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石油工程高压水射流技术Water Jet Technology in Petroleum Engineering李 根 生石油大学（北京）石油天然气工程学院,主 要 内 容前言第一章 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,前言-Introduction1.学习和工作简历1979.9-1983.6 华东石油学院钻井工程专业，学士1983.9-1986.6 华东石油学院北京研究生部,硕士1986.6-1991.6 华东石油学院开发系，助教和讲师1991.2-1991.8 日本东北大学高级访问学者1991.6-1994.6 石油大学(华东)破格副教授1994.6-2000.6 石油大学(华东)教授，射流中心副主任1994.9-1998.4 石油大学(北京)油气井工程，博士2000.6-2003.10 石油大学(华东)石油工程教授，博导，学术带头人，射流研究中心常务副主任 2003.11-现在 石油大学(北京)石油工程教授，博导,2.主要学术和社会兼职CNPC钻井工程重点实验室副主任，学术委员中国劳保学会水射流技术专委会常委，国际部副部长中国机械工程学会流体工程分会理事国家喷射设备标准化技术委员会委员美国水射流技术学会(WJTA)国际会员 国际石油工程师学会(SPE)会员美国水射流会议国际顾问，环太平洋射流国际会议顾问中国青年科技奖 获得者，国家杰出青年基金 获得者国家“百千万人才工程”第一、二层次人选享受国务院政府特殊津贴专家第八、九届山东省政协委员，第八届山东省党代表,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 50s60 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。60s70 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。,70s80 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。,80s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(International Society of Water Jet Technology)：International Symposium on Jet Cutting Technology,BHRA,1972-2003,16届。2.美国水射流技术协会(Water Jet Technology Associ.)：American Waterjet Conference,1981-2003,12届。3.日本水射流技术学会(Water Jet Technology Society of Japan)：Pacific Rim International Conference on Water Jet Technology,1987-2003，7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，1979-2001，11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，处理;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，Um U0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（Cavitating Jet)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=V2/2(1-1)其中，Pi-射流冲击滞止压力，MPa；-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=CV(1-2)其中，P0-脉冲射流水击压力，MPa；-射流介质密度，g/cm3；C-射流流体中的声速，在水中 C1500m/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(2/3)(1-3)其中,P-空化射流冲击压力，MPa；Pi-连续射流滞止压力，MPa；-射流介质中气体含量。