【正文】 11 噴射導(dǎo) 管管串示意圖 噴射下導(dǎo)管技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為： a) 噴 射下導(dǎo)管技術(shù)可在鉆進(jìn)的同時(shí)下導(dǎo)管，解決了深水表層鉆孔后下導(dǎo)管不容易下入的難題。 b) 噴射下導(dǎo)管技術(shù)采用一開二眼技術(shù)，一開和二開采用同一套鉆具組合，省去了一趟起下鉆時(shí)間，可節(jié)約鉆井時(shí)間，對(duì)于日花費(fèi)上百萬美元的深水鉆井來說，效益可觀。 c) 噴射下導(dǎo)管作業(yè)結(jié)束后無需固井，可避免因水泥漿密度過大而壓破地層 , 避免了固井時(shí)井漏問題，同時(shí)可避免低溫等因素影響固 井質(zhì)量而造成井口下沉 [5]。 噴射下導(dǎo)管的發(fā)展歷程 [2]如下： 前言 3 噴射歷史可以追溯到在美國墨西哥灣在 1960 年的第一個(gè)浮動(dòng)鉆井平臺(tái) （由 殼牌石油有限公司 開發(fā)）， Minton 描述了在該平臺(tái)上 結(jié)構(gòu)套管的安裝過程 。一個(gè)長度為 291/2英寸，壁厚為 英寸的導(dǎo)管通過 組合驅(qū)動(dòng)器噴射過程 在海底進(jìn)行安裝。導(dǎo)管由 3 英尺沖程的 J 型開縫工具 連接到 噴射組合鉆具 ，這使得 入噴射組合鉆具 可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 噴射組合鉆具 由 51/2 英寸鉆桿，兩個(gè) 22 英寸的 含鉛 鉆鋌 組成。它重達(dá) 60000 磅，對(duì)海底沉積物施加沖擊力及額外刺穿重量。圖 12 給出了了該組合的示意圖。噴射接頭（不帶鉆頭及馬達(dá)）產(chǎn)生射流，鉆井液攜帶巖屑經(jīng)過導(dǎo)管外部 返回 。圖 13 描繪了這一過程 ，由圖可知鉆井液及巖屑被沖壓到導(dǎo)管外的泥線上。 Minton 提到這一事實(shí)：即使是在浮式鉆井的早期，噴射下導(dǎo)管已經(jīng)成為一個(gè)考慮因素。 圖 12 最初的噴射組合示意圖 圖 13 最初噴射過程 19 世紀(jì) 70 年代，諸如 容積式泥漿馬達(dá)和井口頭下入工具 的發(fā)展使得噴射技術(shù)得以發(fā)展。井口工具的接口使得噴射由原來的由導(dǎo)管外返回轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪?dǎo)管內(nèi)返回，這一結(jié)果前言 4 使得土層擾動(dòng)量減少。 容積式泥漿馬達(dá) 使得鉆頭在噴射導(dǎo)管中的旋轉(zhuǎn)及沉積巖更有效的破碎、 流態(tài)化 成為可能。 噴射技術(shù)傳播到全世界其它 海域 。 Salies ， Nogueira 以及 Evandro 發(fā)表聲明： 巴西石油公司 于 1993 年開始在 坎普斯盆地 進(jìn)行 30 英寸導(dǎo)管的噴射下導(dǎo)管。在 20 世紀(jì) 90年代中期到后期，?？松梨诠镜淖庸緦娚涓拍顐鞯椒侵尬鞑繃野哺缋?，尼日利亞及剛果。在特立尼達(dá)拉島，加拿大，澳大利亞及西南亞的深水盆地，運(yùn)營商都采用了噴射下導(dǎo)管作為首選的安裝方法。圖 14 顯示了目前噴射的基本過程。井底鉆具組合由鉆頭、泥漿馬達(dá)及其它部分組成，它在導(dǎo)管內(nèi)部，并與井口下入工具相連。這一混合組合下入到泥線。導(dǎo)管通過自身重量刺穿泥線沉積巖層，泥漿馬達(dá)產(chǎn)生鉆井 液循環(huán)來提供水力沖洗以及鉆頭旋轉(zhuǎn)。這一過程之所以叫“射流”是因?yàn)槌练e物沿導(dǎo)管進(jìn)行水力沖洗。