《1 水射流技术发展简况》
1 水射流技术发展简况
19世纪中叶, 在北美洲第一次用水射流开采非固结的矿床
《2 提高钻井射流在井底工作效率》
2 提高钻井射流在井底工作效率
自20世纪50年代喷射钻井问世以来, 石油钻井的速度和质量大幅度提高。从实践中人们认识到提高射流在井底的压力和水功率, 可以有效提高钻井速度, 而通常是采用提高地面泥浆泵的压力和功率来实现的。这就带来泥浆泵体积过大、地面柴油机功率增大和钻机搬家运移困难等不利因素, 不仅增大了设备投入, 而且增大了日常的燃料费用。为此, 钻井工程界早已提出在不增加地面泥浆泵压力和功率条件下如何提高射流在井底工作效率的研究课题。钻井射流属复杂的淹没非自由射流, 由于其约束条件复杂, 国内外专家研究较少。目前射流理论中, 尚未见到淹没非自由射流流动规律的系统报导。
《2.1淹没非自由射流轴心压力衰减规律》
2.1淹没非自由射流轴心压力衰减规律
射流喷速和喷嘴直径大小是影响轴心压力衰减最主要的因素。分别对不同喷速和不同喷嘴直径的淹没非自由射流轴心压力的衰减规律进行了实验研究
式中: Pm—射流轴心压力, 105 Pa;P0—喷嘴出口压力, 105 Pa;L—喷距, mm;L1—等速核长度, mm;L0.5—半衰距, mm。
《图1》

Fig.1 Jet centerline pressure attenuation for conical nozzles with crossflow
《2.2喷射钻井水力参数设计新方法》
2.2喷射钻井水力参数设计新方法
由公式 (1) 进一步可以推导出钻井射流到达井底岩面各水力参数的计算模型。
传统的喷射钻井水力设计理论和方法, 是由喷射钻井奠基人H.A Kendall和W C Goins在1960年按钻头喷嘴出口处获最大功率、最大冲击力或最大喷速而建立的
《2.3研制新型加长喷嘴牙轮钻头, 提高射流在井底的动压力和水功率》
2.3研制新型加长喷嘴牙轮钻头, 提高射流在井底的动压力和水功率
由前面理论分析可以看出, 如将喷距缩短至射流等速核以内, 可以最大限度地提高井底的动压力和水功率。现有牙轮钻头喷嘴出口距井底的距离为135~175 mm (81/2″~123/4″钻头) , 如缩短至45~60mm, 其井底的压力可提高90%~110%, 井底水功率可提高30%~35%, 井底压力梯度可提高1.5倍以上。据此研制的加长喷嘴牙轮钻头, 在胜利、大庆、辽河、中原、塔里木等13个油田大面积使用, 平均机械钻速提高25%~30%, 平均钻头进尺提高35%~40%, 已使用3 000余只钻头, 获显著经济效益。
《3 自振新型射流理论及应用》
3 自振新型射流理论及应用
自激振动射流是20世纪80年代出现的一种新型射流, 它是利用流体自激振动原理, 将普通连续射流转变为断续的涡环流, 涡环中心压力低, 易于引发“空化现象”。这种射流有利于破碎岩石和表面清洗, 是一种有发展前途的新型射流
《3.1谐振腔基本关系式和结构数学模型》
3.1谐振腔基本关系式和结构数学模型
根据瞬态流理论和水声学原理, 当流体通过各种类型的谐振腔出口收缩断面时产生压力激动, 这种压力激动反射回入口处与来流的压力脉动叠加形成驻波, 当激振频率与射流本身的固有频率匹配时产生共振, 使射流变成断续的涡环流, 从而产生空化。图2是两种谐振腔自振喷嘴结构示意图。应用瞬态流理论和水声学原理推导得出两种自振喷嘴谐振腔的基本关系式和结构数学模型
风琴管谐振腔的基本关系式和结构数学模型为:
式中:
KN—模数系数, 无因次;
N—腔室内振动的模数 (N=1, 2, 3, ……) , 无因次;
Ma—马赫数=u/c*, 无因次;
u—喷嘴出口流速, m/s;
C*—液体中的声速, m/s;
Sd—Strouhal数, 无因次;
L—风琴管长度, mm;
d—风琴管出口直径, mm;
D—风琴管直径, mm;
Ds—风琴管进口来流直径, mm。
亥姆霍兹谐振腔的基本关系式和结构数学模型为:
式中各符号代表意义如图2所示。
《3.2自激振动射流压力脉动特性和破岩效果》
3.2自激振动射流压力脉动特性和破岩效果
在实验室测量了自振射流的压力脉动特性, 通过数据处理, 可计算出脉动压力最大峰值、脉动压力最小峰值、时均压力和脉动幅度。调制的自振射流最大峰值压力比时均压力高40%, 比普通连续射流高37%。
破岩试验采用通用的“标准冲蚀试件法”。标准试件采用人造均质砂岩。图3是3种风琴管喷嘴和120°锥形喷嘴在相同泵压下的体积冲蚀速度比较。从图中不难看出, 在试验范围内最优喷距约为喷嘴出口直径的8~12倍, 风琴管喷嘴最大体积冲蚀速度是120°锥形喷嘴的2.3~3.3倍。
《图3》

