CN111395994A - 一种高压水力喷射径向射流洗井装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压水力喷射径向射流洗井装置，包括一个中空的水管，水管的一端设置为用于与高压水泵丝扣密封连接的接头，另一端套接有扶正器；接头具有锥形螺纹内孔，接头外部直径大于水管本体直径；水管本体沿轴向设置有多组水力喷射孔，每一组水力喷射孔包括沿水管周向均匀分布的多个水力喷射孔；扶正器在轴向上超出水管的部分为锥形结构，末端过渡为球面。与现有技术相比，本发明喷射速度高、喷射压力大、喷射直径长、喷射面积大，增加地热井的过流面，能清洗形状和结构复杂的对象，能在复杂环境、恶劣有害的场合进行清洗；不但可以高压冲洗泥皮更能有效的起到洗井引流作用。

Description

一种高压水力喷射径向射流洗井装置

技术领域

本发明涉及一种高压水力喷射径向射流洗井装置，尤其可适用于砂岩地热井。

背景技术

砂岩地热井在完井后需要对开采层段(取水与回灌层位)进行循环清洗井筒与井壁，径向射流洗井技术是砂岩地热井成井关键技术之一。

依据《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615-2010)结合现场洗井实际情况具体洗井措施及要求，目前常规的洗井方式主要有以下几种：

气举正反循环吞吐法洗井：使用压风机进行气举洗井，直接注入高压气体，实现限气量或者限压力可控井喷，对产层瞬时减压，不断减压又不断恢复，实现地层吞吐清洗效果；

潜水泵抽水洗井：采用潜水电泵间歇性抽水洗井，达到水清砂净后，流体中悬浮物含量小于1:20000；

化学洗井方法，利用专有的洗井液进行浸泡洗井；活塞洗井，利用上提下方活塞拉力进行洗井。

但是，目前常规的洗井方式无法冲洗开水管外的泥皮与通道。

高压水力喷射径向射流洗井技术是近二、三十年来发展起来的一门新技术，正越来越广泛地应用于煤炭、石油、化工、冶金、船舶、航空、交通、建筑等工业部门，用以清洗、除垢、切割、破岩等。高压水力喷射径向射流洗井技术是以水为介质，通过高压发生工具增压获得巨大能量，经一定形状的喷嘴喷出的一股能量集中的高速水流。

高压水力喷射径向射流洗井技术可分为三种类型：连续射流(纯水或磨料)、脉冲射流(振动、冲击、水炮)、空化射流。

1.连续射流

最常见型式，连续射流束速度可达900m/s，压力400MPa.大多用于清洗切割，作用原理是射流冲击滞止压力Pi＝ρV2/2；其中：

Pi--射流冲击滞止压力，MPa；

ρ--射流介质密度，g/cm3；

V--射流速度，m/s。

2.脉冲射流

非连续射流，产生方式：聚能骤放，或称“水炮”；压力挤出；流量调节，又叫“水击”。射流性能取决于脉冲频率、水击长度/直径、水击能量。

脉冲射流作用机理：水击压力P0＝ρCV；其中：

P0--脉冲射流水击压力，MPa；

ρ--射流介质密度，g/cm3；

C--射流流体中的声速，在水中C≈1500m/s；

V--射流速度，m/s；

脉冲射流水击压力P0>连续射流滞止压力Pi。

3.空化射流

在流体中形成一个压力低于当地蒸汽压力的区域，从而在射流流束中产生空化气泡的连续射流。1972年，Conn推导出空化射流冲击压力：P＝Pi/6.35 [exp(2/3α)]，其中：

P--空化射流冲击压力，MPa；

Pi--连续射流滞止压力，MPa；

α--射流介质中气体含量。

当α＝1/6～1/10时，P＝(P.6～124)Pi即在相同排量下，空化射流冲击压力是连续射流滞止压力的P.6-124倍。

不过，对于砂岩地热井完井时井壁泥皮的清洗和疏通，目前的高压水力喷射径向射流洗井装置仍然有待改进，以适应结构复杂的对象和环境、提高清洗质量和效率等。

发明内容

本发明提供一种新的高压水力喷射径向射流洗井装置，能够适应结构复杂的对象和环境、提高清洗质量和效率，不但可以高压冲洗泥皮，更能有效的起到洗井引流作用。

本发明的技术方案如下：

一种高压水力喷射径向射流洗井装置，包括一个中空的水管；所述水管的一端设置为用于与高压水泵丝扣密封连接的接头，另一端套接有扶正器；所述接头具有锥形螺纹内孔，接头外部直径大于水管本体直径；水管本体沿轴向设置有多组水力喷射孔，每一组水力喷射孔包括沿水管周向均匀分布的多个水力喷射孔；所述扶正器在轴向上超出水管的部分为锥形结构，末端过渡为球面。

