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石油工程高压水射流技术 Water Jet Technology in Petroleum Engineering 李 根 生 石油大学（华东）石油工程学院,主 要 内 容 第一章 射流动力学基础和计算 第二章 石油工程水射流技术 第三章 水射流技术工业应用 第四章 结论和前景展望,第一章 射流动力学基础和计算 1-1 绪论 1-2 淹没水射流结构特性 1-3 水射流类型与作用机理 1-4 水射流动力学计算,1-1 绪 论 一、水射流技术原理与发展概况 高压水射流技术是近二、三十年来发展起来的一门新技术，目前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，显著提高工效，降低成本，减轻劳动强度，改善工作环境。 1. 基本原理 高压水射流，是以水为介质，通过高压发生设备增压获得巨大能量，经一定形状的喷嘴喷出的一股能量集中的高速水流。,2. 发展概况 50s60 s: 探索和实验阶段 50年代，人们从水力采煤和高速飞机的雨蚀现象中认识到，提高射流压力和速度能够冲蚀较坚硬物料，并显著提高落煤效果，从而开始了较高压力设备的研制和较高压射流的实验。 60s70 s: 基础设备研制和水力清洗 60年代初，随着较高压力柱塞泵和增压器的问世，开始研究射流动力学特性和喷嘴结构。 水力清洗受到重视。,70s80 s: 工业试验和应用 60年代末70年代初，美国国家科学基金资助了一项庞大的研究计划，旨在寻求一种高效的切割破岩方法（Maurer,1980），研究人员提出并试验了25种新方法，如电火花、电子束、激光、火焰、等离子体、高压水射流等，最后专家们一致公认最可行有效的是高压水射流破岩方法，后来也只有这种方法得到了实际应用。进入70年代，各国开始大力研究高压水射流技术，使该技术进入了迅速发展的新阶段。这期间，研究的重点是水射流破岩机理、脉冲射流特性及水射流在切割、破岩、清洗上的应用，开始出现了水力辅助机械破岩、空化射流、磨料射流、间断射流等新型射流技术。,80s现在: 新型高效射流，迅速发展 进入80年代以来，随着激光测速、高速摄影、流体显形、数值模拟等先进测试和研究手段的进步，高压水射流技术研究和应用得到更迅速发展。磨料射流、空化射流、脉冲射流、水力辅助机械破岩技术和基础理论、切割机理、影响因素研究和分析进一步深入，并出现了气水射流、液态金属射流、液态气（空气、氮气、二氧化碳气）射流、冰粒射流等特种射流，其应用范围也由当初的采矿、破岩、钻孔、清洗、除垢发展到金属和超硬材料切割、表面处理、研磨等应用领域涉及煤炭、石油、冶金、化工、船舶、航空、建筑、电力、纺织、交通、市政医学等十几个工业部门及核废料、海洋等危险恶劣工作环境，自动化程度切和切割精度有了显著提高。,学术机构和活动 1. 国际水射流技术协会 (International Society of Water Jet Technology)： International Symposium on Jet Cutting Technology, BHRA, 1972-2000, 15届。 2. 美国水射流技术协会 (Water Jet Technology Associ.)： American Waterjet Conference, 1981-99, 10届。 3. 日本水射流技术学会 (Water Jet Technology Society of Japan)： Pacific Rim International Conference on Water jet Technology, 1987-2000，6届。 4. 中国劳动保护学会水射流技术专业委员会： 全国水射流技术研讨会，1979-1999，10届。,二、水射流分类 高压水射流种类很多，分类方法也多种多样，常用的以下几种： 1、按驱动压力 压力等级 压力范围 (Mpa) 泵类型 低压 0.5 20 离心泵, 柱塞泵 中压 20 70 柱塞泵, 增压器 高压 70 140 柱塞泵, 增压器 超高压 140 400 增压器, 水炮 2、按射流介质 牛 顿 流 体: 水, 空气； 非牛顿流体: 聚合物 (CMC, PAM), 泥浆。 3、按环境介质 淹 没 射 流: 在水中或其他液体中喷射； 非淹没射流: 水在空气中喷射。,4、按射流水力学特性 稳 定 射 流: 各断面流力特性不随时间变化，仅随位置变化； 不稳定射流: 各断面流力特性不仅随时间变化，且随位置变化。 