【文章內(nèi)容簡介】 過程,把固體礦物在地下轉(zhuǎn)化為液態(tài)或氣態(tài),然后再經(jīng)過鉆孔抽出地表，經(jīng)過分選處理之后加以應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)錐形射流鉆孔水力開采技術(shù)就是這類最有前景的開采技術(shù)之一，它是基于鉆孔技術(shù)和水力學(xué)原理之上的一種礦產(chǎn)開采新方法。進入九十年代以來，利用高新技術(shù)加強低滲油藏的開發(fā)并提高原油采收率是各油田提高經(jīng)濟效益、確保穩(wěn)定發(fā)展的一項重要措施。徑向水平井鉆井技術(shù)通過高壓水射流破巖，在生產(chǎn)層直接鉆出多口輻射狀分布的水平井網(wǎng)，達到高效開發(fā)低滲油氣藏、改造老油田和提高原油采收率的目的，在我國東部油田開發(fā)中具有良好的應(yīng)用前景和強大的生命力。 由前期研究結(jié)果及現(xiàn)場試驗情況來看，利用旋轉(zhuǎn)水射流在相對較軟的地層或淺油層中鉆進時，孔眼直徑達到φ80～φ110mm,可以滿足油氣生產(chǎn)的要求，并且已在井深1000m左右的油層中順利鉆出了合格的井眼。但如果使徑向水平井技術(shù)成功地應(yīng)用于井深2000m甚至更深的油層或較硬的地層，必需提高射流的破巖能力。因此，我們即要綜合利用磨料水射流和旋轉(zhuǎn)射流的優(yōu)點，克服各自的不足，通過試驗,研究不但破巖能力強、鉆進速度高，而且具有鉆大直徑孔眼特點的磨料旋轉(zhuǎn)射流。[22][23] 旋轉(zhuǎn)射流鉆井技術(shù)是高壓水射流技術(shù)在石油鉆井中的一個具體應(yīng)用。在鉆進中．及時將鉆頭所破碎的巖屑沖離井底并攜帶出來，是安全快速鉆井的重要條件之一。噴射鉆井的一個顯著特點就是從鉆頭噴嘴中噴出強大的鉆井射流，它具有很高噴射速度和很大水功率，能給予井底巖屑一個很大的沖擊力，從而使巖屑及時、迅速的離開井底，始終保持井底干凈。這就是噴射鉆井能夠大幅度提高鉆速的主要原因之一。鉆井液射流的作用，不僅能使巖屑沖離井底，而且在一定條件下可直接破碎巖石，這一理論己被噴射鉆井的實踐所證明。[24] 課題來源該課題來源于導(dǎo)師張東速教授科研項目《旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴磨損機理及旋轉(zhuǎn)接頭研究》，該項目委托方是中國石油集團科學(xué)技術(shù)研究所江漢機械研究所。 課題研究的主要內(nèi)容和意義筆者通過對以往大量文獻的閱讀和總結(jié)，在理論上對旋轉(zhuǎn)錐型射流的基本機理及其運動規(guī)律作較為詳細的描述，并應(yīng)用計算機仿真技術(shù)對旋轉(zhuǎn)射流噴嘴不同參數(shù)的加旋體在一定壓力下噴射狀態(tài)進行模擬，同時將模擬結(jié)果與大量試驗參數(shù)進行比較，進而獲得對旋轉(zhuǎn)錐型射流的規(guī)律性進一步認識，使旋轉(zhuǎn)錐型射流設(shè)備現(xiàn)場工作參數(shù)化。