当=1/61/10 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=10-2Q/A=C(2000P/)1/2（1-7）其中，V-射流速度，m/s；C-流速系数；Q流量，cm3/s;P-射流压力，MPa；A喷嘴面积，cm2；-射流介质密度，g/cm3,三、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,-g/cm3 时，喷嘴直径为：此时喷嘴直径 d 单位为 cm。,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=10-8Q2/A(1-12)其中，F-射流冲击力，KN；Q-射流流量，cm3/s；-射流介质密度，g/cm3；A-喷嘴出口截面积，cm2。,七、射流反推力 T=0.0445 Q P1/2(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 P=71.24 Q2/(D5 R1/4)(1-14)其中，P-管路压力损失，MPa/m；Q-射流流量，L/min；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 在油气井工程中研究与应用 一、高压喷射钻井技术 二、提高射流井底效率 三、新型高效射流研究 四、水力和机械联合破岩 五、超高压射流辅助钻井 六、利用水力能量提高深井钻速 2-2 在处理地层和增产中研究与应用 一、旋转射流处理近井地层 二、磨料射流（水力喷砂）射孔割缝 三、高压水射流深穿透射孔 四、旋转射流钻径向水平井 五、自激波动注水 六、高压水射流清洗油管除垢,1.1 前言 旋转钻井问世以来，破岩机理一直未改变，机械应变力破岩。机械能传递转换效率低。一般5%左右，涡轮钻具可达20%，深井更低。井底水力能量是影响深井钻速的主要因素之一。国内外对提高井底水力能量利用率，从而提高钻 井速度非常重视。,2-1 在油气井工程中研究与应用 一、高压喷射钻井技术,1.2 钻井沿程水力损失,Q（L/s）,在可能条件下，尽可能使用小排量，使用51/2钻杆；建议用内平扣钻杆减小局部损失。,2-1 在油气井工程中研究与应用 一、高压喷射钻井技术,1.3 常规井钻头水力学,81/2 牙轮钻头喷嘴出口到井底距离约135mm，井底水力能量损失约50%。,2-1 在油气井工程中研究与应用 一、高压喷射钻井技术,1.4 深井钻头水力学,围压较小时(0.2MPa)，射流轴心动压随喷距增加而逐渐下降；围压较大时(10MPa)，轴心动压随喷距增加先急剧下降，后趋缓；深井高围压下(如50MPa)，轴心动压随喷距衰减规律？,2-1 在油气井工程中研究与应用 一、高压喷射钻井技术,喷距为50mm，围压0.2MPa到10MPa时，射流轴心动压损失75%。深井高围压下(如50MPa)，射流轴心动压损失更大！按喷嘴出口水力参数设计偏差大，应按井底水力参数设计。,一、高压喷射钻井技术,2-1 在油气井工程中研究与应用,1.5 喷射钻井三阶段特点和参数,70年代钻井泵压一般1012 MPa；80年代增加到1820MPa。第二阶段比第一阶段钻速高60%；第三阶段比第二阶段高40%。两点发展：突破经济水功率限制（2313 5782 KW/m2）；水射流不仅清岩，而且一定程度起破岩作用。