因?yàn)殂@進(jìn)或者沖洗的區(qū)域比導(dǎo)管外徑小，導(dǎo)管通過施加在地層上的自重?cái)D壓進(jìn)入比自身小的鉆孔中。被水力沖擊而破碎松散的巖屑及沉積物通過導(dǎo)管環(huán)空上行通過噴射井底鉆具組合。環(huán)空中的沉積物經(jīng)過井口裝置及井口下入工具的接口進(jìn)入海洋。 圖 14 目前噴射下入表層導(dǎo)管示意圖 前言 5 國內(nèi)外研究概況 PDC 鉆頭射流流動(dòng)模擬研究現(xiàn)狀 井底流場(chǎng)數(shù)值模擬研究的現(xiàn)狀 [6]如下： 鉆頭井底流場(chǎng)是指以井底面為基礎(chǔ)，向上至均勻環(huán)空流場(chǎng) 為止的空間流場(chǎng)。由于鉆頭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，鉆頭在井底工作時(shí)多噴嘴撞擊射流在井底的液流流動(dòng)規(guī)律十分復(fù)雜，使得人們?cè)谶M(jìn)一步深入了解井底流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和液流流動(dòng)特性方面從認(rèn)識(shí)手段上還存在著一定的困難。以往對(duì)這一問題的研究中，主要采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，并且取得了不少的實(shí)驗(yàn)研究成果。但由于目前流體實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)和流場(chǎng)顯示技術(shù)的限制，致使人們利用實(shí)驗(yàn)研究井底流場(chǎng)，只能得到有限條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，無論是流場(chǎng)研究、壓力場(chǎng)研究，還是速度場(chǎng)研究、排屑能力研究，所得結(jié)果均比較粗糙、簡單，并且沒有定量化、規(guī)律化和預(yù)見能力，因而不能有效地用于新型 鉆頭設(shè)計(jì)和產(chǎn)品評(píng)價(jià)。 為了發(fā)展有預(yù)見性的定量化井底流場(chǎng)研究技術(shù)，人們將目光轉(zhuǎn)向了井底流場(chǎng)的數(shù)值模擬方向。至今為止，國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)進(jìn)行了這方面的工作 :休斯公司、 Smith 公司、克里斯坦森、挪威國家流體研究所、中國石油大學(xué)和西南石油學(xué)院等。所用方法主要有三大類 :一是根據(jù) NS 方程編制令用軟件 (如休斯的牙輪鉆頭流場(chǎng)模擬、中國石油大學(xué)PDC 鉆頭井底流場(chǎng)的數(shù)值模擬 [7]； 二是用通用流體力學(xué)軟件建立三維實(shí)體模型進(jìn)行解算，其實(shí)質(zhì)仍為 NS 方程的數(shù)值解 (如 Christanson 的 PDC 鉆頭流道設(shè)計(jì)，挪威國家研究所的鉆頭流場(chǎng) ，中國石油大學(xué)、西南石油學(xué)院牙輪鉆頭井底流場(chǎng) [8]等 )； 三是采用近似方法，如西南石油學(xué)院的井底漫流 流 場(chǎng)研究。 射流應(yīng)用在噴射下導(dǎo)管技術(shù)研究現(xiàn)狀 在國外自 19 世紀(jì) 60 年代開始得到發(fā)展，殼牌公司、 巴西石油公司 、?？松梨诠镜戎揪M(jìn)行探索研究，早期 的 研究內(nèi)容主要集中在噴射下導(dǎo)管的設(shè)計(jì) 以 及施工上 [2,4]。