2 旋轉(zhuǎn)錐形射流的發(fā)生裝置2 旋轉(zhuǎn)錐形射流的發(fā)生裝置 磨料射流發(fā)生裝置的設(shè)計該課題試驗設(shè)備是由安徽理工大學(xué)水射流研究所研制開發(fā)的，如下圖，是前混合式旋轉(zhuǎn)錐型磨料射流發(fā)生裝置系統(tǒng)；該系統(tǒng)是由磨料射流發(fā)生裝置、磨料篩分與罐裝裝置、切割工作臺、數(shù)控系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)錐型噴頭等構(gòu)成。如下圖： 2. 調(diào)壓閥 3. 混合室 4. 旁路截止閥 5. 卸壓閥 6. 磨料罐 7. 磨料截止閥 8. 高壓截止閥 9. 砂漿泵 10. 水砂輸送兩用閥 11. 磨料斗 12. 篩框 13. 旋轉(zhuǎn)錐型噴頭 14. 工件 15. 工作臺圖1 前混合式旋轉(zhuǎn)錐型磨料射流發(fā)生裝置 Fig1 The equipment former mixing whirling cone abrasive water jet圖2是安徽理工大學(xué)前混合式磨料水射流數(shù)控系統(tǒng)實物圖；這套系統(tǒng)的工作特點是：從泵站出來的高壓水，一股通往磨料罐的上部；一股通往混合室。到達磨料罐上部的高壓水，由于磨料向下流的速度很慢，因此基本上是以靜壓形式作用在磨料上，磨料在靜水壓力和自重的聯(lián)合作用下通過供料閥進入混合室。經(jīng)節(jié)流閥流入混合室的高壓水流，在混合室與磨料與均勻混合后，經(jīng)管路至旋轉(zhuǎn)錐型噴嘴噴出，形成極高旋轉(zhuǎn)速度的高壓水射流。磨料供給量通過供料閥進行調(diào)節(jié)。 圖2 前混合磨料射流數(shù)控系統(tǒng)實物圖 Fig2 The practicality of system former mixing abrasive water jet 發(fā)生裝置應(yīng)具有的功能磨料射流發(fā)生裝置是切割機床的核心技術(shù)所在（見圖3）。整個裝置由磨料罐、局部漿化及濃度控制裝置、單向分流管路、磨料截止閥以及混合腔等組成。該裝置具有以下功能：(1)該裝置可以在低于40MPa工作壓力的范圍之內(nèi)，使高壓罐內(nèi)的磨料穩(wěn)定、均勻、流暢地進入混合腔，并與高壓水充分混合形成液固兩相流。(2)正常工作時，磨料不會沉積在混合腔至噴嘴之間的管道中。(3)磨料的供給量（磨料濃度）可以方便地進行調(diào)節(jié)、控制。(4)可以隨時截止磨料形成純水射流。 (5)具有一定的容積，可保證一定的連續(xù)作業(yè)時間。磨料罐采用高壓容器專業(yè)廠家生產(chǎn)的蓄能器外殼，材料為35CrMo，容積為100升。罐口采用熱滾一次成型工藝，沒有焊封，耐壓強度高。磨料罐的底部設(shè)計采用了組閥結(jié)構(gòu)，將磨料濃度調(diào)節(jié)閥、磨料截止閥以及旁路閥等各種功能的閥集于一體，便于裝配和更換。圖3 磨料射流發(fā)生裝置Fig3 Abrasive water jet producing set 磨料的注入及濃度調(diào)節(jié)如何在高壓狀態(tài)下將磨料罐內(nèi)的磨料注入系統(tǒng)的管路中并能對磨料的注入量進行調(diào)控是形成前混合磨料射流的關(guān)鍵。對此采用了局部漿化的方法。首先，從磨料罐底部通過分流管路引入部分高壓水進入罐內(nèi)的局部漿化裝置，與罐底部的磨料進行混合；由此形成磨料與水的局部漿化。