,二、提高射流在井底工作效率,2.1 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。,2-1 在油气井工程中研究与应用,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%。,2.2、组合喷嘴改善井底流场,三、新型高效射流研究1.原理和模型 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。,自振射流在井底较高围压下有效空化；破岩-空化冲击压力Pi(8.6 124)Po切割深度为普通钻头喷嘴的24倍。清岩-自振空化射流负压脉冲尖峰大，与喷嘴压力降数量级相当；清洗岩屑能力是普通钻头喷嘴34倍。在高围压下自振空化射流比普通射流空化能力强，有较好的冲蚀岩石和清洗岩屑净化井底作用。,2.钻井作用可行性,3.自振空化喷嘴结构和设计模型,研制成功自振空化喷嘴钻头（第二代钻头），在胜利、大港等8油田现场试验1733只。相同或相近条件下，自振空化喷嘴钻头与普通中长喷嘴钻头相比钻井速度提高12.123.1%，钻头进尺增加14.828.3%，明显改善钻头性能，具有广阔应用前景。,4.自振空化喷嘴钻头试验效果,2-1 在油气井工程中研究与应用四、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%。,2-1 在油气井工程中研究与应用 五、超高压射流钻井研究 5.1、地面全增压钻井 5.2、超高压双管柱钻井 5.3、井下增压器钻井,5.1、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，在德克萨斯州进行工业试验时，他们发现当喷嘴压降为69-138MPa时，在中等强度岩石中的机械钻速为21-85m/h，而一般牙轮钻头机械钻速仅为9-25m/h，当喷嘴压降为104MPa时，连续性射流可以冲击破碎70-80%所钻岩石。由于这种技术要求整个泥浆循环系统增压，尽管可以获得较高的机械钻速，但不能在工业上实现，因为当时的泥浆泵、水龙头、钻往、钻头喷嘴均不能可靠地、经济地在高压情况下使用，此外循环系统压力增大也会使作业出现难以想象的危险。,5.2、超高压双管柱钻井 80年代末，美国Flowdrilll/s的排量输送超高压泥浆或水，使经过改进的三牙轮钻头上的工作压力为230 Mpa，而常规低压的泥浆流只起井眼稳定和清岩作用。八十年代末该公司开始在德克萨斯州和俄克拉荷马州进行了22口井工业性试验，试验结果表明机械钻速比常规钻井方法的机械钻速提高2.2-3.1倍。,5.3、井下增压器钻井1993年，美国 FlowDril 公司开始研究井下超高压射流钻井。用井下增压器将1/7 1/10的泥浆增压至 240 MPa辅助切割，经5口井现场试验，机械钻速是普通钻井的1.1 3.5倍。,4、结 论超高压射流辅助钻井能够提高机械钻速，缩短钻井周期。现场实验表明，往复式、增压型超高压井下泵可在井下产生超高压射流，提高机械钻速。井下超高压泵的密封和可靠性是影响超高压射流钻井的重要问题。,2-1 在油气井工程中研究与应用 六、水力能量提高深井钻速 井下液力脉冲射流钻井 超高压射流辅助钻井 空化射流辅助深井钻井可行性 结论和建议,6.1、井下液力脉冲射流钻井,(1)井下液力脉冲钻井阿塞拜疆研制了一种在井底附近的水力脉冲作用器，可以产生0 25MPa压降。在基洛夫、列宁格勒、巴库希尔等石油公司使用后取得良好效果。国内有关单位也在开展研究。,（2）液动冲击旋转钻井（旋冲钻井）在钻进过程中，利用液动冲击器使钻头产生旋转和冲击两种破岩作用，提高破岩效率；同时，由于施加钻压较小，还具有一定防斜作用，是一种有发展前景的提高钻速新技术。国内多家单位正在研制和试验，取得不同程度效果。需要进一步完善：（1）提高液动冲击器的寿命和稳定性；（2）液动冲击器性能参数和工艺参数的优化；（3）钻头的适应性和改进完善。