（油气井工程专业论文）用于喷射式挖沟机的喷嘴结构及喷嘴组合的研究.pdf

曩 1 i j ：t # s t u d yo n n o z z l ec o n f i g u r a t i o na n d n o z z l eco m b i n a t i o nu s e do nj e tt r e n c h e r at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：w uq i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gy o n g y i n c o l l e g eo f p e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 、 。_ l 一 b ， i # t ， 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：基薹塞日期：。，年f 月髟日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：羞叠 指导教师签名： 日期：劲，年f 月彩日 日期矽i 年j 月1 日 ，p ，l-i l 警 一 摘要 近年来，由于海洋石油事业的蓬勃发展，大量的海底管道需要敷设。水力喷射式开 挖海底管沟因其独特的优点而被广泛关注，水力喷射式海底挖沟具有结构简单、挖沟效 率高、对土层适应性强等优点。 本文在对水射流技术充分调研的基础上，针对喷射式海底挖沟的重要元件一喷嘴 及其所产生的射流，进行数值模拟、室内实验，分析并总结喷嘴形式和喷嘴组合中喷距、 压力、两喷嘴间距、两喷嘴夹角、移动速度等参数对压力场的影响规律。以旋转喷嘴和 锥形喷嘴及其组合作为研究对象，应用f l u e n t 软件，对喷嘴间距离为出口直径的2 、 3 、4 、5 、6 、8 倍，角度为7 、1 0 、1 5 、2 0 、3 0 度的双喷嘴组合分别进行数值模拟。 通过数值模拟揭示了锥形喷嘴射流和旋转射流不同特点，找到了两种喷嘴组合时的 射流交叉影响特点。模拟发现，锥形射流等速核长，而旋转射流速度扩展角大。两种喷 嘴在某些参数组合下会出现射流的临界交叉状态，例如喷嘴间距4 d o ，夹角1 5 。时，此 时速度衰减较少，冲击面积略微增加，是比较理想的组合参数。如果增大喷嘴间距或是 减小夹角，流场之间就没有交叉，这时可以把两流场当作两个独立的流场来看待；反之， 流场交叉程度越来越大，冲击面积降低。找到了两种喷嘴在不同间距和不同夹角时的临 界参数。每个喷嘴间距都有一个与之相对应的夹角使流场处于临界状态。 利用旋转喷嘴与锥形喷嘴所组成的组合喷嘴在实验条件下进行冲击实验，结果表 明，组合射流在破岩深度和破岩体积方面都比单股射流要大，同样的喷距下，组合射流 的破岩宽度比单股射流的破岩深度提高1 2 倍左右。改变两喷嘴间距或夹角会影响冲击 深度。喷嘴间距3 3 d o 时射流的冲蚀深度要大于间距为6 6 d o 时的冲击深度。低速时移动 射流的冲击深度大于定点冲击的深度，实验条件下的速度范围在0 4 m m s 0 9 m m s 是 比较合适的。移动速度越快，会导致冲击深度下降，说明冲击深度主要取决于组合中的 锥形喷嘴。 实验的结果一定程度上反映了数值模拟的有效性，本研究为水力喷射式海底挖沟机 的进一步开发提供了依据。 关键词：喷射式挖沟，旋转喷嘴，喷嘴组合，数值模拟，冲击实验 、f。谚 j l 育 s t u d y o nn o z z l ec o n f i g u r a t i o na n d j n o z z l ec o m b i n a t i o nu s e do nj e tt r e n c h e r ! w u q i a n g ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry a n gy o n g y i n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ef l o u r i s ho fo f f s h o r eo i l ，t h e r ea r em a n ys u b m a r i n ep i p e l i n e st o b el a i d b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i ca d v a n t a g e , t h eu s eo fw a t e rj e tt r e n c h i n gi ns u b m e r g e d c l a y sa t t r a c t se x t e n s i v ea t t e n