高压水射流

石油工程高压水射流技术WaterJetTechnologyinPetroleumEngineering李根生石油大学（华东）石油工程学院主要内容第一章射流动力学基础和计算第二章石油工程水射流技术第三章水射流技术工业应用第四章结论和前景展望第一章射流动力学基础和计算§1-1绪论§1-2淹没水射流结构特性§1-3水射流类型与作用机理§1-4水射流动力学计算§1-1绪论一、水射流技术原理与发展概况高压水射流技术是近二、三十年来发展起来的一门新技术，目前正越来越广泛地应用于煤炭、石油、化工、冶金、船舶、航空、交通、建筑等工业部门，用以清洗、除垢、切割、破岩等，显著提高工效，降低成本，减轻劳动强度，改善工作环境。1.基本原理高压水射流，是以水为介质，通过高压发生设备增压获得巨大能量，经一定形状的喷嘴喷出的一股能量集中的高速水流。2.发展概况50’s～60’s:探索和实验阶段50年代，人们从水力采煤和高速飞机的雨蚀现象中认识到，提高射流压力和速度能够冲蚀较坚硬物料，并显著提高落煤效果，从而开始了较高压力设备的研制和较高压射流的实验。60’s～70’s:基础设备研制和水力清洗60年代初，随着较高压力柱塞泵和增压器的问世，开始研究射流动力学特性和喷嘴结构。水力清洗受到重视。70’s～80’s:工业试验和应用60年代末70年代初，美国国家科学基金资助了一项庞大的研究计划，旨在寻求一种高效的切割破岩方法（Maurer,1980），研究人员提出并试验了25种新方法，如电火花、电子束、激光、火焰、等离子体、高压水射流等，最后专家们一致公认最可行有效的是高压水射流破岩方法，后来也只有这种方法得到了实际应用。进入70年代，各国开始大力研究高压水射流技术，使该技术进入了迅速发展的新阶段。这期间，研究的重点是水射流破岩机理、脉冲射流特性及水射流在切割、破岩、清洗上的应用，开始出现了水力辅助机械破岩、空化射流、磨料射流、间断射流等新型射流技术。80’s～现在:新型高效射流，迅速发展进入80年代以来，随着激光测速、高速摄影、流体显形、数值模拟等先进测试和研究手段的进步，高压水射流技术研究和应用得到更迅速发展。磨料射流、空化射流、脉冲射流、水力辅助机械破岩技术和基础理论、切割机理、影响因素研究和分析进一步深入，并出现了气水射流、液态金属射流、液态气（空气、氮气、二氧化碳气）射流、冰粒射流等特种射流，其应用范围也由当初的采矿、破岩、钻孔、清洗、除垢发展到金属和超硬材料切割、表面处理、研磨等应用领域涉及煤炭、石油、冶金、化工、船舶、航空、建筑、电力、纺织、交通、市政医学等十几个工业部门及核废料、海洋等危险恶劣工作环境，自动化程度切和切割精度有了显著提高。•学术机构和活动1.国际水射流技术协会(InternationalSocietyofWaterJetTechnology)：InternationalSymposiumonJetCuttingTechnology,BHRA,1972--2000,15届。2.美国水射流技术协会(WaterJetTechnologyAssoci.)：AmericanWaterjetConference,1981-99,10届。3.日本水射流技术学会(WaterJetTechnologySocietyofJapan)：PacificRimInternationalConferenceonWaterjetTechnology,1987--2000，6届。4.中国劳动保护学会水射流技术专业委员会：全国水射流技术研讨会，1979--1999，10届。二、水射流分类高压水射流种类很多，分类方法也多种多样，常用的以下几种：1、按驱动压力压力等级压力范围(Mpa)泵类型低压0.5~20离心泵,柱塞泵中压20~70柱塞泵,增压器高压70~140柱塞泵,增压器超高压140~400增压器,水炮2、按射流介质牛顿流体:水,空气；非牛顿流体:聚合物(CMC,PAM),泥浆。