由于磨料粒子的比重較大，將在罐內(nèi)作向下沉降運動，而水則通過磨料粒子之間的空隙向上作滲流運動，兩者之間的體積流量相同。向下運動的磨料將進入混合腔與主回路的高壓水再次混合，形成一定濃度的磨料與水介質(zhì)的兩相流，并在管內(nèi)流動的過程中進一步完成磨料與水的混合。磨料濃度的調(diào)節(jié)是利用節(jié)流閥調(diào)整主回路和分流管路的水的流量比來實現(xiàn)的。分流管路中水流量的多少決定了磨料濃度的大小。為防止不工作時磨料罐內(nèi)的水或磨料從分流管路中返流，在分流管路上設(shè)置了單向閥，形成單向分流水路；這樣可以保證停泵后自動截止分流水路。 卸壓裝置的設(shè)計由于磨料罐是一密閉的高壓容器，若工作前罐內(nèi)存留空氣，在工作時存留的空氣將受到壓縮從而儲存大量的壓力能，系統(tǒng)停止工作后這些壓縮空氣將膨脹成為新的動力源。這一方面會使磨料罐長期處于高壓狀態(tài)，另一方面會對磨料罐上各種閥的操作帶來不便，使密封件損傷造成密封失效。為此從磨料罐頂部引出一手動卸壓裝置，當啟動高壓水泵向罐內(nèi)注水時，開啟手動卸壓裝置；在卸壓裝置出水后即可關(guān)閉，此時表明罐內(nèi)已無存留空氣。試驗表明：所設(shè)計的磨料射流發(fā)生裝置可隨時調(diào)制出濃度合適、供給均勻的磨料漿液，并可將磨料漿液通過高壓膠管輸送至噴嘴，經(jīng)噴嘴加速后噴出形成磨料射流。 淹沒式篩分裝置的設(shè)計篩分裝置的功用是將切割工件時所用的磨料進行篩分、存儲，供灌裝使用。篩分裝置的設(shè)計應(yīng)滿足三點基本要求：⑴能夠?qū)δチ线M行嚴格的篩分過濾，確?？蓮?fù)用磨料內(nèi)不能夾帶較大的顆粒雜質(zhì)，已防工作時堵塞噴嘴。⑵能對潮濕的磨料進行篩分，這樣可以直接復(fù)用噴射出的磨料，減低切割成本。⑶要有一定的篩分效率，能滿足正常工作時對磨料量的需求。為滿足可對潮濕磨料進行高效、嚴格篩分的要求，采用了淹沒濕式篩分方式。篩網(wǎng)面置于水中，篩框的往復(fù)運動用蝸桿減速器減速后帶動曲柄滑塊機構(gòu)來實現(xiàn)。篩框的往復(fù)次數(shù)在考慮篩分效率和動載荷大小等因素的情況下，根據(jù)多次試驗的結(jié)果。根據(jù)以往多次的實驗測定，對于一定的噴嘴直徑D，磨料的粒徑約為D/3時即可保證正常噴射時磨料不會堵塞噴嘴。由此可以定出篩網(wǎng)孔徑的大小，此時篩下磨料的粒徑一般均小于D/3。篩分裝置外觀如一方形漏斗，篩框座在滾輪軸上，篩框的底部為不銹鋼的篩網(wǎng)。篩網(wǎng)以一定的深度淹沒在水中，以保證能夠進行濕式篩分。斗內(nèi)的水位高度用溢流口控制。為防止雜物落入篩砂斗內(nèi)，在篩分裝置的頂部設(shè)置了防護罩，篩分時只需將待篩分的磨料送入防護罩的加料口即可保證外部雜物不落入篩砂斗內(nèi)。 磨料灌裝系統(tǒng)的設(shè)計 灌裝方法的研究由圖2－1可知，磨料罐本身是一個與系統(tǒng)壓力相同的高壓容器。在一定的壓力下，磨料罐的壁厚與直徑成正比，因而為了制造方便，其容積的大小一般不采用增減直徑而采用增減高度來實現(xiàn)。為了增加作業(yè)時間，磨料罐的高度不能太小，但高度的增加使得人工裝料十分困難。