t i o n , w h i c hh a st h ea d v a n t a g eo fs i m p l es t r u c t u r e 、e f f i c i e n t 、g o o d a d a p t a b i l i t yf o r d i f f e r e n tc l a y se t c b a s e do nf u l l yi n v e s t i g a t i o no fw a t e rj e tt e c h n o l o g y , t h en o z z l ew h i c hi sa ni m p o r t a n t p a r ti nt h et r e n c h i n gi ss t u d i e d t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s ，a n a l y z i n ga n d s u m m a r i z i n gt h er e g u l a r i t yo nt h ei m p a c t i n ge f f e c t sc a u s e db yc h a n g i n gs p r a y i n gd i s t a n c e 、 p r e s s u r e 、d i s t a n c ea n da n g l eb e t w e e nt w on o z z l e s w et a k et h er o t a t i n gn o z z l ea n dc o n e n o z z l ea st h er e s e a r c h i n gt a r g e t u s i n gt h ef l u e n ts o f t w a r e ，s i m u l a t et h ed i s t a n c eb e t w e e n n o z z l e sf r o m2t o8t i m e se x i td i a m e t e ro f t h en o z z l e 。a n dt h ea n g l e7 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，3 0d e g r e e b e t w e e nn o z z l e s d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i ci sf o u n db e t w e e nc o n en o z z l ej e ta n ds w i r l i n gj e tt h r o u g ht h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , a l s ot h ee f f e c tc h a r a c t e r i s t i co ft w oj e t so v e r l a pi sf o u n do u t t h e s i m u l a t i o ns h o w st h a tp o t e n t i a lc o r eo fc o n en o z z l ei sl o n g e rt h a nt h a to fs w i r l i n gn o z z l e , b u t t h ev e l o c i t ya n g l eo fs p r e a do fs w i r l i n gn o z z l ei sb i g g e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ee x i s t s c r i t i c a ls t a t ea ts o m ep a r a m e t e rc o m b i n a t i o n s ，f o re x a m p l ed i s t a n c e12 m ma n da n g l e15 d e g r e e s ，i nw h i c hd e c a yi nv e l o c i t yi sl i t t l ea n di m p a c t i n ga r e ai n c r e a s e s t h e s ec o m b i n a t i o n s a tc r i t i c a ls t a t ea r et a k e na sp e r f e c tr e s u l t s w h e nc r i t i c a ls t a t ea p p e a r s ，i n c r e a s i n gt h ed i s