3、按环境介质淹没射流:在水中或其他液体中喷射；非淹没射流:水在空气中喷射。4、按射流水力学特性稳定射流:各断面流力特性不随时间变化，仅随位置变化；不稳定射流:各断面流力特性不仅随时间变化，且随位置变化。5、按固壁条件自由射流:无固壁限制；非自由射流:有固壁约束。6、按施载方式连续射流:开始峰值，后稳低；冲击射流:短时峰值；混合射流：二者之间。7、按介质相单相射流：水，PAM+Water；多相射流：Gas-Liquid,Solid-Liquid.三、水射流特性与应用1.特点（Feature)优点：1.水源丰富，成本低；2.冷却、灭尘、润滑；3.精密切割、切口平整；4.水切削、排屑；5.工作参数（P、Q）易调；6.遥控：危险恶劣环境；7.可移动。缺点：1.功率消耗大；2.水溅、潮湿;3.高压部件:泵、密封、喷嘴、管、阀寿命.2.应用(Applications)主要五个方面:1.工业切割;2.挖掘,开采,钻探;3.岩石切割掘进;4.表面清洗，除垢;5.材料破碎。十多工业部门：煤炭石油矿业炼油化工电力交通铁道船舶冶金机械轻工土木建筑民用军工航天核工医疗医学四、水射流系统与参数1.系统组成（1）压力源:高压泵、增压器、水炮等;（2）执行和控制机构:阀、管路、喷嘴、传动机构（3）工件（靶物)。2.射流基本参数•流体参数–射流压力–喷嘴直径–喷嘴型式–射流功率–流速流量–流体性质–射流反冲力•磨料参数–磨料类型–磨料流量–磨料粒度–混合管直径•工况参数–进给速度–靶距（喷距）–流道数–入射角–切深或切宽–切割体积–比能•靶件参数–靶件强度–靶件硬度–靶件孔隙度–靶件渗透率§1-2淹没射流结构特性初始段：轴心速度保持初始速度，Um=U0基本段：轴心速度小于初始速度，UmU0等速核：各点速度等于初始速度的区域，Ui=U0内边界：射流速度保持初始速度的界限，Ux边=U0外边界：速度等于零的边界，Ux边=0混合区：内外边界之间的区域。极点：射流外边界延伸线的交点，虚拟射流源。§1-3水射流类型及作用机理一、射流类型实际射流可分为三种类型：连续射流（纯水或磨料）脉冲射流（振动、冲击、水炮）空化射流（CavitatingJet)1.连续射流最常见型式，连续射流束速度可达900m/s，压力400MPa.大多用于清洗切割，作用原理是射流冲击滞止压力，Pi:Pi=ρV2/2(1-1)其中，Pi--射流冲击滞止压力，MPa；ρ--射流介质密度，g/cm3；V--射流速度，m/s。2.脉冲射流非连续射流，产生方式：聚能骤放，或称“水炮”；压力挤出；流量调节，又叫“水击”。射流性能取决于：脉冲频率，水击长度/直径，水击能量。脉冲射流作用机理：水击压力,P0：P0=ρCV(1-2)其中，P0--脉冲射流水击压力，MPa；ρ--射流介质密度，g/cm3；C--射流流体中的声速，在水中C≈1500m/s；V--射流速度，m/s。脉冲射流水击压力P0连续射流滞止压力Pi。3.空化射流在流体中形成一个压力低于当地蒸汽压力的区域，从而在射流流束中产生空化气泡的连续射流。1972年，Conn推导出空化射流冲击压力：P=Pi/6.35[exp(2/3α)](-3)其中,P--空化射流冲击压力，MPa；Pi--连续射流滞止压力，MPa；α--射流介质中气体含量。当α=1/6∼1/10时，P=(8.6∼124)Pi即在相同排量下，空化射流冲击压力是连续射流滞止压力的8.6∼124倍。§1-4水射流动力学计算一、基本方程式（1）伯努利方程其中，P--压力，V--速度。（2）连续方程二、射流速度V=C(2P/)1/2（1-7）其中，V--射流速度，m/s；C--流速系数；P--射流压力，MPa；ρ--射流介质密度，g/cm3)51(2222222111VPVP)61(222111AVAV三、射流流量Q=VA=(d2/4)V(1-8)其中，Q--射流流量，cm3/s；V--射流速度，cm/s；A--喷嘴出口截面积，cm2；d--喷嘴出口直径，cm.