基于CFD-DEM方法的超临界CO?射流破岩机制的数值研究

《Geoenergy Science and Engineering》：Numerical study on rock breaking mechanism of supercritical CO 2 jet based on CFD-DEM approach

超临界CO2射流破岩机理与多参数耦合分析

　　超临界二氧化碳（SC-CO?）喷射破岩技术在非常规天然气钻井工程中被认为是一项具有前景的技术。理解SC-CO?喷射的流场特性并揭示其破岩机制，是提升破岩效率的关键。本研究通过采用基于计算流体力学（CFD）与离散元法（DEM）耦合的模型，对SC-CO?喷射破岩过程中的空间和时间演变进行模拟，包括流场和应力场的变化。随后，通过改变不同的喷射参数，以期获得更佳的破岩效果。研究结果表明，SC-CO?喷射破岩存在多种方式，其中包括喷射的侵蚀效应、井壁扩散效应、热应力效应以及水楔效应。热应力的存在显著降低了岩石颗粒之间的结合强度，并增加了岩石的Mises应力。单因素分析表明，喷射破岩体积随着泵压的增加而增大，而随着温度和喷嘴直径的增加，其变化趋势则先上升后下降。多因素分析显示，泵压对破岩效果的影响最为显著，各因素的影响力排序为泵压 > 喷嘴直径 > 温度；泵压与喷嘴直径的组合在交互作用中最为关键。本研究的计算方法和结果为SC-CO?喷射破岩技术在工程应用中的理论指导提供了依据。

近年来，全球能源消耗大幅增加，并预计未来仍将持续上升。高效开采和利用煤层气在缓解能源紧张和减少温室效应方面具有重要意义。然而，井壁坍塌和煤层低渗透性是限制煤层气开采的关键因素。因此，传统的钻头破岩技术在煤层气开采过程中并不高效，还会缩短钻头的使用寿命。高压力水射流破岩作为一种非接触式破岩技术，经过多年的研发，已在钻井作业中广泛应用。许多学者对水射流破岩过程及其机制进行了深入研究。然而，传统水射流技术存在一些问题，如破岩门槛压力较高、水资源浪费严重。传统的水作为介质的高压射流在破煤孔过程中容易出现“水锁效应”，水与煤粉形成的粘性混合物会降低射流的连续侵蚀能力。同时，水力破碎高度依赖水资源，储层污染问题不容忽视。

随着煤层气开发逐渐向更深的地层发展，气体射流钻井因其优越的冷却性能和破岩效果而受到广泛关注。其中，SC-CO?射流作为一种改进型射流技术，获得了更多的关注。其破岩过程如图1所示。由于SC-CO?具有较高的密度和扩散性、较低的粘性和表面张力以及良好的热传导性能，使用其作为射流介质可以实现更低的破岩门槛压力和更高的破岩效率。同时，SC-CO?比其他气体对煤岩的吸附能力更强，也有助于促进煤层气的快速解吸。这些特性使得SC-CO?在射流辅助钻井和射流压裂中有广阔的应用前景。因此，许多学者开展了SC-CO?射流实验。在石油工程中，SC-CO?射流在岩石破碎方面表现出显著优势，其单位能量消耗仅为水射流的一半以下。SC-CO?特别适用于低渗透性的非常规储层，由于其低粘性和高扩散性，能够深入岩孔中形成静水压力。SC-CO?射流主要通过脆性拉伸和局部剪切破坏来破碎岩石，并可在矿物颗粒之间形成裂隙。

为了解析井壁的物理特性，路易斯安那州立大学开发了井壁物理模型，为分析井壁流体分布提供了理论依据。王（Wang et al., 2014）发现，增大喷嘴直径可以提升井底温度和压力，而增大射流长度则会降低温度，使压力先上升后下降，表明存在一个最佳射流长度。杜（Du et al., 2012）进一步揭示了喷嘴参数对井底压力的影响规律。黄（Huang et al., 2020）使用高速摄像机观察不同工作条件下射流的流场图像，并对SC-CO?射流与经典理论及其他射流进行了比较分析。蔡（Cai et al., 2020）实验研究了SC-CO?射流对页岩层理对裂缝形态和射孔破坏的影响。