t a n c e o rd e c r e a s i n gt h ea n g l e , t h e r ew i l lb en oo v e r l a p ，t h ef l o wf i e l dc o u l db es e e ni n d e p e n d e n t c o n v e r s e l y , f l o wf i e l do v e r l a pw i l lb es e r i o u s ，d e c a yi nv e l o c i t ya l s ow i l lb ef a s t e r s o m e c r i t i c a lc o m b i n a t i o np a r a m e t e r sa r ef o u n da td i f f e r e n td i s t a n c ea n da n g l eb e t w e e nt h et w o 。n o z z l e s w h e nt h ea n g l ei sl a r g e rt h a nf i f t e e n , i n f l u e n c eb e c o m e ss t r o n g e rw i mt h ea n g l eg e t s l a r g e r , b u tw h e ni ti ss m a l l e rt h a nf i f t e e n , i n f l u e n c eb e c o m e sw e a k e rw i t ht h ea n g l eg e t s s m a l l e r w h e nt h ea n g l eg e t st ot e nd e g r e e s ，t h e r ei sn oi n f l u e n c eb e t w e e nt h et w of l o wf i e l d s ， a tt h i st i m ew ec o u l dt a k et h et w of l o wf i e l da si n d e p e n d e n t f o re v e r yd i s t a n c eb e t w e e nt w o n o z z l e s ，w ec a nf i n dac o r r e s p o n d i n ga n g l et om a k i n gt h ef l o wf i e l db ec r i t i c a ls t a t e - l ! u n d e rt h ee x p e r i m e n t c o n d i t i o n , i m p a c t i n gd e p t ha n dv o l u m eo fc o m b i n a t i o nj e ti sl a r g e r ” t h a nt h a to fs i n g l ej e t a tt h es a m es p r a y i n gd i s t a n c e ，t h ew i d t ho fc o m b i n a t i o n e ti sa b o u t 1 2 t i m e st h a to fs i n g l ej e t c h a n g i n gt h ed i s t a n c eo ra n g l eb e t w e e nn o z z l e sm a k e st h ed e p t h c h a n g e d t h ed e p t hi nt h ec o n d i t i o no fd i s t a n c elo m mi sl a r g e rt h a nt h a to f2 0 m m t h e d e p t l l o fm o v i n gj e ti sl a r g e rt h a nt h a to ff i x e di m p a c t i n gi ft h e v e l o c i t yi ss m a l l i nt h i se x p 幽e 1 1 t t t l ep r o p e rm o v i n gv e l o c i 够i s0 4 m m s - - 。