5、按固壁条件 自 由 射 流: 无固壁限制； 非自由射流: 有固壁约束。 6、按施载方式 连续射流: 开始峰值，后稳低； 冲击射流: 短时峰值； 混合射流：二者之间。 7、按介质相 单相射流：水，PAM+Water； 多相射流：Gas-Liquid, Solid-Liquid.,三、水射流特性与应用 1. 特点（Feature) 优点：1. 水源丰富，成本低； 2. 冷却、灭尘、润滑； 3. 精密切割、切口平整； 4. 水切削、排屑； 5. 工作参数（P、Q）易调； 6. 遥控：危险恶劣环境； 7. 可移动。 缺点：1. 功率消耗大； 2. 水溅、 潮湿; 3. 高压部件: 泵、密封、喷嘴、管、阀寿命.,2. 应用 (Applications) 主要五个方面: 1. 工业切割; 2. 挖掘, 开采, 钻探; 3. 岩石切割掘进; 4. 表面清洗，除垢; 5. 材料破碎。 十多工业部门： 煤炭 石油 矿业 炼油 化工 电力 交通 铁道 船舶 冶金 机械 轻工 土木 建筑 民用 军工 航天 核工 医疗 医学,四、水射流系统与参数 1. 系统组成 （1） 压力源: 高压泵、增压器、水炮等; （2） 执行和控制机构: 阀、管路、喷嘴、传动机构 （3） 工件（靶物)。,2. 射流基本参数,流体参数 射流压力 喷嘴直径 喷嘴型式 射流功率 流速 流量 流体性质 射流反冲力 磨料参数 磨料类型 磨料流量 磨料粒度 混合管直径,工况参数 进给速度 靶距（喷距） 流道数 入射角 切深或切宽 切割体积 比能 靶件参数 靶件强度 靶件硬度 靶件孔隙度 靶件渗透率,1-2 淹没射流结构特性 初始段：轴心速度保持初始速度，Um = U0 基本段：轴心速度小于初始速度，Um U0 等速核：各点速度等于初始速度的区域，Ui = U0 内边界：射流速度保持初始速度的界限，Ux边 = U0 外边界：速度等于零的边界，Ux边 = 0 混合区：内外边界之间的区域。 极 点：射流外边界延伸线的交点，虚拟射流源。,1-3 水射流类型及作用机理 一、射流类型 实际射流可分为三种类型：连续射流（纯水或磨料） 脉冲射流（振动、冲击、水炮） 空化射流（Cavitating Jet) 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 : Pi =V2/2 (1-1) 其中， Pi - 射流冲击滞止压力，MPa； - 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： P0 = CV (1-2) 其中， P0 - 脉冲射流水击压力，MPa； - 射流介质密度，g/cm3； C - 射流流体中的声速，在水中 C1500m/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 ( 2/3) (-3) 其中, P - 空化射流冲击压力，MPa； Pi - 连续射流滞止压力，MPa； - 射流介质中气体含量。 当= 1/6 1/10 时，P = (8.6 124) 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8.6 124倍。,1-4 水射流动力学计算 一、基本方程式 （1）伯努利方程 其中，P - 压力，V- 速度。 （2）连续方程 二、射流速度 V = C (2P/)1/2 （1-7） 其中，V - 射流速度，m/s； C - 流速系数； P - 射流压力，MPa； - 射流介质密度，g/cm3,三、射流流量 Q = VA = (d2 /4) V (1-8) 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. 四、喷嘴直径 当 P - MPa,Q - cm3 /s, - g/cm3 时，喷嘴直径为： 此时喷嘴直径 d 单位为 cm。,五、射流水功率 W = PQ (1-11) 其中，W - 射流水功率，w； Q - 射流流量， cm3 /s； P - 射流压力，MPa。 六、射流冲击力 F = 102Q2/A (1-12) 其中， F -射流冲击力，KN； Q - 射流流量， cm3 /s； - 射流介质密度，g/cm3； A - 喷嘴出口截面积，cm2。,七、射流反推力 T = 0.0445 Q P1/2 (1-13) 其中，T - 射流反推力，N； Q - 射流流量， cm3 /s； P - 射流压力，MPa。 