,（3）水力脉冲(HydroPulseTM)钻井,90年代，美国Tempress 公司研制出8-3/4”HydroPulseTM 工具，地面实验降压为5 5.5MPa，频率45 60 Hz，负压脉动幅度5 17 MPa，负压脉冲持续时间1.3 ms。模拟钻头在不同岩石中钻进实验：相同条件下，钻速提高3 6倍。尚未现场试验。石油大学正在进行机理研究、仿真模拟和设计研制工作。,6.2、超高压射流辅助钻井,（1）地面全增压钻井试验70年代初，美国地面将泥浆全增压至69103MPa，在5口3000米左右井中试验，钻速为2185m/s，是常规钻速的23倍。当喷嘴压降为104MPa时，连续性射流可以冲击破碎7080%所钻岩石。国内胜利油田开展过25 30MPa高压喷射钻井试验，大港油田正开展35MPa、中原油田正开展50MPa高压喷射钻井试验，钻速明显提高。设备和循环系统维护要求非常高。,（2）双管柱钻井试验,85年开始，美国Flowdril公司研究双通道钻井新方法，整个循环系统进行了改进。超高压液排量1.9 2.5l/s，压力230 MPa；常规低压泥浆流只起井眼稳定和清岩作用。在Texas和Oklahoma 22口井工业试验，机械钻速是常规钻井的1.5 3.0倍。,（3）井下增压器钻井1993年，美国 FlowDril 公司开始研究井下超高压射流钻井。用井下增压器将1/7 1/10的泥浆增压至 240 MPa辅助切割。5口井现场试验，机械钻速是普通钻井1.1 3.5倍。,（4）超高压射流井底流场研究,井底附近不同径向距离横向漫流速度的变化规律图,深井高围压下喷嘴组合井底流场,两边喷嘴和倾斜中心喷嘴组合井底流场,横向剖面速度矢量 纵向剖面速度矢量 压力等值线,6.3、空化射流辅助深井钻井可行性,（1）空化现象和空蚀机理当流体中局部压力低于当地蒸汽压力时，产生空化气泡。水力机械中十分有害。（2）空化射流冲击压力P=Pi/6.35 exp(2/3)当=1/6 1/10 时，P=(8.6 124)Pi 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。（3）深井高围压下空化起始可行性如果突破，将不仅在钻井，而且其他方面有巨大作用。,2-2 在处理地层和增产中研究与应用,油水井近井地带孔隙堵塞严重，导致产量下降甚至停产。处理地层是石油工业稳产增产的重要措施。,一、高压旋转水射流 处理近井地层,现有解堵措施,化学解堵法向地层注入各种化学解堵剂溶解堵塞物。成本高，引起二次污染。物理解堵法利用各种振动和波的能量解除堵塞，同时降低原油粘度，改善原油流动性。原理优越，成本低，无二次污染。,首次研究成功了井下自动控制转速的阻尼液阻尼式旋转喷嘴，成功解决了处理地层的喷头旋转和旋转速度控制的关键问题。,在国内外首创了高压旋转自振空化射流处理近井地层新技术，在井下同时产生三种物理作用全方位处理地层，物理法处理地层技术突破性发展。,现场试验和应用,在辽河、胜利、中原等十个油田400多口油井和水井现场实验，平均单井增油幅度20-30%，单井增注幅度30-130%，有效率90%以上，具有工艺简单、成本低、无污染、效果显著等优点。工作压力：15-30MPa 工作排量：400 l/min 工作介质：清水或处理液 喷嘴直径：3.0-4.0 mm 处理时间：2-3 hr,2-2 在处理地层和增产中研究与应用二、磨料射流（水力喷砂）射孔割缝,常规射孔局限性钻井完井过程，产生近井污染带。常规炮弹射孔深度有限，穿不透污染带，且易产生压实带及二次污染。新井产能低，特别是低渗透油田更严重。,磨料射流射孔原理,根据水动力学动量-冲量原理，固体颗粒受水载体加速，高速冲击套管和岩石，产生切割作用。,利用高压磨料射流射孔原理，可射入地层约1.0米，穿透近井污染带，且松弛地层，大幅度提高射孔深度和质量，在产层创造出清洁的油气通道，避免炮弹射孔二次污染。,实验装置与方法,磨料加砂系统,喷嘴,岩样,（1）压力对射孔深度的影响,磨料射流射孔能力随压力的升高而增强，压力超过30MPa后，射孔深度增加趋缓；压力为40MPa时的射孔深度为25MPa时射孔深度的2倍。