0 9 m m s a l s ow e g e tt h a ti n c r e a s i n gt h em o 痂g v e l o c i t ym a k et h ed e p t hr e d u c e t h ei m p a c t i n gd e p t hm a i n l yd e p e n d s0 nn l ec o n en o z z i e t oac e r t a i ne x t e n tt h e e x p e r i m e n tr e s u l t s r e f l e c tt h ee f f e c t i v e n e s so fn 啪e 打c a l s i m u l a t i o n t h i ss t u d y p r o v i d e ss o m ea r g u m e n t sf o rd e v e l o p i n gw a t e r j e t 锄l c i l i l l gm a c l l i r l c r y i ns u b m e r g e dc l a y s k e y w o r d s ：j e tt r e n c h i n g , r o t a t i n gn o z z l e ，n o z z l ec o m b m a t i o n , h u m e r i c a ls i n m l a t i o n ， i m p a c t i n ge x p e r i m e n t r ； “v l f q i 呵 呜 ， 警 寥 目录 第一章绪论l 1 1 课题的来源及研究意义。l 1 2 研究内容。4 1 3 研究方法4 第二章国内外研究现状。6 2 1 高压水射流技术的研究概况6 2 2 喷射式挖沟技术及设备的研究概况7 2 2 1 浅海挖沟技术概况7 2 2 2 深海挖沟技术概况9 2 - 2 3 未来海底挖沟设备的趋势1 0 第三章单个喷嘴以及组合喷嘴射流流场的数值模拟。1 1 3 1 喷嘴性能对比及优选1 1 3 2 两种射流理论及基本特点1 3 3 2 1 旋转射流13 3 2 2 连续射流15 3 3 喷嘴的几何模型16 3 4 应用计算软件及喷嘴网格化1 9 3 4 1f l u e n t 软件的构成1 9 3 4 2 喷嘴几何模型的网格化1 9 3 5 求解模型的建立2 2 3 5 1 湍流模型的确定2 2 3 5 2 紊流模型2 2 3 5 3 离散方法和控制方程2 3 3 6 设置计算条件和边界条件2 5 3 6 1 计算条件2 5 3 6 2 边界条件2 5 3 6 3 求解控制参数的设定2 6 3 7 单喷嘴及组合喷嘴的数值模拟结果的分析2 7 3 7 1 旋转射流流场的特性2 7 3 7 2 锥形喷嘴和旋转喷嘴射流的数值模拟及结果分析2 8 3 7 3 组合喷嘴数值模拟以及结果分析3 2 本章小结4 5 第四章单喷嘴及组合喷嘴射流的破岩实验研究4 6 4 1 喷嘴的选择和结构参数确定4 6 4 1 1 喷嘴结构设计4 6 4 2 实验设备及岩样4 8 4 3 实验内容及方案5 2 4 3 1 实验内容5 2 4 3 2 实验方案5 2 4 4 实验结果及分析5 3 4 4 1 锥形喷嘴单喷嘴冲击实验5 3 4 4 2 旋转喷嘴单喷嘴冲击实验j 5 4 4 4 3 单喷嘴移动实验5 5 4 4 4 组合喷嘴移动实验。5 9 4 4 5 变倾角的组合喷嘴冲岩实验6 8 本章小结6 9 结论7 0 参考文献7 1 致谢。7 4 0 i 氅 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的来源及研究意义 第一章绪论 v 在经济全球化和国内外石油资源日益匮乏这两大因素的推动下，油气田勘探开发 0不断向海洋发展。海洋油气勘探开发及管道传输等工程与陆地相应的工程复杂、投资 大，需更先进的技术支持。 在海洋石油天然气工业，为了向陆地或储油系统输油气，需要在海底敷设海底管 道。管道埋深不够或直接平铺，管道在使用的过程中会因外载或其他偶然机械因素而 出现变形、断裂和泄漏等现象。因此，合理及高效的挖沟是有效敷设和保护管道的前 提，是海洋油气工程的重要配套环节【1 1 。与此类似的，在海底敷设电缆同样需要挖沟 掩埋。 实际上，对比陆地管道和电缆，海底管道和电缆的敷设条件和对强度的要求都极 为苛刻。海底管道需要敷设在海底，运行环境十分恶劣，不但要受到潮汐、波浪、冲 刷和地震等自然灾害的影响，同时还要受到海底物体的摩擦和有害气体的侵蚀等影响。 比起之前自然灾害更为严重的是，人类在进行海洋活动和生产时对管道和电缆人为造 成的破坏。为了尽可能减少各种恶劣环境对管道造成的危害，管道的合理安全敷设就 显得十分必要。根据敷设的要求，管道和电缆一般需要埋在海底1 - 3 米深度，有的甚 至要求更深，达到了2 , - , - , 4 米，如此一来管道和电缆就可以受到极大的保护，减少很多 自然、人为的损害。这要求我们必须在海底开挖一条合适的沟渠，以用来敷设管道。 目前海底挖沟的种类按挖沟方式分为：喷冲式、链轮式、犁式。后两者以机械挖 沟为主。喷射式海底挖沟，即用高压水射流对海底进行喷冲，实现基础开挖和埋管喷 一 冲。