同時，考慮到高壓容器使用安全的原因，其頂部的裝料口也不能太大，這樣，采用一般的諸如螺旋式輸送機、彈簧輸送機等機械進行磨料的裝加，其裝料效率很低。再則，在一罐磨料用完后，罐內(nèi)充滿了水，如直接采用機械的方法裝料，罐內(nèi)的水必然外溢給裝加磨料造成困難。針對上述情況，經(jīng)研究和多次實驗，決定采用漿體灌裝方式來實現(xiàn)磨料的裝加。即先將磨料與水混制成漿體，用砂漿泵將漿體輸送至磨料罐頂部，通過一中心管注入罐內(nèi)，漿體在罐內(nèi)的上部利用自重將水與磨料分離，磨料下沉，分離出來的載帶水通過另一通道溢出，返回磨料斗中對磨料再次進行漿化，從而形成開式循環(huán)回路的漿體輸送、分離的系統(tǒng)。灌裝系統(tǒng)運行時，在磨料斗和磨料罐之間形成水與磨料的位置交換。 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計為了便于操作，將灌裝裝置與篩分裝置組合在一起，形成了篩分與灌裝裝置，該裝置的上部可實現(xiàn)篩分磨料的功能，下部可實現(xiàn)灌裝磨料的功能，但兩套裝置可以分別單獨運行。使采用靜水漿化是磨料灌裝系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新點。在進行漿化時，無需在磨料斗內(nèi)進行動力攪拌，僅設(shè)立一導(dǎo)水管，借助砂漿泵的抽吸作用，便可進行自動混漿，且濃度可調(diào)。為防止輸送管路堵塞，在磨料斗下部設(shè)置一貫通管與工作臺相連，利用工作臺內(nèi)的存水，在砂漿泵啟動或停止時清洗管道。連接磨料斗出口和砂漿泵入口的是一專門設(shè)計的水砂輸送兩用閥。此閥為一兩位三通轉(zhuǎn)閥，閥的工位有兩個，一位為供砂位，用于向砂漿泵供放砂漿；另一位為供放清水位，用作灌裝系統(tǒng)的清理。該閥對水要有一定的密封性，但又是灌裝裝置與篩分裝置的連接部件，在設(shè)計上有一定的難度。通過幾次結(jié)構(gòu)改進，成功地克服了閥芯易被磨料顆粒研住，轉(zhuǎn)動困難的問題，使用情況良好。在進行噴射時，磨料罐承受壓力，需要在灌裝管路上安裝截止閥（往返管路各一）用以將罐內(nèi)的高壓與外界的低壓進行隔離。該截止閥要求在截止狀態(tài)時能承受高壓，低壓導(dǎo)通時能輸送砂漿，既要有密封性又要有耐磨性。研究結(jié)果采用了角式滑閥結(jié)構(gòu)形式，通路的高壓端安排在閥芯的徑向方向，且閥芯為無軸肩形式。因此，閥在關(guān)閉（即截止狀態(tài)）時，閥芯不受徑向和軸向液壓力。為減少操作時間，閥芯的運動采用了雙頭螺紋。設(shè)計規(guī)定，此閥在磨料罐卸壓后進行操作。 旋轉(zhuǎn)錐形噴嘴的結(jié)構(gòu)及性能根據(jù)普通射流的水動力學(xué)結(jié)構(gòu)可知，射流的等速核內(nèi)部不存在橫向的速度梯度，因而射流的擴散度較小! 要想使射流具有鉆孔的能力，必須通過機械或流體動力的方法使射流在噴射時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，這樣，出射后的射流才具有三維速度（軸向、徑向和圓周），從而可在較小的靶距內(nèi)形成較大的打擊面，實現(xiàn)用較小噴嘴產(chǎn)生的射流鉆出較大直徑孔眼的目的! 由于采用機械的方式對磨料射流進行加旋會帶來難以解決的旋轉(zhuǎn)密封問題，所以必須考慮運用流體動力學(xué)的原理對射流進行加旋! 