由于射流作用下的岩石破碎过程复杂且迅速，实际物理实验通常难以观察这一微观过程，实验容易受到外部因素的影响，且某些物理数据难以通过实验获得。相比之下，数值模拟具有成本低、快速便捷的优势。许多学者也通过数值模拟对SC-CO?射流进行了研究。程和王（Cheng et al., 2014；Wang et al., 2015）通过数值模拟表明，SC-CO?射流比水射流具有更高的冲击速度和压力。龙（Long et al., 2016）采用包含二氧化碳真实气体效应的CFD模型，研究了井底的射流流场。周（Zhou et al., 2017）开发了一个数值模型，该模型考虑了SC-CO?射流的流体力学、质量传递和热力学特性。并验证了SC-CO?超临界状态下的密度、粘性和热导率公式。田（Tian et al., 2016）通过数值分析和实验研究了操作参数对SC-CO?射流冲击特性的影响。李（Li et al., 2021）开发了一个耦合热-流-固的岩石破碎应力模型，研究了SC-CO?、水和氮气在岩石破碎过程中的流场和应力变化。陈（Chen et al., 2024）通过耦合流-热-结构模型研究了磨料型SC-CO?射流的可行性。杨（Yang et al., 2019）使用SPH-FEM方法获得了冲击目标的射流运动特性。蔡（Cai et al., 2022）模拟了高压CO?射流与PDC切割齿的复合破岩过程，并进一步研究了复合破岩机制。陈（Chen et al., 2023）研究了SC-CO?射流在碳酸盐地热储层中的流场和应力场。这些研究使SC-CO?射流的破岩机制更加清晰，但尚未考虑在射流破岩过程中岩石热应力对破岩效果的影响，也未具体呈现岩石在射流冲击下的破碎效果。

近年来，Euler-Lagrange方法在流体-固体耦合计算中被广泛采用，其中CFD-DEM耦合计算方法是流体-固体耦合计算中最具优势的方法之一。Tsuji（Tsuji et al., 1993）首次将CFD与DEM结合，采用双向耦合模拟气体流化床问题。EI shamy（EI shamy et al., 2005）首次将CFD-DEM流体-固体耦合方法应用于地质工程问题，并简化了Navier-Stokes控制方程，采用CFD-DEM方法模拟三维土壤边坡渗流问题。

基于CFD-DEM的流体-固体耦合数值分析方法在多相粒子流研究中被广泛应用，但在SC-CO?射流破岩研究中尚未见相关应用。CFD-DEM方法通过Eulerian-Lagrangian框架，能够实现流体-粒子相互作用的高精度解析，从而更准确地捕捉SC-CO?射流的湍流特性和热传导过程。DEM方法可以自然地描述岩石的离散粒子特性，并直接模拟颗粒的宏观破碎和微观结合断裂过程。此外，CFD-DEM方法可以采用显式的接触力计算和局部网格加密技术，其计算精度高于SPH-FEM方法。在热耦合方面，CFD-DEM方法可以跟踪喷射过程中颗粒之间的力和热传递，而SPH则将固体视为连续介质，难以解析此类微观机制。这些优势使得CFD-DEM成为模拟SC-CO?射流破岩过程的更好选择。

本研究建立了基于CFD-DEM耦合方法的SC-CO?射流破岩多尺度数值模型。在微观尺度上，通过DEM测量岩石的压缩和拉伸强度。在宏观尺度上，刻画岩石侵蚀的动态演化过程，并考虑热应力对射流破岩的影响，揭示SC-CO?射流破岩过程中多种机制的协同效应。同时，还分析了不同操作参数和喷嘴结构对射流破岩的影响。通过正交实验系统研究了三个参数的交互作用，旨在进一步理解SC-CO?射流的破岩特性，并为SC-CO?射流破岩技术在实际工程中的高效应用提供理论依据。