基础开挖和埋管挖沟都采用环境水喷冲方式，工作时产生大流量水流切削基础， _泛起的泥沙由海水稀释带走，形成基坑或管沟。喷冲式挖沟不仅可以进行敷设，还可 以用于对损坏管道的维修，而且海底管道的维修只能采用喷冲式的开挖方式。喷冲式 挖沟对于土壤的适用性也很强，犁式挖沟适合比较软的粘结性泥土，而喷冲式可以适 应软的和硬的粘结性泥土等多种泥土。 在我国大部分海域中，密实的粉砂质细砂、砂质粉砂是海底土层的表面主要的构 成部分，这一层被俗称为“铁板砂 表层的厚度通常很薄。表层土以下的成分则主 第一章绪论 要由粘土质粉砂构成，这是一种细颗粒状的沉积物，在这一层的最上面的部分，粉质 土占主要成分，它的厚度通常会大于五米，在沉积物中，颗粒直径大于0 0 7 5 毫米的 含量较低，大概是占6 7 2 ，直径小于0 0 0 5 毫米是粘粒，它的含量约占6 6 1 ，工 程领域中被称作粉土。世界上各海域都广泛分布着粉土，约占海岸区表面的沉积物的 8 0 。其性质是介于粘性土和砂性土之间的，属于一个过渡的类型，它既不同于粘性 土，同时还有别于砂性土，这种性质的土层非常容易被侵蚀、冲刷，并且还易于液化， 地震或波浪等自然界的能量运动经常会使之液化，导致土层强度降低，出现构筑物失 稳、海底滑坡等自然灾害现象。在我国比较大的河1 2 1 - - - - 角洲区，大量分布着沉积的粉 土层，譬如黄河三角洲的埕北海域，在其表面沉积物成分中，粉土居然占据了9 0 以 上。由于其本身的工程性质很差，因此其对海底管道和海洋平台的稳定性的影响非常 大，同时为喷射式水力挖沟提供了有利条件。 同时，海床沉积物的组成和硬度通常有所区别，因此，不同力学性质的泥质对应 的冲击效率的影响就会不刚2 1 。 水力喷射技术是种新型高效的破岩手段，它与传统的爆破、机械等破岩手段相 比具有许多优点 3 】。 目前，水力喷射技术已经被广泛应用于采煤或移土、石油钻井水力喷射破岩、切 割岩石及金属材料等诸多工程领域，有比较成熟的理论。对于砂性土、粘性土等土质， 采用水力破土是很容易实现的。对于胶结性较差的砂性土，水力喷射的破土效果会比 粘性土更好；对于卵、砾石土，喷嘴定位( 不移动) 冲切时，其破土效率低于粘性土， 但喷嘴移动冲切时，破土效率有所提高 4 1 。 喷射式挖沟机相对于传统的机械式挖沟机具有如下特点：( 1 ) 机构简单，没有活 动部件，安全性高于机械挖沟；( 2 ) 碎石的影响小；( 3 ) 没有部件进入泥土层；( 4 ) 埋 深大；( 5 ) 对土壤类型的适应性强；( 6 ) 挖沟效率高。喷射式挖沟机既可以用来进行海 底管道的基础开挖，又可以作为日常维护和修理的维护设备。 喷射式挖沟机的不足之处在于，冲击效率受泵压的限制，喷嘴的寿命不长，泥土 堵塞堆积等问题。 水力喷射式挖沟技术的核心是利用喷嘴射出的高压水在海底冲出一条管沟，之后 再利用导架把电缆或是管道引进管沟中进行敷设。影响水力喷射式挖沟喷射强度的因 2 争 - q 雹 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 帮素有很多，喷嘴的结构尺寸、轴流泵的喷口和喷射角度都会对喷射出的水流的强度产 爹 生影响，因而需要针对这些影响因素进行优化，以提高冲击效率【5 1 。 射流破土的机理：高压水射流喷射于土体，其动能随即转变成为打击力作用在土 q 。 体上，由此使土体在冲击力作用而破坏。总结一下，作用形式基本上有以下几种q ： ( 1 ) 射流动压力冲击作用。高压水的射流动压力跟流速有着密切的关系，它于流 _ 。 速的平方呈正比关系，超高压泵机组提供的压力越高，高压水的流速也越大，这样也 就可以使动压力变大。所以我们可以说，增加泵机组的压力，可以增加高压射流的动 压力，也就是增加射流对土体的破坏力。 ( 2 ) 射流引起的空化作用。当高压水冲击在土体上时，一些气泡会在压力梯度较 大的区域产生，这些气泡的爆裂对冲击面的土体产生了巨大的脉冲式的冲击力。除此 之外，在这些气泡里，高压射流产生的紊动能非常大，由于气泡的爆裂，流束将会产 生间歇式的冲击束，因为此时是两相流，气体和液体交替的冲击在物体表面，这样的 作用会把强度较小的土壤冲散，由此引发气泡的进一步增大，导致大面积的土体被冲 开。 0 ) 强度疲劳作用。由于超高压泵机组是由多缸活塞泵所组成，每个时间步长内， 压力和流量总是不稳定的，压力和流量是随着活塞的往复的变速运动而波动的，因此 高压水射流就成为了脉冲的运动的射流。如果脉冲的射流连续不断地冲击在土体上， 那么土体表面的颗粒将会承受到脉动负荷，受到这个影响，表面的残余变形会慢慢累 积，直到土体表面颗粒受力失衡，它们将离开土体，这就使整个土体遭受到破坏的作 用。 ( 4 ) 高压射流的水楔作用。当高压射流进入土体，并且占据土体内部空间时，这 时候高压射流会产生反作用力，因此会产生水楔的效果。