油气井套管自吸式磨料射流喷嘴的结构优化与性能研究：CFD-DEM耦合模拟与实验验证

针对油气井套管切割中磨料消耗高、堆积严重等问题，研究人员通过设计新型自吸式磨料射流喷嘴，结合半解析CFD-DEM耦合方法，系统分析了不同前后喷嘴面积比下的磨料吸入与加速性能。实验验证了最优结构可平衡吸入效率与侵蚀能力，为高压射流切割的磨料循环利用提供了设计依据，推动AWJ技术的工业应用。

　　

油气资源开发中，大量废弃井的套管切割面临经济性与安全性挑战。传统磨料水射流技术（Abrasive Waterjet, AWJ）虽具无热损伤优势，但磨料高消耗、井底堆积导致的钻杆堵塞问题长期未解。尤其受限空间内磨料回收效率低下，制约了该技术的规模化应用。

为解决这一难题，重庆大学的研究团队在《Powder Technology》发表论文，提出了一种新型自吸式磨料射流喷嘴结构。通过半解析计算流体力学-离散元法（CFD-DEM）耦合模拟，首次揭示了喷嘴前后面积比对磨料吸入与加速性能的差异化影响规律。实验证实，优化后的喷嘴结构能产生均匀侵蚀轮廓，避免传统喷射形成的中心凸起缺陷，为磨料循环系统设计提供了量化标准。

关键技术包括：1）基于传统喷射泵改进的圆柱形后喷嘴设计；2）半解析CFD-DEM耦合模型，精确解析流体-颗粒相互作用；3）高压侵蚀实验平台（含安全阀、压力调节阀等组件）验证模拟结果。

【研究结果】

1. 操作原理：新型喷嘴通过前部收敛段加速流体，在混合室产生负压实现磨料自吸，后部圆柱结构维持颗粒喷射动能。
2. 数值模拟：面积比降低时，磨料吸入能力呈先升后降趋势（峰值比3.5），而加速能力持续衰减，表明需权衡两项指标。
3. 侵蚀实验：最优喷嘴产生的凹缘凸面侵蚀坑转变为均匀轮廓，归因于颗粒空间分布与动能传递效率提升。

【结论】该研究建立了磨料自吸-加速性能的定量评价体系，揭示颗粒动力学特征与侵蚀形貌的关联机制。相比传统扩散型喷嘴，优化结构使磨料利用率提升40%，为井下受限空间的可持续切割提供了关键技术支撑。朱若亚（Zhuoya Zhang）等作者特别指出，该设计准则可扩展至其他高压流体切割领域，具有显著的经济与环境效益。