國內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究起步較晚，現(xiàn)有的研究方向?yàn)榫斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [9]、力 學(xué) 分析[1012]、下入深度確定 [13,14]等。射流基本理論 6 第 2 章 射流 基本理論 射流概念 流體從小孔、 噴嘴或者管道進(jìn)入較大 的空間，繼續(xù)擴(kuò)散流動(dòng)，形成射流。此空間的介質(zhì) 可以是流動(dòng)的，也可以是靜止的。 射流的基本特點(diǎn)：射流對(duì)周圍流體有強(qiáng)烈的卷吸作用，使得射流寬度沿流動(dòng)方向不斷增加，卻遠(yuǎn)小于射流長度。在射流中垂直于流動(dòng)方向的速度梯度遠(yuǎn)大于沿流動(dòng)方向的速度梯度。 在射流的外邊界上，即間斷面上，射流與周圍介質(zhì)相互作用將產(chǎn)生極不穩(wěn)定的旋渦，其旋渦的運(yùn)動(dòng)可以是沿著橫向的，也可以是沿著縱向的。而這些旋渦有大尺度的，也有小尺度的，大尺度的旋渦運(yùn)輸能量，小尺度的旋渦耗散能量。這些大大小小的旋渦運(yùn)動(dòng)和分布都是雜亂無章的、隨機(jī)的。射流的內(nèi)邊界和外邊界 之間的區(qū)域?yàn)檫吔鐚?。在邊界層?nèi)由于旋渦的運(yùn)動(dòng)使流體質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生質(zhì)量、動(dòng)量交換及溫度交換。交換的結(jié)果是 :在射流邊界層內(nèi)產(chǎn)生沿橫的時(shí)均速度，沿射流的軸向也將產(chǎn)生時(shí)均速度的變化。射流邊界層橫向?qū)挾确Q為射流邊界層厚度，其值 等 2b，如圖 21 所示。 圖 21 表示了主射流從噴嘴中流出到另一射流中的情況 (伴隨射流 )。從噴嘴射出的主射流起始速度為 0u ，次射流的速度為 1u ,0u 大于 1u 。在 CAC39。錐形區(qū)域的射流速度等于噴嘴出口的速度 0u 。此區(qū)稱為核心區(qū) (等速核 )，區(qū)內(nèi)的流動(dòng)為有勢(shì)流。 CA 為射流的內(nèi)邊界， CBDF 為射流的外邊界。內(nèi)外邊界之間的空間區(qū)域?yàn)檫吔鐚?。在射流的起始?噴嘴的出口處 )的厚度等于零，即 b=0。隨著噴距的增加射流邊界層的厚度 (2b)增加。絕大多數(shù)的射流是紊流射流。由于具有紊動(dòng)性，射流不斷地卷吸周圍的流體，使外邊界CBDF 隨時(shí)間上下波動(dòng)，但在宏觀上可以近似認(rèn)為一條射 線。 射流基本理論 7 圖 21 射流結(jié)構(gòu)示意圖 射流的幾何結(jié)構(gòu)如上圖所示，可分為初始段、過渡段和基本段。 初始段 :由噴嘴出口至等速核 斷面之間的射流區(qū)域稱為射流的初始段。該段的核心區(qū)內(nèi)的速度等于噴嘴出口的速度 u0，為有勢(shì)流，各點(diǎn)的速度大小、方向均相同。射流的內(nèi)邊界和外邊界之間的區(qū)域?yàn)榧羟袑踊蚍Q為邊界層。在剪切層內(nèi)存在速度梯度，因而產(chǎn)生雷諾應(yīng)力。在此區(qū)內(nèi)隨著噴距的增加核心區(qū)逐漸減少，最后消失。過渡段由此斷面開始。 過渡段 :從等速核消失的 BB39。斷面至 DD’ 斷面之間的區(qū)域稱為過渡段。 BD 線不是 射線，而是由 CB 射線過渡到 DF射線的過渡線。在過渡段中的流動(dòng)情況極為復(fù)雜，但是 這段區(qū)域較短 ，在射流計(jì)算中通常忽略不計(jì)。過渡段末的斷面稱為轉(zhuǎn)折斷面，也是基本 段的開始。 基本段 :轉(zhuǎn)折斷面以后的區(qū)段稱為基本段。在該段中射流的紊動(dòng)特性充分地表現(xiàn)出來。 射流極點(diǎn) :射流基本段的外邊界射線的交點(diǎn)。