射流在有利的方向上楔入土 膏 “ 壤的间隙或裂缝等强度较低的部位中，进入之后，高压射流动压力随即变为静压力， 口 这就致使土体薄弱部位从整体上脱落下去，或是会使裂缝加宽，增加进水量，最终导 致土体破坏。 ( 5 ) 水射流的压力作用。到达土体表面的射流能量已经衰减到很低的程度，这个 能量不足以直接破坏土体或是让土体表面的颗粒发生剥落，但是这些射流可以对冲击 范围内的土产生向四周的挤力，这同时也就对旁边的土体起到了压实的作用。 3 第一章绪论 通过多喷嘴结构能够在沙质底部射入大量的水使沙子液态化，有利于后面的割刀 或挖土装置进行深挖沟，还可以防止地不应土层或岩石对割刀装置的破坏，提高了安 全性，同时可以挖出一个能够安置管道的大沟【7 1 。 由此可见，喷嘴是水力射流挖沟技术的关键，射流冲挖能力决定挖沟效果和效率。 因此研究喷嘴结构及其组合，弄清其射流特点，对提高喷射式海底挖沟效率具有重要 意义。 1 2 研究内容 射流喷头是该技术应用时的关键部件。为了提高水力喷射破岩的效率，论文重点 以组合射流为研究对象，优选喷嘴的内部流道。运用c f d ( 计算流体动力学) 理论和实 验揭示组合喷嘴射流的关键参数对冲击压力或冲击效果的影响特点，主要包括喷嘴间 距、喷嘴间夹角和喷嘴移动速度，从而为高效的水力射流破土挖沟的组合喷嘴优选设 计提供基础。 本课题研究的创新性在于：将水射流技术应用在挖沟上，揭示双喷嘴组合结构参 数对射流及其冲击效果的影响规律。为设计适用于冲击泥土的优化组合喷嘴，提高水 射流的冲击效率，为国内的喷射式海底挖沟设备的研发提供可靠的依据。 在学习、借鉴国内外专家学者研究成果的基础上，结合我国喷射海底挖沟设备的 实际情况，具体研究内容如下： ( 1 ) 喷嘴形式及射流性能的对比评价。通过调研，拟选择现有的连续射流、空化 射流、旋转射流等射流所用的喷嘴，进行单个喷嘴的冲击实验，优选冲击效果、冲击 效率较好的喷嘴。 ( 2 ) 喷嘴结构和参数的优选研究。应用f l u e n t 软件模拟研究不同水力参数下喷嘴及 其组合射流特点，揭示组合方式及参数的影响规律。 ( 3 ) 喷嘴优化组合的实验验证。用优选出的喷嘴进行冲击实验，以冲击深度、宽 度为评价标准，评价喷嘴的数量、喷嘴组合的位置以及喷射角度等参数对冲击效果的 影响，从而实际优化喷嘴组合。 1 3 研究方法 4 q 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ? 课题的研究采用理论分析、数值模拟和实验相结合，数值模拟和实验研究为主的 方法。 对于喷嘴形式及射流性能对比评价的研究，借鉴前人的研究成果，根据水射流理 论、工程流体力学的基本知识，使用f l u e n t 软件来进行数值模拟，优选喷嘴结构，运 用a u t o c a d 来设计优化的喷嘴模型，应用机械设计理论为基础，加工制作出实验所 需要的喷嘴。 泥样的制作，根据大量海底土质及强度方面的调研结果，制作与真实泥样强度相 当的泥样，用以冲击实验。 对喷嘴参数的研究，运用流体力学和油气井工程教材所学知识，根据喷嘴压降、 排量、喷嘴出口直径等主要水力参数的关系，确定喷嘴直径和喷嘴压降，为实验所用 喷嘴的加工提供依据。 一 对喷嘴优化组合的研究，通过f l u e n t 数值模拟研究不同水力参数下的射流效果， 得到喷嘴间距离、喷射角度等主要因素与对射流效果的影响。 建立实验方案和实验系统，根据水力挖沟的具体情况确定实验水力参数。以破岩 效果( 破岩体积或深度等) 为衡量指标，通过冲击实验来验证和评价喷嘴组合对冲击效 果的影响；以实验数据为依据进行分析研究，评价优选喷嘴组合。 5 第二章国内外研究现状 第二章国内外研究现状 本章简要介绍高压水射流技术的发展，重点介绍水力射流挖沟技术现状和发展。 2 1 高压水射流技术的研究概况 高压水射流技术包含了流体瞬变流、两相流、射流动力学、矿业机械、空化理论、 材料学、水声学、岩石破碎学等许多与之联系密切的学科，是一项高新技术。因其相 对于常规设备有着许多独特的优点而迅速发展。尤其在最近二十年来，因为系统地深 入研究了水射流技术的理论，再结合大量的实验研究，使得这项技术得以飞速发展和 应用，并且开发出适用于这项技术的新领域和新用途。总的来讲，高压水射流技术已 经应用在石油钻井、机械加工、化工处理、冶金开采、交通、煤炭开采、建筑建材等 能源工程和建筑清洗等工业部门，利用其独特的优势进行破碎岩石、切割、及清洗等 操作。 在油气钻井领域，国内外研究表明，大幅度地提高水射流的压力，实现以水力破 岩为主，机械破岩为辅的钻井方式，可以显著提高深井和超深井的钻井速度。从七十 年代初，外国就已经开始研究超高压钻井技术了。高压水射流被用于辅助机械破岩主 要经历了三个基本发展阶段，即地面全增压、地面部分增压和井下泵增压。 