Fig.3 Comparison rock erosion rate between self-resonating nozzles conical nozzle
《3.3自激振动射流在石油钻井和采油中的应用》
3.3自激振动射流在石油钻井和采油中的应用
应用上述理论调制的自激振动射流用于钻井和采油生产, 开发出若干有实用价值的新技术, 获得了显著经济效益。如:a.将自振射流用于钻井, 研制出自激振动射流钻头, 平均机械钻速提高35%
《4 射流结合机械破岩技术》
4 射流结合机械破岩技术
把射流射向井底岩石的着落点, 尽可能靠近机械齿的前缘或者后缘, 当机械齿破岩在岩石内部产生裂纹, 射流随即进入裂纹延伸和扩张裂纹, 加速岩石破坏。由于岩石的抗拉强度远低于抗压强度, 故射流所需压力也较低。
水射流结合机械齿破岩效果, 主要取决于2个因素:第一, 射流射向井底岩石的着落点, 应该尽可能靠近机械齿的前缘或后缘, 其最大距离不得大于2 mm;第二, 射流倾斜角应与裂纹的倾斜角一致, 以使射流能顺利进入裂纹。关于岩石在双向外载荷条件下裂纹的形成和发展规律研究较少, 尚未见报导。
《4.1钻井双向外载作用下, 岩石裂纹的产生和扩展模型》
4.1钻井双向外载作用下, 岩石裂纹的产生和扩展模型
在石油钻井中, 钻头牙齿的运动是由一个直线运动和一个旋转运动组成的复合运动, 相应的钻头牙齿施加于岩石的力为垂直压应力和水平切削力。由此, 将钻井岩石的力学特征简化成如下模型
根据Griffith理论, 椭圆形裂纹尖端最易产生应力集中, 推导出裂纹尖端处拉应力大小及发生最大拉应力的裂纹方向。考虑到岩石各向异性及施载方式的影响, 在岩石破碎中引入系数α1和α2, 则在钻头牙齿双向应力作用下, 岩石裂纹产生及扩展的可能方向为:
α1和α2系数与岩石类型、施载方式和齿型等有关, 由实验确定。当岩石为各向同性, 忽略施载方式影响, 齿形采用类弧棱齿和PDC齿, 可认为α1=α2=0.5。
以上理论模型, 在实验室用较均质红砂岩和黄砂岩, 钻头采用常用的类弧棱齿和PDC齿, 加压和旋转较平稳, 在钻压、转速和排量变更条件下, 检验理论模型计算的β0和实验所得θ0十分接近, 证明理论模型是正确的
《4.2研制机械及射流联合破岩钻头》
4.2研制机械及射流联合破岩钻头
应用上述理论, 研制了射流结合机械齿破岩钻头, 该钻头在南阳油田试验成功, 平均机械钻速提高25%~32%。射流结合机械破岩裂纹发展方向模型不仅可用于石油钻头, 而且可用于采煤、金属矿山、巷道掘进等工程中。
《5 高压旋转射流钻径向水平井技术》
5 高压旋转射流钻径向水平井技术
高压水射流钻径向水平井技术是利用高压旋转水射流直接破碎岩石, 在直井内转向90°向周围辐射钻出若干水平井眼群的一种新技术
《图5》

Fig.5 Schematic of radial horizontal welldrilling with high pressure water jets
1—套管;2—锚定卡瓦;3—斜向器;4—高压水5—高压管柱;6—井眼扩大区;7—径向水平井眼;8—油气层;9—射流钻头
《6 前景展望》
6 前景展望
20年来, 作者将水射流技术应用于石油工程, 把水射流技术与石油工程相结合, 做出了初步成绩, 使水射流技术表现出强大的生命力。展望未来前景有以下几点看法:
1) 开展高压和超高压射流 (150~200 MPa) 动力学及辅助机械破岩机理研究, 为今后研究高压和超高压射流辅助机械破岩新钻井方法提供理论基础。这种新钻井方法是近10年国际钻井界努力追求的目标, 是钻井工程研究的前沿重大课题, 它可以从根本上解决深井和超深井的钻井速度。预计深井钻井速度可提高1倍以上。
2) 开展高温高压条件下空化射流“空泡”的起始、成长和破灭机理研究。根据理论计算, 空化射流“空泡”爆破时的瞬时压力约为连续射流滞止压力的8~124倍。将这样高的瞬时压力用于井底破碎岩石、处理油层、开拓新的油流通道和裂缝, 将会开发出若干提高钻井速度、增加原油产量和注水量的新技术。
3) 推广应用高压水射流钻径向水平井技术和高压水射流深穿透无污染射孔技术, 将会有效地开采剩余油和提高原油单井产量, 进而提高原油采收率。
4) 综合应用空化射流、高压水射流钻径向水平井和高压水射流深穿透射孔新技术, 可能找到开采低渗油气藏、薄油层和裂缝性油气藏的有效技术。目前我国已探明低渗油藏的储量约50×108 t, 占总探明储量的25%~30%, 因无有效开采技术而不能投入开发, 这是一项急待解决的重大难题。
5) 发展的高压水射流破岩理论, 不仅可用于石油钻井和油气开采, 而且可用于采煤、金属矿山、巷道掘进、地铁及隧道工程, 提高钻掘速度, 降低钻掘成本, 具有广阔应用前景。