,（2）排量的影响,随排量增大射孔深度明显增加。当排量由153L/min增加到213L/min时，尽管压力由40MPa下降到30MPa，但射孔深度变化不大。排量大孔径明显增大，且孔中残留砂粒少。,（3）磨料类型的影响,相同条件下，石榴石的射孔深度要比石英砂的射孔深度大。硬度大、带棱角的磨料材料射孔效果好。考虑到成本、原料来源等因素，现场可采用石英砂。,（4）磨料浓度的影响,存在最佳浓度范围；最佳浓度值与磨料性质，岩石性质及射流的能量有关。本实验条件下最优浓度范围为6%8%。,（5）磨料粒度的影响,存在最佳粒度范围。本实验条件下为mm。磨料的最佳粒度值与靶件的脆塑性有关。脆性材料的最佳粒度值范围比柔性材料的范围大。,(6)射孔时间的影响,射孔深度与时间关系曲线,每种压力下在射孔初始，随时间的增加射孔深度迅速增加，一定时间后（本实验为15min）射孔深度基本不再增加，孔眼直径继续有所扩大。实际应用时，射流射孔时间宜控制在1530min。,（7）岩性的影响,岩性对水力喷砂射孔能力有较大影响，随岩石强度的减弱，射孔深度增大。当水泥岩样抗压强度由18.19MPa降低为11.51MPa时，喷射5min后的孔深由23.4cm增加到32cm。,1：3,1：2,褐砂岩,红砂岩,cm,(8)围压的影响,其他条件相同时，围压增加，射孔深度减小。压力相同条件下（30.0MPa），围压由0增加至8.5MPa时，射孔深度从23.4cm减少到9.0cm。围压从8.5MPa增加到20.0MPa时，射孔深度从9.0cm减少到5.5cm。,水泥样射孔割缝实验,最大射深：780mm移动距离：210mm实验条件：泵压：26MPa 时间：15min,1号孔600mm，孔径70mm，11min；2号孔长520mm，孔径65mm,3min。实验条件：泵压：26MPa,射穿处,1：4混凝土,1：4混凝土,天然砂岩射孔实验,磨料射流在压力2122Mpa，时间8.59.5min条件下：套管上孔径达1011mm；天然砂岩上最大孔径3060mm，射孔深度可达到780mm。,喷射参数的优化设计 压力排量：30 40 MPa 喷射时间：15 30 min 磨料类型:石英砂 磨料浓度：6%8%磨料粒径：0.4 0.6mm 喷 射 液：稠化剂HPG 0.2-0.5%，防膨剂KCL1-2%或DTE0.2-0.3%,现场施工工艺(1)通井检查套管是否破损；(2)洗井两周，用防膨液替出井筒内液体；(3)下入喷枪及施工管柱；(4)进行磁定位校深，保证喷枪下到正确位置；(5)装满足要求的井口，井口要用绷绳加固；(6)接好地面管线，走泵试压合格后，打开油管和套管闸门；(7)前置液试喷，根据试喷情况可现场调整施工排量；(8)携砂液喷砂射孔；(9)顶替携砂液出井筒；(10)必要时可以在顶替干净后关环空对产层进行高压挤注增产(11)关油、套管闸门，施工结束。,现场施工效果,现场试验11井次,能很好解除油层污染，对油层堵塞原因引起伤害的低产井，可以起到射孔解堵增产的双重目的。,1.不宜压裂井射孔增产2.低渗透地层改造3.水力喷砂割缝4.定向水力喷射压裂5.喷砂处理水泥塞和坚硬地层,生产初期常规炮弹射孔并加砂6m3压裂，试油产能低（6m3/d）。因固井质量差，常规射孔不宜进行压裂改造，故采用磨料射流射孔，提高井底完善度。设计用3个喷枪，每枪3个喷嘴，按1200夹角排列，共射9孔。经喷砂射孔后抽汲求产，日产油8.0 m3，不含水，施工效果良好。,现场施工井例-史125井,水力喷砂射孔现场试验史125井，生产初期常规炮弹射孔并加砂6m3压裂，试油产能偏低（6m3/d）。因固井质量差，常规射孔不宜进行压裂改造，故采用水力喷砂射孔，提高井底完善度。设计用3个喷枪，每枪3个喷嘴，按1200夹角排列，共射9孔。经喷砂射孔后抽汲求产，日产油8.0 m3，不含水，施工效果良好。