在SC-CO?射流破岩的CFD方法中，基本原理是通过数值求解控制流体流动的微分方程（Song et al., 2017）。本文采用美国国家标准技术研究院（NIST）开发的隐式方程，计算SC-CO?在喷射过程中的物理性质变化，包括压力、温度、粘性和热导率。

在岩石模型和DEM参数化方面，为了获得符合实际情况的岩石模型，对岩石进行了单轴压缩和巴西劈裂试验。岩石的离散元模型为一个直径50毫米、高度100毫米的圆柱体，如图4所示。颗粒间结合的参数见表1。图4（a）展示了岩石的单轴压缩试验模型，其中下板固定，上板以均匀速度向下压缩。

在SC-CO?射流的侵蚀作用方面，SC-CO?射流的岩石破碎速度场如图14所示（下图例显示岩石的位置，左图例显示流体速度）。设置入口压力为30 MPa，出口压力为20 MPa，可以看出SC-CO?流体从入口注入，经过喷嘴缩窄段加速，并在喷嘴出口达到最大速度。在自由喷射区域，SC-CO?流体形成一段稳定的流场。

在本研究中，建立了一个基于CFD-DEM耦合方法的SC-CO?射流破岩数值模型，该模型基于热-流-固耦合理论，突破了传统数值模拟的局限性，实现了射流破岩过程的多物理场耦合。这种方法不仅提升了SC-CO?破岩理论，还为非常规油气开采提供了从微观机制到宏观性能的可视化手段。

尽管本研究基于CFD-DEM方法系统地探讨了SC-CO?射流的破岩机制，并分析了相关参数对射流破岩效果的影响，但仍存在一些研究局限性。首先，当前研究尚未充分考虑岩石的非均质性，模拟中将岩石颗粒视为均质材料，而实际地层具有非均质特征，如矿物分布等。其次，研究未考虑岩石的非均质性对破岩效果的影响，且未充分解析岩石在射流冲击下的具体破碎过程。此外，由于SC-CO?射流破岩过程涉及复杂的物理现象，当前研究可能在某些细节上存在不足，如对热应力与流体动力学之间相互作用的深入解析。最后，实验数据的获取可能受到实际条件的限制，导致模拟结果与实际应用之间存在一定的偏差。

本研究的成果为SC-CO?射流破岩技术的工程应用提供了重要的理论支持。然而，未来的研究仍需进一步完善。例如，可以引入更复杂的岩石模型，以更真实地反映实际地层的非均质特性。此外，可以结合更多的实验数据，以提高模拟结果的准确性。同时，研究还可以扩展到其他类型的非常规储层，如页岩气和致密油气，以评估SC-CO?射流在不同地质条件下的适用性。另外，可以进一步优化喷嘴设计和操作参数，以提高破岩效率并减少能源消耗。最后，可以探索SC-CO?射流与其他技术的结合，如PDC切割齿，以实现更高效的复合破岩方式。

本研究的作者贡献如下：王洛负责写作与审阅；王世聪负责写作与审阅；赵瑶负责写作与审阅；薛永智负责写作与审阅、监督、资源、方法论、资金获取和概念设计；周现斌负责写作与审阅、原始写作、方法论、正式分析、数据管理和概念设计；姚林负责写作与审阅。

本研究未引用的参考文献包括：Kim, 2015；Zhao和Guo, 2018；Guo和Zhao, 2016；Dehkhoda和Hood, 2014；Kolle, 2000；AL-Adwani, 2009；FAISAL, 2007；He等人, 2016；Cai等人, 2022；EI Shamy和Zeghal, 2005；Span和Wagner, 1996；Vesovic和Wakeham, 1990；Fenghour和Wakeham, 1998；Hussein和Ahmed, 2013；Cundall和Strack, 1979；Iwashita和Oda, 1998；Di Felice, 1994；Zhang, 2002；Jiang等人, 2022；Wang等人, 2015。

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

数据将在请求时提供。

作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系：

本研究得到了南充-西南石油大学科技战略合作基金（编号：23XNSYSX0067）和西南石油大学自然科学启动项目（编号：2022QHZ015）的支持。