八、管路压力损失 P = 71.24 Q2 / D5 R1/4 (1-14) 其中，P -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。,第二章 石油工程水射流技术 2-1 提高射流井底效率 2-2 新型高效射流研究 2-3 水力和机械联合破岩 2-4 超高压射流基础研究 2-5 旋转射流钻径向水平井 2-6 旋转射流处理近井地层 2-7 高压水射流深穿透射孔 2-8 高压水射流清洗油管除垢,2-1 提高射流在井底工作效率,一、加长喷嘴牙轮钻头 研究淹没非自由钻井射流动力学和井底能量衰减规律，建立了优选井底水力参数的新模式和新程序，解决了喷射钻井长期未解决的一个重要理论问题。,根据该理论成果研制成功加长喷嘴牙轮钻头(第一代钻头)，在相同泵压条件下，井底水功率提高30-40%，井底动压力提高90-110%，压力梯度提高1.5 倍。推广应用3000多只，平均提高钻速20-30%，提高进尺40-50%。,二、组合喷嘴改善井底流场,2-2 新型高效射流 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自振空化射流，研究得出了各参数影响规律，脉动幅度高24%-37%，破岩效果高1-3倍。,喷嘴冲击压力脉动比较 风琴管最好，比锥型喷嘴高24%37%.,冲蚀岩石效果存在最优喷距，S/d = 8 14; 风琴管喷嘴效果最好，冲蚀岩石体积是普通锥形喷嘴的2.3 3.3倍。,自振空化射流钻头,根据该理论成果研制成功的自振脉冲喷嘴钻头（第二代钻头），现场试验300多只，平均机械钻速提高20-60%。,2-3 水力和机械联合破岩,综合利用断裂力学、弹塑性力学和岩石力学的基本原理，建立了水力和机械联合破岩过程中裂纹形成和发展规律的数学模型，实验研究了齿型、射流冲击角和冲击位置、喷射距离等因素对破岩效果的影响规律。研制出的新型水力-机械联合破岩钻头（第三代钻头），正在进行现场实验，预计可提高机械钻速40-50%，提高钻头进尺30-40%。,2-4 超高压射流钻井研究与实验 一、地面全增压钻井 二、超高压双管柱钻井 三、井下增压器钻井,一、地面全增压钻井 70年代初美国开始进行了高压水射流技术用于深井钻井的可行性研究，在地面利用增压器将泥浆泵压力提高至69-103MPa，在5口井深3000米左右的深井中进行钻井试验，机械钻速提高2-3倍，在德克萨斯州进行工业试验时，他们发现当喷嘴压降为69-138MPa时，在中等强度岩石中的机械钻速为21-85m/s，而一般牙轮钻头机械钻速仅为9-25m/s，当喷嘴压降为104MPa时，连续性射流可以冲击破碎70-80%所钻岩石。由于这种技术要求整个泥浆循环系统增压，尽管可以获得较高的机械钻速，但不能在工业上实现，因为当时的泥浆泵、水龙头、钻往、钻头喷嘴均不能可靠地、经济地在高压情况下使用，此外循环系统压力增大也会使作业出现难以想象的危险。,二、超高压双管柱钻井 80年代末，美国Flowdrill公司开发出一种采用双通道钻柱，将超高压液体和常规泥浆同时输送到钻头的新方法。该系统对钻机所用的水龙头、方钻杆、防喷阀、钻杆、钻铤、稳定器、接头及钻头都进行了改进，以使高压液和常规钻井液分别通过各自通道输送到井底，它以1.9-2.5l/s的排量输送超高压泥浆或水，使经过改进的三牙轮钻头上的工作压力为230 Mpa，而常规低压的泥浆流只起井眼稳定和清岩作用。八十年代末该公司开始在德克萨斯州和俄克拉荷马州进行了22口井工业性试验，试验结果表明机械钻速比常规钻井方法的机械钻速提高2.2-3.1倍。,三、井下增压器钻井 1993年，美国 FlowDril 公司开始研究井下超高压射流钻井。 用井下增压器将1/7 1/10的泥浆增压至 240 MPa辅助切割， 经5口井现场试验，机械钻速是普通钻井的1.1 3.5倍。,结 论 超高压射流辅助钻井能够提高机械钻速，缩短钻井周期。 现场实验表明，往复式、增压型超高压井下泵可在井下产生超高压射流，提高机械钻速。 井下超高压泵的密封和可靠性是影响超高压射流钻井的重要问题 。,2-5 高压水射流钻径向水平井,研究新型高效旋转射流，使用特殊设计的造斜器和旋转射流钻头，在老油井中对应生产层位置钻出多个超短半径（0.3米）的径向水平井网，使老井更新、死井复活，有效地开发稠油藏、薄油藏，大幅度提高原油采收率。,一、前 言,水射流破岩钻大连续孔眼必须具备三个基本条件： 一是形成的孔眼要有足够大的面积； 二是形成的孔眼必须具有规则的形状； 三是具有较高的破岩效率和钻进速度。 常规的圆射流不具备这些功能，因此设计利用旋转射流。