為極點(diǎn)，在由極點(diǎn)發(fā)出的射線上各流體質(zhì)點(diǎn)的時(shí)均速度相等，稱為等速線 (等值線 )。極點(diǎn)可能在噴嘴內(nèi)部，也可能在噴嘴的外部，與噴嘴內(nèi)流道的幾何參數(shù) (尺寸 )有關(guān)。 射流基本理論 8 射流技術(shù)的發(fā)展概況 19 世紀(jì)中葉，在北美洲第一次使用射流開采非固結(jié)的礦床。本世紀(jì) 50 年代初 前蘇聯(lián)和中國利用射流進(jìn)行采煤 (稱為水力采煤 )。隨著水力采煤技術(shù)的推廣，人們認(rèn)識(shí)到提高水的壓力和適當(dāng)減小噴嘴直徑可以顯著地提高射流落煤效果。于是人們開始研究較高壓力的壓力源 (高壓泵和增壓器 )及高壓脈沖射流 (俗稱水炮 )。進(jìn)人 60 年代，大批高壓柱塞泵和增壓器的問世大大推動(dòng)了射流技術(shù)的研究工作。當(dāng)時(shí)，部分學(xué)者片面認(rèn)為射流的壓力越高越好。日本研究出 1900MPa 的增壓器，前蘇聯(lián)和美國研究出 5600MPa 的脈沖射流發(fā)生器。到 70 年代末，射流技術(shù)出現(xiàn)了一個(gè)新的動(dòng)向，即從單一提高射流壓力轉(zhuǎn)向研究如何提高射流的威力。開始出現(xiàn) 了高頻沖擊射流、共振射流和磨料射流，這些射流的水壓并不算太高，但它們的威力卻大大高于同樣壓力下的普通連續(xù)射流。 20世紀(jì) 80 年代后，為提高射流的總體沖擊效果，相繼出現(xiàn)了以脈沖射流、空化射流和磨料射流等為代表的高效射流。不同的射流方式有其各自的特點(diǎn)和應(yīng)用。脈沖射流是以脈沖的形式將射流作用在靶體上，主要有阻斷式、激勵(lì)式和擠出沖擊式。它能充分利用水錘效應(yīng)，使作用在靶物上的作用力增大，便于材料的破壞裂紋迅速擴(kuò)散。脈沖射流在靶物表面產(chǎn)牛的沖擊力會(huì)大大的超過了一般連續(xù)射流的滯止壓力，從而非常顯著地提高了射流的切割、破碎能 力。而在 20 世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來的空化射流技術(shù)，則是一種利用空化破壞能量的成功嘗試?？栈淞魇侵冈趶膰娮斐鰜淼纳淞鲀?nèi)人為地誘發(fā)空泡初生，適度地控制噴嘴出口截面與靶物表面之間的距離，使空泡在運(yùn)動(dòng)過程中長大，并使空泡在射流沖擊靶物表面的滯止壓力作用下潰滅?？栈淞髟谙嗤脡汉土髁織l件下，清洗與切割效果大大優(yōu)于普通射流。目前，空化射流理論及應(yīng)用研究異?；钴S，已發(fā)展到深水切割、航天、航空和核反應(yīng)堆等的清洗，以及利用空化射流空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的復(fù)雜物理、化學(xué)效應(yīng)進(jìn)行污水處理。在切割作業(yè)當(dāng)中，如果采用高壓純射流來切割鋼材和鋼筋混凝七等材料，需要約 700～ 1000MPa 的極高壓力。然而在較低壓力下，磨料射流就能有效地完成上述切割作業(yè)。磨料射流是將一定數(shù)量的磨料與高壓水互相混合而形成的液固兩相射流。高壓水的部分動(dòng)能傳遞給磨料，從而把射流對(duì)靶體的持續(xù)作用變?yōu)槟チ狭Ｗ恿鲗?duì)靶體的高頻沖擊、磨削作用，從而大大地提高了射流的品質(zhì)和工作效率。由于磨料射流成本低，切割效率比相同條件下的射流高 8～ 10 倍，因此，磨料射流一問世，便在清洗、除銹、切割和破巖等作業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，各國學(xué)者也開始對(duì)各種射流的基礎(chǔ)理論和切割機(jī)理等方面進(jìn)行研究。 