,水力喷砂射孔小结对套管切割机理有切割磨损和变形磨损两种形式，对岩石破坏是锥状裂纹、径向裂纹和横向裂纹。深度和效率主要受流体参数、工作参数、磨料特性和岩石特性四方面参数影响。增产机理主要是解除近井地带污染，松弛密实圈，特别是克服炮弹射孔的压实污染，增加地层渗透率，增大油流通道。可作为不宜压裂井深穿透射孔、低渗透地层改造、水力喷砂割缝、水力喷射压裂等增产措施。,利用高压水射流破岩钻孔原理，在生产层创造出较大深度的清洁无阻的油气通道，射孔深度达3.0米之多，孔径达14-25毫米，可有效克服近井地层污染，是新井完井、低渗改造的一项有效新技术。工作压力：50-70 MPa 工作介质：清水或射孔液 喷嘴直径：2.0-3.0 mm 孔眼直径：14-25 mm 孔眼长度：3 m,三、高压水射流深穿透射孔,2-2 在处理地层和增产中研究与应用,2-2 在处理地层和增产中研究与应用,研究新型高效旋转射流，使用特殊设计的造斜器和旋转射流钻头，在老油井中对应生产层位置钻出多个超短半径（0.3米）的径向水平井网，使老井更新、死井复活，有效地开发稠油藏、薄油藏，大幅度提高原油采收率。,四、旋转射流钻径向水平井,1、前 言,水射流破岩钻大连续孔眼必须具备三个基本条件：一是形成的孔眼要有足够大的面积；二是形成的孔眼必须具有规则的形状；三是具有较高的破岩效率和钻进速度。常规的圆射流不具备这些功能，因此设计利用旋转射流。,2、旋转射流的速度分布,a-无因次喷距x/d=1b-无因次喷距x/d=3旋转射流的速度分布明显不同于普通圆射流。它不存在等速核，其上任一点都具有三维速度，即除具有轴向速度（U）外，还具有切向速度（W）和径向速度（V），而且轴向和切向的最大速度都不在射流中心，亦即是存在一个速度最大的环行带。,3、旋转射流的速度衰减规律,旋转射流的速度衰减比普通圆射流快得多，其最大轴向速度和最大切向速度与无因次喷距的关系可用下列两式来表示：,4、旋转射流破岩钻孔特点,旋转射流可以钻出大于喷嘴面积百倍的规则孔眼。并比普通圆射流的破岩效率高得多。旋转射流破岩形成的孔底成规则的内凸锥状，完全与圆射流形成的类半球状或锥状不同。其破岩成孔的过程和孔底形状如左图。,5、旋转射流井底流场分布,上图为平井底物理模型。下图为凸锥状井底模型。数值模拟结果表明：旋转射流的高速区集中在离开射流中心一定距离的一个圆环区域内，其中心部位为低速低压区；旋转射流冲击到井底后，一部分沿环空返回，而另一部分则被来流卷吸，形成很强的涡旋；高速区绕凸锥面螺旋前进，孔底部分正好占据了射流底速低压区的区间。,6、旋转射流破岩机理分析,旋转射流破岩机理不同于普通圆射流。它不单纯以冲击、拉伸、水楔作用破岩，而是以剪切破坏为主，并伴有冲蚀、拉伸破坏等多种形式。1、剪切破碎 利用岩石抗剪、抗拉强度低的特点，依靠旋转射流切向速度对岩石产生剪切破碎，从而大大提高破岩效率。2、冲蚀破碎 在垂直冲击力和横向流的联合作用下，圆环面积内岩石颗粒的胶结物或层理等弱面首先被冲蚀而脱离母体，射流对圆锥面的冲蚀作用使岩石颗粒迅速离开母体，减少了重复破碎，提高了破岩效率。3、拉伸破碎 旋转射流冲击井底的同时，对圆锥面产生拉应力，使岩石更容易产生垂直裂纹，裂纹在水楔作用下产生破碎。4、旋流磨削 携带着岩屑的返回流沿孔壁旋转返回，象磨粒一样磨削已形成的孔壁，扩大并光滑孔眼，提高了钻孔质量。,7、结 论,旋转射流具有三维速度，其能量集中在距射流轴心一定距离的圆环上。旋转射流综合运用剪切、拉伸、冲蚀和磨削等多种形式高效快速地进行破岩。利用旋转射流在喷嘴直径为6mm、压力为50-60MPa、岩石可钻性3-4级的条件下可以钻出120mm的连续孔眼，机械钻速可达10米/小时。使用该技术已在辽河、南阳等油田钻出3口超短半径径向水平井，取得了良好的增油效果。工作压力：50-60MPa 喷嘴直径：6.0 mm 井眼直径：100 mm 井眼长度：10-60 m,2-2 在处理地层和增产中研究与应用五、自激波动注水,注水开发过程中，由于水质不达标，所含污油和机械杂质等易造成近井地层堵塞导致渗透率下降。