【正文】 11 噴射導 管管串示意圖 噴射下導管技術的優(yōu)點為： a) 噴 射下導管技術可在鉆進的同時下導管，解決了深水表層鉆孔后下導管不容易下入的難題。 b) 噴射下導管技術采用一開二眼技術，一開和二開采用同一套鉆具組合，省去了一趟起下鉆時間，可節(jié)約鉆井時間，對于日花費上百萬美元的深水鉆井來說，效益可觀。 c) 噴射下導管作業(yè)結束后無需固井，可避免因水泥漿密度過大而壓破地層 , 避免了固井時井漏問題，同時可避免低溫等因素影響固 井質量而造成井口下沉 [5]。 噴射下導管的發(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 年的第一個浮動鉆井平臺 （由 殼牌石油有限公司 開發(fā)）， Minton 描述了在該平臺上 結構套管的安裝過程 。一個長度為 291/2英寸，壁厚為 英寸的導管通過 組合驅動器噴射過程 在海底進行安裝。導管由 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 可以進行驅動。 噴射組合鉆具 由 51/2 英寸鉆桿，兩個 22 英寸的 含鉛 鉆鋌 組成。它重達 60000 磅，對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）產生射流，鉆井液攜帶巖屑經過導管外部 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管外的泥線上。 Minton 提到這一事實：即使是在浮式鉆井的早期，噴射下導管已經成為一個考慮因素。 圖 12 最初的噴射組合示意圖 圖 13 最初噴射過程 19 世紀 70 年代，諸如 容積式泥漿馬達和井口頭下入工具 的發(fā)展使得噴射技術得以發(fā)展。井口工具的接口使得噴射由原來的由導管外返回轉變?yōu)橛蓪Ч軆确祷?，這一結果前言 4 使得土層擾動量減少。 容積式泥漿馬達 使得鉆頭在噴射導管中的旋轉及沉積巖更有效的破碎、 流態(tài)化 成為可能。 噴射技術傳播到全世界其它 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 進行 30 英寸導管的噴射下導管。在 20 世紀 90年代中期到后期，埃克森美孚公司的子公司將噴射概念傳到非洲西部國家安哥拉，尼日利亞及剛果。在特立尼達拉島，加拿大，澳大利亞及西南亞的深水盆地，運營商都采用了噴射下導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、泥漿馬達及其它部分組成，它在導管內部，并與井口下入工具相連。這一混合組合下入到泥線。導管通過自身重量刺穿泥線沉積巖層，泥漿馬達產生鉆井 液循環(huán)來提供水力沖洗以及鉆頭旋轉。這一過程之所以叫“射流”是因為沉積物沿導管進行水力沖洗。因為鉆進或者沖洗的區(qū)域比導管外徑小，導管通過施加在地層上的自重擠壓進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)空中的沉積物經過井口裝置及井口下入工具的接口進入海洋。 圖 14 目前噴射下入表層導管示意圖 前言 5 國內外研究概況 PDC 鉆頭射流流動模擬研究現(xiàn)狀 井底流場數(shù)值模擬研究的現(xiàn)狀 [6]如下： 鉆頭井底流場是指以井底面為基礎，向上至均勻環(huán)空流場 為止的空間流場。由于鉆頭的結構復雜多樣，鉆頭在井底工作時多噴嘴撞擊射流在井底的液流流動規(guī)律十分復雜，使得人們在進一步深入了解井底流場結構和液流流動特性方面從認識手段上還存在著一定的困難。以往對這一問題的研究中，主要采用實驗研究的方法，并且取得了不少的實驗研究成果。但由于目前流體實驗測量技術和流場顯示技術的限制，致使人們利用實驗研究井底流場，只能得到有限條件下的實驗結果，無論是流場研究、壓力場研究，還是速度場研究、排屑能力研究，所得結果均比較粗糙、簡單，并且沒有定量化、規(guī)律化和預見能力，因而不能有效地用于新型 鉆頭設計和產品評價。 為了發(fā)展有預見性的定量化井底流場研究技術，人們將目光轉向了井底流場的數(shù)值模擬方向。至今為止，國內外多家機構進行了這方面的工作 :休斯公司、 Smith 公司、克里斯坦森、挪威國家流體研究所、中國石油大學和西南石油學院等。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模擬、中國石油大學PDC 鉆頭井底流場的數(shù)值模擬 [7]； 二是用通用流體力學軟件建立三維實體模型進行解算，其實質仍為 NS 方程的數(shù)值解 (如 Christanson 的 PDC 鉆頭流道設計，挪威國家研究所的鉆頭流場 ，中國石油大學、西南石油學院牙輪鉆頭井底流場 [8]等 )； 三是采用近似方法，如西南石油學院的井底漫流 流 場研究。 射流應用在噴射下導管技術研究現(xiàn)狀 在國外自 19 世紀 60 年代開始得到發(fā)展，殼牌公司、 巴西石油公司 、埃克森美孚公司等知名公司均進行探索研究，早期 的 研究內容主要集中在噴射下導管的設計 以 及施工上 [2,4]。國內對該技術的研究起步較晚，現(xiàn)有的研究方向為井身結構設計 [9]、力 學 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、 噴嘴或者管道進入較大 的空間，繼續(xù)擴散流動，形成射流。此空間的介質 可以是流動的，也可以是靜止的。 射流的基本特點：射流對周圍流體有強烈的卷吸作用，使得射流寬度沿流動方向不斷增加，卻遠小于射流長度。在射流中垂直于流動方向的速度梯度遠大于沿流動方向的速度梯度。 在射流的外邊界上，即間斷面上，射流與周圍介質相互作用將產生極不穩(wěn)定的旋渦，其旋渦的運動可以是沿著橫向的，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，大尺度的旋渦運輸能量，小尺度的旋渦耗散能量。這些大大小小的旋渦運動和分布都是雜亂無章的、隨機的。射流的內邊界和外邊界 之間的區(qū)域為邊界層。在邊界層內由于旋渦的運動使流體質點之間產生質量、動量交換及溫度交換。交換的結果是 :在射流邊界層內產生沿橫的時均速度，沿射流的軸向也將產生時均速度的變化。射流邊界層橫向寬度稱為射流邊界層厚度，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)內的流動為有勢流。 CA 為射流的內邊界， CBDF 為射流的外邊界。內外邊界之間的空間區(qū)域為邊界層。