四、喷嘴直径当P--MPa,Q--cm3/s,ρ--g/cm3时，喷嘴直径为：此时喷嘴直径d单位为cm。)91(244PCQVQd)101(10*22.2422210PCQd五、射流水功率W=PQ(1-11)其中，W--射流水功率，w；Q--射流流量，cm3/s；P--射流压力，MPa。六、射流冲击力F=102Q2/A(1-12)其中，F--射流冲击力，KN；Q--射流流量，cm3/s；ρ--射流介质密度，g/cm3；A--喷嘴出口截面积，cm2。七、射流反推力T=0.0445QP1/2(1-13)其中，T--射流反推力，N；Q--射流流量，cm3/s；P--射流压力，MPa。八、管路压力损失ΔP=71.24Q2/D5R1/4(1-14)其中，ΔP--管路压力损失，MPa/m；Q--射流流量，cm3/s；D--管路内径，mm；R--雷诺数，R=21115(Q/D)。管路压力损失与流量平方成正比，与管路内径5次方成反比。第二章石油工程水射流技术§2-1提高射流井底效率§2-2新型高效射流研究§2-3水力和机械联合破岩§2-4超高压射流基础研究§2-5旋转射流钻径向水平井§2-6旋转射流处理近井地层§2-7高压水射流深穿透射孔§2-8高压水射流清洗油管除垢§2-1提高射流在井底工作效率一、加长喷嘴牙轮钻头研究淹没非自由钻井射流动力学和井底能量衰减规律，建立了优选井底水力参数的新模式和新程序，解决了喷射钻井长期未解决的一个重要理论问题。根据该理论成果研制成功加长喷嘴牙轮钻头(第一代钻头)，在相同泵压条件下，井底水功率提高30--40%，井底动压力提高90--110%，压力梯度提高1.5倍。推广应用3000多只，平均提高钻速20--30%，提高进尺40--50%。二、组合喷嘴改善井底流场§2-2新型高效射流根据瞬态流和水声学理论建立了流体自激振动调制机理和喷嘴设计理论模型，研究成功了新型高效自振空化射流，研究得出了各参数影响规律，脉动幅度高24%-37%，破岩效果高1-3倍。DD0d1d2DD0dKN＝F22,,dDDDNs＝cdDDDNdDDDNss22221211412但和*dNMSKdL2468101214161820246810121416Po=9.0MPad=10.0mm风琴管No.4风琴管No.5亥式腔No.1亥式腔No.2锥形喷嘴压力脉动峰值Pmax(MPa)无因次喷距S(mm)喷嘴冲击压力脉动比较风琴管最好，比锥型喷嘴高24%~37%.246810121416182034567891011121314No.4风琴管d=10mmPo=6.0MPaPo=9.0MPaPo=11.0MPa压力脉动幅度△P(MPa)无因次喷距S/d冲蚀岩石效果存在最优喷距，S/d=8~14;风琴管喷嘴效果最好，冲蚀岩石体积是普通锥形喷嘴的2.3~3.3倍。自振空化射流钻头•根据该理论成果研制成功的自振脉冲喷嘴钻头（第二代钻头），现场试验300多只，平均机械钻速提高20-60%。§2-3水力和机械联合破岩•综合利用断裂力学、弹塑性力学和岩石力学的基本原理，建立了水力和机械联合破岩过程中裂纹形成和发展规律的数学模型，实验研究了齿型、射流冲击角和冲击位置、喷射距离等因素对破岩效果的影响规律。研制出的新型水力-机械联合破岩钻头（第三代钻头），正在进行现场实验，预计可提高机械钻速40-50%，提高钻头进尺30-40%。§2-4超高压射流钻井研究与实验一、地面全增压钻井二、超高压双管柱钻井三、井下增压器钻井一、地面全增压钻井70年代初美国开始进行了高压水射流技术用于深井钻井的可行性研究，在地面利用增压器将泥浆泵压力提高至69-103MPa，在5口井深3000米左右的深井中进行钻井试验，机械钻速提高2-3倍，在德克萨斯