必须采取各种物理化学增注措施提高地层渗透性。自激波动注水技术利用射流动力学原理研制的自激波动水嘴与常规配水器结合，高压水通过自激波动器产生水力波作用，边注水边解堵，从源头解决注水堵塞问题，提高了地层的渗透性，降低注水能耗，延长有效注水时间。,自激波动注水器设计,设计出了一种新型的自激波动注水器，在室内模拟实验了压力波动特性和可靠性。,自激波动水力波沿轴向和径向的传播,射流压力振动波沿径向传播距离达100cm以上，沿轴向传播距离达600cm以上。,38059井注水压力逐步下降，水量逐渐上升，在完成150m3配注情况下，压力下降了5.8兆帕。,日注水量（m3/d）,典型井例分析,现场实验结果目前已下井11口，其中2口因套管问题停止试验，在井的9口井中，共有20个注水层段，其中可对比层段11个。现场试验表明，自激波动注水对因后期堵塞造成的地层吸水变差，具有明显的改善效果，平均注水压力下降2.1MPa，平均单层日注水量增加29m3，注水周期延长4个月，可实现边注水边改善注水状况，降低注水能耗，对一般注水井可延长注水周期。,2-2 在处理地层和增产中研究与应用六、高压水射流清洗钻杆油管利用高压水射流的水力冲击能量直接清洗钻杆油管内外表面的油泥、污垢、水泥和锈皮等，可实现内外表面同时清洗、通堵和清洗一次完成，水不用加热不用加清洗剂，管柱也不必在池中浸泡蒸煮。已在华北、胜利、辽河等油田新装或改造多条油管清洗线。仅需一次性设备投资，取代现有化学蒸煮工艺，每年可节约上百万元的燃油和药剂费用。因此，它与现有油管清洗工艺相比，具有工艺先进、成本低、无污染、通堵和清洗同时进行、不腐蚀管体、易自动控制等优点。,第三章 高压水射流工业应用,3-1 煤炭 石油 矿业3-2 炼油 化工 电力3-3 交通 铁道 船舶3-4 冶金 机械 轻工3-5 土木 建筑 民用3-6 军工 航天 核工3-7 医疗 医学,3-1 煤炭 石油 矿业-采煤 采矿 钻井 钻孔 掘进 除尘 降尘,降低钻削力和推进力 提高钻掘速度，降低成本 降低灰尘和摩擦火花，减少事故（降低70%80%）降低刀具磨损，延长寿命,3-2 炼油 化工 电力-管道 锅炉 换热器的清洗和除垢,常规化学法：成本高，污染腐蚀严重水射流方法：成本低，效率高，无污染 机械化自动化程度高，适用范围广 一般 3570Mpa，25190L/min,75350HP 超高压 200280Mpa，3.8523L/min,3-3 交通 铁道 船舶,路面开挖修整飞机跑道清胶船体清洗除锈铁路车斗清洗,3-4 冶金 机械 轻工-切割 除锈 除鳞 去毛刺 表面处理,与机械切割相比：提高切割速度 切边无损伤，保证切割质量 切割无粉尘，改善工作环境 与激光切割相比：对材料无热损害 无电磁辐射 不产生有毒有害气体 不产生电气伤害 与干喷砂除锈相比：无粉尘，易清理,3-5 土木 建筑 民用,应用：喷射注浆，加固地基 古建筑、古基础保存和再利用 防砂，固沙 地下水污染隔离 切割拆除废旧建筑 铺设或疏通沟渠管道 特点：施工简便，不影响原有建筑 速度快、成本低、注入加固材料可选择 噪音小、无振动、无污染,3-6 军工 航天 核工业-清除炸药、火箭推进剂、核废料,机械切割法 控制爆破法 水射流切割法：安全、高效 远距离遥控作业 选择性切割 无火星火花 废料控制回收，无污染,3-7 医疗 医学-不出血手术,肝切除 胆囊摘除 腹腔内粘连剥离,主要结论和前景展望,推广和完善第一、二、三代钻头，提高射流井底工作效率，提高钻井速度，降低钻井成本。发展超高压射流理论，研制超高压射流第四代钻头，探索提高深井和超深井钻井速度的新途径。完善和推广旋转射流处理近井地层、水力喷砂射孔、水力深穿透射孔技术，实现物理法处理地层采油技术的突破性发展。发展旋转射流理论，研究径向水平井钻井技术，使老井更新、死井复活，提高采收率。自激波动注水可实现边注水边改善注水状况，降低注水能耗，对一般注水井可延长注水周期。高效率切割，无污染清洗，前景十分广阔。,