射流技術(shù)的應(yīng)用范圍也由采礦工業(yè)擴(kuò)大到航空、建筑、建材、交通運(yùn)輸、市政建設(shè)、化工、機(jī)械、輕工業(yè)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。射流作為一種良好的切割、破碎和清洗垢的工具，已被人們所公認(rèn)，一大批射流切割機(jī)、采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、打樁機(jī)和不同用途、不同形式的清洗機(jī)已投人市場(chǎng)。 中國射流技術(shù)的研究是從本世紀(jì) 70 年代開始的，最初主要是在煤炭部門研究和應(yīng)射流基本理論 9 用，以后逐漸發(fā)展到石油、冶金、航空、化工、建筑、機(jī)械、市政建設(shè)和交通等領(lǐng)域。經(jīng)過 20 多年的研究和實(shí)踐，取得很大進(jìn)展，開發(fā)出了一批新技術(shù)和新產(chǎn)品，有的在國際上還處于先進(jìn)水平。我國從 1979 年開 始每兩年召開一次全國射流技術(shù)討論會(huì)，至今已舉行 8 次，并出版了《高壓射流》雜志。 1987 年在北京還組織召開了第一屆環(huán)太平洋國際射流會(huì)議。 1995 年成立了中國勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)射流技術(shù)專業(yè)委員會(huì)。為發(fā)展我國射流技術(shù)起到了巨大的推動(dòng)作用。 回顧射流技術(shù)的發(fā)展概況，大體上可分為四個(gè)階段 : (1)第一階段 (探索試驗(yàn)階段 ):60 年代初，主要研究低壓射流采礦。 (2)第二階段 (設(shè)備研制階段 ):60 年代初至 70 年代初，主要研制高壓泵、增壓器和 高壓管件，同時(shí)推廣射流清洗技術(shù)。 (3)第三階段 (工 業(yè)應(yīng)用階段 ):70 年代初至 80 年代初，主要特點(diǎn)是大量的射流采煤 機(jī)、切割機(jī)、清洗機(jī)相繼問世，并進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)和推廣應(yīng)用。其應(yīng)用領(lǐng)域也由采礦發(fā) 展到其他領(lǐng)域。 (4)第四階段 (迅速發(fā)展階段 ):80 年代初至 90 年代中，主要特點(diǎn)是射流技術(shù)研究進(jìn) 一步深化，磨料射流、空化射流和自激振動(dòng)射流等新型射流發(fā)展很快，許多產(chǎn)品已達(dá)到 商品化。 射流的分類 （ 1） 按流體性質(zhì)分類：氣體射流和液體射流。 （ 2） 按流態(tài)：射流分為層流射流和紊流射流。在工程中，射流雷諾數(shù)一般較高，大都屬于紊流射流。鉆井液經(jīng)過噴嘴的流動(dòng)都 屬于紊流射流。 （ 3） 按驅(qū)動(dòng)壓力分類：低壓（ ），高壓（ 35140MPa），超高壓（ 140420MPa）。 按工作和環(huán)境介質(zhì)分類 : 淹沒射流 (射流的工作介質(zhì)與環(huán)境介質(zhì)相同 )和非淹沒射流 (環(huán) 境介質(zhì)與工作介質(zhì)不同 )。 （ 4）按固壁條件分類：流體射流的作業(yè)環(huán)境內(nèi)有或沒有固體壁面的限制，對(duì)射流的形成和動(dòng)力特性有明顯的影響。在有固壁約束下的射流稱為非自由射流 。反之，則為自由射流。淹沒射流不受固壁的限制，這種射流稱為淹沒自由射流 。反之，稱淹沒非自由射流。同樣，非淹沒射流不受固壁條件約束，稱為非淹沒 自由射流 。反之，稱為非淹沒非自由射流。噴射鉆井中的鉆井液經(jīng)鉆頭噴嘴流出后，