进一步地，所述接头为3/4NPT扣型。

进一步地，所述接头型号为NC38(1/2IF)，螺纹锥度1:6，螺距为6.35，牙型代号为V0.065。

进一步地，所述接头与水管本体以30度斜面过渡，接头的外壁沿周向均匀分布有四道轴向贯通的凹槽。

进一步地，所述水管本体以及接头的强度参数为：钢级H-40，内压屈服强度39.9Mpa，接头连接屈服强度412KN。

进一步地，所述每一组水力喷射孔包括在所处轴向位置、沿水管周向均匀分布的六个水力喷射孔。

进一步地，所述水管本体的外径为89mm，相邻各组水力喷射孔沿轴向的间距为40mm，每个水力喷射孔沿水管径向的尺寸为12mm，每个水力喷射孔自身的直径为12mm。

进一步地，所述扶正器和所述接头的外径均为115mm。

进一步地，所述扶正器的锥形结构的轴向长度为64mm，锥角为30度，末端球面的半径为37.5mm。

进一步地，所述水力喷射孔为风琴管型。

本发明具有以下有益效果：

(1)喷射速度高、喷射压力大、喷射直径长、喷射面积大，增加地热井的过流面；

(2)能清洗形状和结构复杂的对象，能在复杂环境、恶劣有害的场合进行清洗；

(3)清洗效率高，成本较低；

(4)不但可以高压冲洗泥皮更能有效的起到洗井引流作用；

(5)同时可以起到增产作用，进而增加砂岩地热井的使用寿命；

(6)提升回灌井的回灌效率，降低孔吼堵塞物；

(7)利用清水冲刷清洗，不污染环境，不腐蚀设备，可除去用化学清洗难溶或不能溶的结垢；丰富和标准化洗井技术。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的结构示意图。图中，1-水管，2-接头，3-扶正器，101- 水力喷射孔，301-球面(笔尖)。

图2为图1中的A-A剖视图。

图3为图1中的B-B剖视图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1至图3所示，该高压水力喷射径向射流洗井装置，包括一个中空的水管1，其材质为高强度石油钻杆，强度高、耐磨、抗腐蚀；水管的一端设置为用于与高压水泵丝扣密封连接的接头2(3/4NPT扣型)，具有连接强度高，密封性好，安全可靠等特点；另一端套接有扶正器3，确保工具居正，起到均匀射流效果；接头具有锥形螺纹内孔，接头外部直径大于水管本体直径；水管本体沿轴向设置有多组水力喷射孔101，每一组水力喷射孔包括在所处轴向位置、沿水管周向均匀分布的六个水力喷射孔；扶正器在轴向上超出水管的部分为锥形结构，末端过渡为球面301，从而减小水力及井下摩阻。

接头型号为NC38(1/2IF)，螺纹锥度1:6，螺距为6.35，牙型代号为 V0.065。

接头与水管本体以30度斜面过渡，接头的外壁沿周向均匀分布有四道轴向贯通的凹槽，参见图2，凹槽的宽度为30mm，接头在凹槽处的外径为105mm。

水管本体的外径为89mm，相邻各组水力喷射孔沿轴向的间距为 40mm，每个水力喷射孔沿水管径向的尺寸为12mm，每个水力喷射孔自身的直径为12mm。

扶正器和接头的外径均为115mm。扶正器的锥形结构的轴向长度为 64mm，锥角为30度，末端球面的半径为37.5mm。

水管本体以及接头的强度参数为：钢级H-40，内压屈服强度39.9Mpa，接头连接屈服强度412KN。

各部件的配合是特制加工最终为一个本体工具水管与高压水泵连接在一起后可能承受喷嘴处1.4N/mm²压力深井井管的直径应能够尽可能控制射水过程中的摩擦损失，确保足够的水流量。整个水管自水管最上端直至最低端持续小增量射水在射水过程中，喷射工具在单个水管段上下移动时保持旋转，以确保所有需冲洗区域都能冲洗到。强大的射流可覆盖较大的区域进行有效清洗，根据压力的高低，内部离心速度控制使喷头旋转速度保持在50～200r/min，喷射装置及喷头总成最高工作压力可达70MPa。

高压水力喷射径向射流洗井装置的动力学计算如下：

1、基本方程式

(1)伯努利方程

其中，P--压力，V--速度。

(2)连续方程

ρ₁V₁A₁＝ρ₂V₂A₂

2、射流速度

V＝C(2P/ρ)^1/2

其中，V--射流速度，m/s；

C--流速系数；

P--射流压力，MPa；

ρ--射流介质密度，g/cm3

3、射流流量

Q＝VA＝(d2/4)V

其中，Q--射流流量，cm3/s；

V--射流速度，cm/s；

A--喷嘴出口截面积，cm2；

d--喷嘴出口直径，cm.