通過對各種加旋方式進行分析、比較，并考慮磨料粒子的磨蝕性，最終采用了非標準螺旋形的加旋元件，并形成了如圖所示的加旋噴頭!圖4 旋轉(zhuǎn)射流噴嘴 Fig4 Whirling water jetting nozzle下圖是由我校水射流所制作的加旋噴頭實物圖： 圖5 旋轉(zhuǎn)噴嘴實物圖 Fig5 The practicality of whirling water jetting nozzle 下圖是噴嘴的重要組成部件不同幾何參數(shù)的加旋體實物圖：圖6 加旋件實物圖 Fig6 The photo of whirling part 加旋噴頭分為3段,即加旋元件、噴頭體、噴嘴壓帽和噴嘴等組合而成。第1段為圓管進液段，該段內(nèi)磨料漿體的運動形式是典型的液固兩相流在有壓管道內(nèi)的流動；第2段為流槽加旋段，在該段內(nèi)的介質(zhì)運動屬于強制性的圓柱形螺旋流動；第3段為一帶錐芯的錐形收縮段，其內(nèi)部的介質(zhì)運動也是強制性的，但屬于收斂錐形螺旋流動。加旋后的磨料漿體同時具有軸向速度、徑向速度和圓周速度、在圓周速度的作用下噴頭內(nèi)的漿體形成強烈的旋轉(zhuǎn)，此時噴出的射流每一質(zhì)點都具有三維速度；整個射流在旋轉(zhuǎn)前進的過程中向外擴散，形成旋轉(zhuǎn)錐形磨料射流。射流的打擊面隨噴距的增加迅速增大，從而可滿足在較小噴距內(nèi)鉆出較大孔徑的要求。試驗系統(tǒng)由前混合磨料射流發(fā)生裝置（含加旋噴頭）、磨料回收灌裝裝置、試驗臺倉、傳動機構(gòu)和直流電機、調(diào)速裝置等組成，如圖7所示! 前混合磨料射流發(fā)生裝置用于向系統(tǒng)提供混合均勻的高壓磨料漿體，磨料漿體經(jīng)過噴頭加旋后噴出即可形成旋轉(zhuǎn)錐形磨料射流!封閉式試驗臺倉主要由工作倉、試塊固定裝置、噴頭固定裝置等組成! 噴頭固定于噴頭固定裝置上，當直流電機轉(zhuǎn)動時即可驅(qū)動螺旋傳動機構(gòu)，使噴頭實現(xiàn)沿軸線方向的運動! 移動的速度可以通過調(diào)節(jié)可控硅整流調(diào)速裝置的輸出加以控制，并由測速發(fā)電機組成的閉環(huán)回路保證移動速度的穩(wěn)定性! 試驗中噴出的水與磨料落入試驗臺倉底部的磨料回收與篩分裝置內(nèi)，并通過砂漿泵將可復(fù)用的磨料灌裝到磨料罐內(nèi)!圖7 磨料射流試驗系統(tǒng) Fig7 The experimental system of abrasive water jetting3 旋轉(zhuǎn)錐形磨料射流的數(shù)學(xué)描述3 旋轉(zhuǎn)錐形磨料射流的數(shù)學(xué)描述 旋轉(zhuǎn)射流的旋度概念[27]旋轉(zhuǎn)射流的旋動程度，簡稱旋度是區(qū)別于一般射流的一個影響運動的重要參數(shù)。若以柱坐標表示旋轉(zhuǎn)射流，射流各點的流速可分解為三個分量:軸向流速、徑向流速和切向流速。在早期研究中曾采用射流出口最大切向速度，即旋動速度和最大軸向速度之比來表征旋動程度: 但G值在某種程度上受加旋方式的影響，不能完全代表旋動的總體特性。后來多以下式定義的旋度S來表征旋動程度 ： （31）式中為噴口半徑，為角動量，二為壓力與軸向動量之和。