch,ChinaNationalOffshoreOilCorpCo.Ltd,
Tianjin300425,China)

Integrating supercritical carbon dioxide jet, known for its capability of reducing the threshold pressure of the rock and protecting the reservoir, with the combined swirling and round jet, known for its capability of enhancing the efficiency of rock erosion owing to its features, we would have a new highly efficient jet technology that may be called as combined swirling and round jet with supercritical carbon dioxide. In order to investigate the law governing its rock erosion, we carried out an experiment aiming at comparing the rock erosion capacity of this method with that of the conventional water jet and studying the effects produced by the of five important factors (the impeller length, the central hole diameter of the impeller, the length of the mixing chamber, the standoff, and the jet pressure) on rock erosion by using the nozzle which has been designed and fabricated especially for this purpose. The result shows that the rock erosion efficiency of this jet method is 42.9% higher than that of the conventional water round jet; the swirling and round jet with supercritical carbon dioxide may lead to the occurrence of rock mass breakaway; with the increase of the impeller length, the length of the mixing chamber and the standoff, the erosion performance tends to slacken after an initial good efficiency; the increase of the central hore diameter of the impeller can result in both a greater erosion depth and a reduced erosion diameter; and erosion efficiency can be enhanced by increasing the jet pressure. The results from the present study can be serve as an experimental basis for further research.

mechanics of explosion; rock erosion experiment; combined swirling and round jet; impact jet flow; supercritical carbon dioxide

10.11883/1001-1455(2016)02-0189-09

2014-09-19；

國家自然科學基金項目(51210006,51490652)；國家科技重大專項項目(2011ZX05009-005)；國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2014CB239203)

田守嶒(1974— )，男，博士，副研究員，tscsydx@163.com。

O383 國標學科代碼： 13035

A

修回日期： 2015-01-20