4、喷嘴直径

当P--MPa,Q--cm3/s,ρ--g/cm3时，喷嘴直径为：

此时喷嘴直径d单位为cm。

5、射流水功率

W＝PQ

其中，W--射流水功率，w；

Q--射流流量，cm3/s；

P--射流压力，MPa。

6、射流冲击力

F＝102 Q2/A

其中，F--射流冲击力，KN；

Q--射流流量，cm3/s；

ρ--射流介质密度，g/cm3；

A--喷嘴出口截面积，cm2。

7、射流反推力

T＝0.0445Q P1/2

其中，T--射流反推力，N；

Q--射流流量，cm3/s；

P--射流压力，MPa。

8、管路压力损失

ΔP＝71.24Q2/D5 R1/4

其中，ΔP--管路压力损失，MPa/m；

Q--射流流量，cm3/s；

D--管路内径，mm；

R--雷诺数，R＝21115(Q/D)。

管路压力损失与流量平方成正比，与管路内径5次方成反比。

根据瞬态流和水声学理论建立了流体自激振动调制机理和喷嘴设计理论模型，研究成功了新型高效高压水力喷射径向射流，研究得出了各参数影响规律，脉动幅度高24％-37％，破坏泥皮效果高1-3倍。

喷嘴水力冲击压力脉动比较得出：椭圆型的喷嘴最优，比锥型喷嘴高 24％～37％。

该装置利用89mm的油管在其本体上打上均匀的12mm的孔径，砂岩地热井洗井要求依据《GB11615-2010规范》利用径向射流水力喷射洗井方法逐根对准水管进行喷射洗井，观察泵压变化。

本发明具有喷射速度高、喷射压力大的特点，可直接利用3NB1300 型的泥浆泵进行高压冲洗，可以根据井深来调节压力。

利用本发明洗井作业不污染环境，不腐蚀设备，清洗效率高，成本较低，非常适合砂岩地热井完井时井壁泥皮的清洗和疏通，达到增加砂岩地热井水量或回灌井回灌的目的。

本发明利用特制的水流孔径在高压水作用下形成冲刷孔壁的喷射流，同时在喷射流的作用下高速旋转，以强大的水力破坏吸附在孔壁上的泥皮、扰动管外的滤料、有效清除管壁上的锈垢，达到增加水井出水量的增产效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高压水力喷射径向射流洗井装置，包括一个中空的水管；其特征在于：所述水管的一端设置为用于与高压水泵丝扣密封连接的接头，另一端套接有扶正器；所述接头具有锥形螺纹内孔，接头外部直径大于水管本体直径；水管本体沿轴向设置有多组水力喷射孔，每一组水力喷射孔包括沿水管周向均匀分布的多个水力喷射孔；所述扶正器在轴向上超出水管的部分为锥形结构，末端过渡为球面。

2.根据权利要求1所述的高压水力喷射径向射流洗井装置，其特征在于：所述接头为3/4NPT扣型。

3.根据权利要求2所述的高压水力喷射径向射流洗井装置，其特征在于：所述接头型号为NC38(1/2IF)，螺纹锥度1∶6，螺距为6.35，牙型代号为V0.065。

4.根据权利要求1或2所述的高压水力喷射径向射流洗井装置，其特征在于：所述接头与水管本体以30度斜面过渡，接头的外壁沿周向均匀分布有四道轴向贯通的凹槽。

5.根据权利要求1所述的高压水力喷射径向射流洗井装置，其特征在于：所述水管本体以及接头的强度参数为：钢级H-40，内压屈服强度39.9Mpa，接头连接屈服强度412KN。

6.根据权利要求1所述的高压水力喷射径向射流洗井装置，其特征在于：所述每一组水力喷射孔包括在所处轴向位置、沿水管周向均匀分布的六个水力喷射孔。

7.根据权利要求6所述的高压水力喷射径向射流洗井装置，其特征在于：所述水管本体的外径为89mm，相邻各组水力喷射孔沿轴向的间距为40mm，每个水力喷射孔沿水管径向的尺寸为12mm，每个水力喷射孔自身的直径为12mm。

8.根据权利要求7所述的高压水力喷射径向射流洗井装置，其特征在于：所述扶正器和所述接头的外径均为115mm。

9.根据权利要求1所述的高压水力喷射径向射流洗井装置，其特征在于：所述扶正器的锥形结构的轴向长度为64mm，锥角为30度，末端球面的半径为37.5mm。

10.根据权利要求1所述的高压水力喷射径向射流洗井装置，其特征在于：所述水力喷射孔为椭圆型。

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