,二、旋转射流的速度分布,a-无因次喷距x/d=1 b-无因次喷距x/d=3 旋转射流的速度分布明显不同于普通圆射流。它不存在等速核，其上任一点都具有三维速度，即除具有轴向速度（U）外，还具有切向速度（W）和径向速度（V），而且轴向和切向的最大速度都不在射流中心，亦即是存在一个速度最大的环行带。,三、旋转射流的速度衰减规律,旋转射流的速度衰减比普通圆射流快得多，其最大轴向速度和最大切向速度与无因次喷距的关系可用下列两式来表示：,四、旋转射流破岩钻孔特点,旋转射流可以钻出大于喷嘴面积百倍的规则孔眼。并比普通圆射流的破岩效率高得多。旋转射流破岩形成的孔底成规则的内凸锥状，完全与圆射流形成的类半球状或锥状不同。其破岩成孔的过程和孔底形状如左图。,五、旋转射流井底流场分布,上图为平井底物理模型。 下图为凸锥状井底模型。 数值模拟结果表明：旋转射流的高速区集中在离开射流中心一定距离的一个圆环区域内，其中心部位为低速低压区；旋转射流冲击到井底后，一部分沿环空返回，而另一部分则被来流卷吸，形成很强的涡旋；高速区绕凸锥面螺旋前进，孔底部分正好占据了射流底速低压区的区间。,六、旋转射流破岩机理分析,旋转射流破岩机理不同于普通圆射流。它不单纯以冲击、拉伸、水楔作用破岩，而是以剪切破坏为主，并伴有冲蚀、拉伸破坏等多种形式。 1、剪切破碎 利用岩石抗剪、抗拉强度低的特点，依靠旋转射流切向速度对岩石产生剪切破碎，从而大大提高破岩效率。 2、冲蚀破碎 在垂直冲击力和横向流的联合作用下，圆环面积内岩石颗粒的胶结物或层理等弱面首先被冲蚀而脱离母体，射流对圆锥面的冲蚀作用使岩石颗粒迅速离开母体，减少了重复破碎，提高了破岩效率。 3、拉伸破碎 旋转射流冲击井底的同时，对圆锥面产生拉应力， 使岩石更容易产生垂直裂纹，裂纹在水楔作用下产生破碎。 4、旋流磨削 携带着岩屑的返回流沿孔壁旋转返回，象磨粒一样磨削已形成的孔壁，扩大并光滑孔眼，提高了钻孔质量。,结 论,旋转射流具有三维速度，其能量集中在距射流轴心一定距离的圆环上。 旋转射流综合运用剪切、拉伸、冲蚀和磨削等多种形式高效快速地进行破岩。 利用旋转射流在喷嘴直径为6mm、压力为50-60MPa、岩石可钻性3-4级的条件下可以钻出120mm的连续孔眼，机械钻速可达10米/小时。 使用该技术已在辽河、南阳等油田钻出3口超短半径径向水平井，取得了良好的增油效果。 工作压力：50-60MPa 喷嘴直径：6.0 mm 井眼直径：100 mm 井眼长度：10-60 m,2-6 高压旋转水射流处理近井地层增产增注,油水井近井地带孔隙堵塞严重，导致产量下降甚至停产。 处理地层是石油工业稳产增产的重要措施。,现有解堵措施,化学解堵法 向地层注入各种化学解堵剂溶解堵塞物。 成本高，引起二次污染。 物理解堵法 利用各种振动和波的能量解除堵塞，同时降低原油粘度，改善原油流动性。 原理优越，成本低，无二次污染。,首次研究成功了井下自动控制转速的阻尼液阻尼式旋转喷嘴，成功解决了处理地层的喷头旋转和旋转速度控制的关键问题。,在国内外首创了高压旋转自振空化射流处理近井地层新技术，在井下同时产生三种物理作用全方位处理地层，物理法处理地层技术突破性发展。,现场试验和应用,在辽河、胜利、中原等十个油田400多口油井和水井现场实验，平均单井增油幅度20-30%，单井增注幅度30-130%，有效率90%以上，具有工艺简单、成本低、无污染、效果显著等优点。 工作压力：15-30MPa 工作排量：400 l/min 工作介质：清水或处理液 喷嘴直径：3.0 -4.0 mm 处理时间：2-3 hr,2-7 高压水射流深穿透射孔,该技术主要利用高压水射流破岩钻孔的原理，在生产层创造出较大深度的清洁无阻的油气通道，射孔深度达3.0米之多，孔径达14-25毫米，可以有效克服常规钻井、完井和炮弹射孔造成的地层污染，是新井完井、低渗改造的一项有效新技术。 工作压力：50-70 MPa 工作介质：清水或射孔液 喷嘴直径：2.0 -3.0 mm 孔眼直径：14-25 mm 孔眼长度：3 m,2-8 高压水射流清洗钻杆油管 利用高压水射流的水力冲击能量直接清洗钻杆油管内外表面的油泥、污垢、水泥和锈皮等，可实现内外表面同时清洗、通堵和清洗一次完成，水不用加热不用加清洗剂，管柱也不必在池中浸泡蒸煮。 已在华北、胜利、辽河等油田新装或改造多条油管清洗线。仅需一次性设备投资，取代现有化学蒸煮工艺，每年可节约上百万元的燃油和药剂费用。 因此，它与现有油管清洗工艺相比，具有工艺先进、成本低、无污染、通堵和清洗同时进行、不腐蚀管体、易自动控制等优点。 工艺原理如图所示（ygsx)。,第三章 高压水射流工业