在射流的起始處(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。由于具有紊動性，射流不斷地卷吸周圍的流體，使外邊界CBDF 隨時間上下波動，但在宏觀上可以近似認為一條射 線。 射流基本理論 7 圖 21 射流結構示意圖 射流的幾何結構如上圖所示，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)內的速度等于噴嘴出口的速度 u0，為有勢流，各點的速度大小、方向均相同。射流的內邊界和外邊界之間的區(qū)域為剪切層或稱為邊界層。在剪切層內存在速度梯度，因而產生雷諾應力。在此區(qū)內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。在過渡段中的流動情況極為復雜，但是 這段區(qū)域較短 ，在射流計算中通常忽略不計。過渡段末的斷面稱為轉折斷面，也是基本 段的開始。 基本段 :轉折斷面以后的區(qū)段稱為基本段。在該段中射流的紊動特性充分地表現(xiàn)出來。 射流極點 :射流基本段的外邊界射線的交點。為極點，在由極點發(fā)出的射線上各流體質點的時均速度相等，稱為等速線 (等值線 )。極點可能在噴嘴內部，也可能在噴嘴的外部，與噴嘴內流道的幾何參數(shù) (尺寸 )有關。 射流基本理論 8 射流技術的發(fā)展概況 19 世紀中葉，在北美洲第一次使用射流開采非固結的礦床。本世紀 50 年代初 前蘇聯(lián)和中國利用射流進行采煤 (稱為水力采煤 )。隨著水力采煤技術的推廣，人們認識到提高水的壓力和適當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 )。進人 60 年代，大批高壓柱塞泵和增壓器的問世大大推動了射流技術的研究工作。當時，部分學者片面認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，射流技術出現(xiàn)了一個新的動向，即從單一提高射流壓力轉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 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和應用。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、激勵式和擠出沖擊式。它能充分利用水錘效應，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散。脈沖射流在靶物表面產牛的沖擊力會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 世紀七、八十年代發(fā)展起來的空化射流技術，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热藶榈卣T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，使空泡在運動過程中長大，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，空化射流理論及應用研究異?；钴S，已發(fā)展到深水切割、航天、航空和核反應堆等的清洗，以及利用空化射流空泡潰滅時產生的復雜物理、化學效應進行污水處理。在切割作業(yè)當中，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。高壓水的部分動能傳遞給磨料，從而把射流對靶體的持續(xù)作用變?yōu)槟チ狭Ｗ恿鲗Π畜w的高頻沖擊、磨削作用，從而大大地提高了射流的品質和工作效率。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)中得到廣泛的應用。同時，各國學者也開始對各種射流的基礎理論和切割機理等方面進行研究。 射流技術的應用范圍也由采礦工業(yè)擴大到航空、建筑、建材、交通運輸、市政建設、化工、機械、輕工業(yè)及醫(yī)學等領域。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，一大批射流切割機、采煤機、掘進機、打樁機和不同用途、不同形式的清洗機已投人市場。 中國射流技術的研究是從本世紀 70 年代開始的，最初主要是在煤炭部門研究和應射流基本理論 9 用，以后逐漸發(fā)展到石油、冶金、航空、化工、建筑、機械、市政建設和交通等領域。經過 20 多年的研究和實踐，取得很大進展，開發(fā)出了一批新技術和新產品，有的在國際上還處于先進水平。我國從 1979 年開 始每兩年召開一次全國射流技術討論會，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)太平洋國際射流會議。 1995 年成立了中國勞動保護科學技術學會射流技術專業(yè)委員會。為發(fā)展我國射流技術起到了巨大的推動作用。 回顧射流技術的發(fā)展概況，大體上可分為四個階段 : (1)第一階段 (探索試驗階段 ):60 年代初，主要研究低壓射流采礦。 (2)第二階段 (設備研制階段 ):60 年代初至 70 年代初，主要研制高壓泵、增壓器和 高壓管件，同時推廣射流清洗技術。 (3)第三階段 (工 業(yè)應用階段 ):70 年代初至 80 年代初，主要特點是大量的射流采煤 機、切割機、清洗機相繼問世，并進行了工業(yè)試驗和推廣應用。其應用領域也由采礦發(fā) 展到其他領域。 (4)第四階段 (迅速發(fā)展階段 ):80 年代初至 90 年代中，主要特點是射流技術研究進 一步深化，磨料射流、空化射流和自激振動射流等新型射流發(fā)展很快，許多產品已達到 商品化。 射流的分類 （ 1） 按流體性質分類：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。鉆井液經過噴嘴的流動都 屬于紊流射流。 （ 3） 按驅動壓力分類：低壓（ ），高壓（ 35140MPa），超高壓（ 140420MPa）。 按工作和環(huán)境介質分類 : 淹沒射流 (射流的工作介質與環(huán)境介質相同 )和非淹沒射流 (環(huán) 境介質與工作介質不同 )。 （ 4）按固壁條件分類：流體射流的作業(yè)環(huán)境內有或沒有固體壁面的限制，對射流的形成和動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鉆頭噴嘴流出后，