七十年代初，美国m a u r e r 等人就已经开始进行超高压射流的钻井室内实验研究， 他们用地面的增压器将循环泥浆压力增大到6 8 - - 1 0 5 m p a ，地面的水功率达到2 8 0 0 - l1 2 0 0 k w ，实验结果表明，机械钻速可以提高2 - - 3 倍，这也说明超高压射流钻井的 方法可以钻井的大幅度提高机械钻速。到七十年代中期，美国埃克森( e x x o n ) 研究开发 公司协同其他八家公司，开发出一套特殊的高压钻头的实验设备，泵压最高可以达到 9 8m p a ，排量最大可以达到3 8u s 。从喷嘴压降大于破碎岩石所需的最低有效压降开 始，机械钻速可明显地增加，压降值超过最低有效压降越多，机械钻速增加得也越多。 现场的试验说明高压冲击钻头比普通的钻头要快2 - - 3 倍。在1 9 8 8 年，美的f l o w d r i l 公司与g r a c e 钻井公司共同研制开发出了一种叫做双管射流的辅助钻井系统。在这个 系统中，地面增压器把7 的泥浆的压力增大到2 0 7 m p a ，通过系统特有的结构双 管柱系统输至井底。利用这个系统总共进行了2 2 口井的现场试验，共钻进7 4 3 2 m ， 6 q 毫 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 钻速提高了1 4 3 2 倍。1 9 9 4 年，美国的f l o w d r i l 公司和天然气研究所( 6 r i ) 联合开 发研制了第一代井下超高压泵的样机，可以把7 的液流压力增大到2 0 7 m p a ，通过4 1 ：3 井的现场试验表明，钻速可以达到普通钻头的1 1 - 3 5 倍。2 0 0 2 年，美国t e m p r e s s 公司在美国国家能源部资助下，开发研制可以用连续管进行传送的辅助高压射流钻井 工具和井下增压器的技术，这套系统可以把气液两相混合的钻井液进行分离，并且只 对其中的液体部分进行增压，液体经过增压后直接或辅助钻头，达到破碎岩石的目的， 至于高压水射流钻井技术在连续油管欠平衡钻井过程中的应用，还处于试验研究阶段。 中国石油大学沈忠厚等人在上世纪8 0 年代初开始围绕高压水射流技术在石油工 程中的应用这一研究方向，系统地开展高压水射流理论和应用技术研究，研制的加长 喷嘴钻头、超高压射流钻头等取得了良好的应用效果。 中国石油天然气总公司从上世纪9 0 年代初开始立项进行井下增压泵钻井技术研 究，目前也已获得突破性进展，研制的单杠双作用多级增压系统，采用并联回路，利 用部分泥浆动力，结构简单，成本低，寿命长，双流到钻头的输出特性接近美国地面 增压的双管井系统，这项技术成果已获国内外多项发明专利。 近年来，高压水射流技术应用在钻径向水平井中。中国石油大学王瑞和、杨永印 等人在钻径向水平井过程中利用高强度旋转射流喷射钻头，该钻头采用固定式导向叶 轮，在钻头无旋转部件前提下实现射流旋转，通过控制射流旋转程度来满足射流扩展 和钻大直径孔眼的能力。在现场条件下可钻出直径为9 0 11 0 m m 的井眼。 随着高压水射流理论的不断发展，水射流技术将在更多的领域得到应用。 2 2 喷射式挖沟技术及设备的研究概况 2 2 1 浅海挖沟技术概况 在浅海挖沟领域，国外的技术已经相当成熟，并且在挖沟工具和附属设备方面也 已经很完善。我国开展海底挖沟研究的时间较晚，与国外先进的技术还有很大差距， 随着近年来我国海上石油事业的兴起，海底挖沟技术的研究也取得了丰硕的成果。 胜利石油管理局胜利石油化工建设有限责任公司针对埕岛油田滩海地区海域水深 以及水下地质条件和气象条件等一系列因素，采用水力喷射式挖沟技术，成功地在海 底敷设了电缆。水力冲埋式埋设机的工作原理是在埋设机的掘削部装上喷嘴，从喷嘴 7 第二章国内外研究现状 射出高压水在海底冲出一条缆沟，然后通过导架将电缆引导到沟中进行埋设。这种方 法被证明是非常适于渤海湾海域地质条件的。由于我国渤海海域油气储量相对较大， 因此，对水力喷射式挖沟技术的研究对我国油气开采意义重大。在随后的科研中，针 对渤海埕岛滩海油田海域泥沙淤积严重、海水比较浅的特点( 距岸6 - - - 8 k m 内的海水深 度仅为0 8 - 4 米，是名副其实的极浅海) ，胜利石油管理局工程建设一公司研制了驳载 拖橇式滩海海底挖沟敷缆装置。它既能开挖海底管沟，又能敷设海底电缆。从1 9 9 4 年 开始至2 0 0 0 年，应用该装置共挖管沟4 6 条约6 0 k i n ；敷设海底电缆2 3 条约2 8 k m ， 为滩海油田的开发建设做出了突出的贡献。 上海交通大学的船舶与海洋工程学院的连琏等人8 1 ，根据胜利油田独有的滩海地 质情况而设计的喷冲式埋缆系统，这个系统的喷冲方式为滑靴型式，埋设电缆的机组 被主船拖曳前进，基本上用在水深0 8 - 3 0 m 范围的滩海上，地质以硬砂土以及红胶 泥层为主，敷设的电缆直径小于1 5 0i l l l n ，埋深大于或等于2 m 。由于它具有结构简单、 挖沟速度快、埋设深度大等主要优点，可以进一步进行深加工，以便用于深水地区和 埋深要求更高的地区。 海底管道维修挖沟机是国家“8 6 3 计划重大专项渤海大油田勘探开发关键技术所 属专题海底管线修复技术中的一项课题。海洋石油工程股份有限公司裴红英等人，研 制了一种具有双重功能的海底挖沟机这是一种既能进行海底管道维修基础开挖， 又能进行海底管道开沟埋设的具有双重功能的海底挖沟机。该挖沟机提供了两种作业 工况，变换工况时只需调换喷口、装拆艏艉延伸撬体和导向滑轮组件即可，其他主要 设备不需作任何改动。这项课题也填补了我国海底挖沟及维修设备的空白。 武汉水利电力大学朱劲木等人与厂方共同研制了多功能射流挖泥船【9 1 。该挖泥船 具有水下吹沙及泥沙水下输送、水下吸沙、泥沙水面输送、反冲自救等方面的功能。 并在菲律宾共和国的宾加水库进行了现场试验，试验结果与设计计算数值基本吻合， 证明可以用于实际工程。 我国海军某部队在演戏中总结经验，科研人员废寝忘食的攻关海底电缆埋设设备， 自主研发了h m 一1 5 0 型水喷式海缆埋设系统、h m - 2 5 0 型水喷式海缆埋设系统、t s p 呻0 1 型自走式海缆埋设系统，频频填补国内空白，同时也保证了战争“神经 的畅 通。 8 镰 t i l - k 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 浅水挖沟技术中，泵压一般不超过3 m p a ，泵流量与喷嘴数量有关。 2 2 2 深海挖沟技术概况 一 世界现有的深水铺管船，以挪威的s t o l to f f s h o r e 公司研制的l b 2 0 0 半潜式铺管 船和意大利的s a i p e m 公司开发的c a s t o r os e i 大型半潜式铺管船最具代表性。其中 l b 2 0 0 是全球最大的半潜式铺管船之一，许多难度很高的铺管作业被这艘技术性能全 面的船完成，并且是在极其恶劣的工况下完成的，到目前为止，世界最长管道的铺设 记录依然由它所保持。除此之外，铺管船所用的张紧器、a & r 收放绞车、管道输送系 统等附属设备也都达到了很高的技术水平。 我国目前的铺管船大多从外国引进，再对其中某些部分进行局部改造。这其中的 主要代表有：滨海1 0 6 起重铺管船、滨海1 0 9 起重铺管船、蓝疆号起重铺管船。总体 来讲上述的铺管船的性能水平与l b 2 0 0 这些高端产品有很大的差距，大多都是侧边式 铺管船，他们的焊接作业线都安排在铺管船的一边，这仅仅能够满足于浅水中铺管。 至今，我国依然没有能力进行设计和制造深水铺管船。 国外海底挖沟技术的研究开展比较早，技术已经相当完善，无论是深海作业还是 浅海作业，都已经形成成熟的技术，而且开发了各种附属设备，成功应用于海底作业。 发达国家的海底挖沟机主要可以分为三种，第一种是铧犁式挖沟机，当进行海底 挖沟作业时，挖沟机是由拖船来拖拽的，这是可以应用在深水海域施工的。第二种是 自行式水下挖沟机( 通常称为遥控操作装置r o y ) ，可以分为履带式和夹持钢管行走式 两种，大多时候可以根据土壤的不同来配备合适的挖沟器具( 如斗轮、链斗、射水、绞 刀等，或他们的合适组合) 。第三种则是冲埋式水下挖沟机，这是是靠高压水射流冲 刷海底形成管沟的。 s m d 公司开发设计了一系列的海底爬行设备，可以在海底完成大量的高难度的工 作。既可以进行沟渠的开挖，也可以用来管道的日常维护。可以在极软、极硬、非常 紧的链索结的地况中挖到3 米深。 早在1 9 8 5 年美国人林奇设计的具有逐步分割工具的可以同时开沟和铺管的海底 挖沟机就在中国申请了专利。该挖沟机能同时进行挖沟和把管道埋于刚挖的沟里的功 能。 深水射流挖沟技术中，泵压最高为3 0 m p a ，排量最高为2 m 3 s 。、 9 第二章国内外研究现状 坐落于德克萨斯农工大学的美国著名的c d s 实验室从1 9 6 8 年建设之日起，为全 世界提供了大量的信息和技术服务，给全世界带来了巨大的商业影响，目前已经为美 国创造了l o 亿美元的工业产值。 2 2 3 未来海底挖沟设备的趋势 我国南海地区蕴藏丰富的石油资源，最大作业水深将达3 0 0 0 m 。所以亟待开发深 水作业的设备，海底管道就是海上油气资源的生命线，关系到我国的油气资源的安全 输送与保障问题，对于深水油气田的开发和建设来讲，海底管道是一个非常重要的组 成部分，须采用深水铺管作业船及船载铺管设备进行安装。现今的我国，尚不具备深 水工程作业船舶设计的能力，对于深海的海底管道敷设技术研究也是刚开始，以目前 的工程设计能力、设备的状况和作业的能力，还不能够满足我国对深海油气资源开发 的战略发展要求。 将来的石油资源会越来越多的来自于海洋，所以对海洋油气田开采的配套设备的 研制开发是今后工作的重心。由于深水海底管道的敷设技术达不到要求的现状，对于 这个技术的进一步研究和新产品的