第6講超高壓鉆井技術(shù)

第六講

超高壓射流鉆井技術(shù)

Super-highPressureWaterJetDrillingTechnology

主要內(nèi)容一、水射流基本分類二、水射流技術(shù)應(yīng)用范圍三、水射流基本參數(shù)四、淹沒射流結(jié)構(gòu)參數(shù)五、水射流動(dòng)力學(xué)特性六、超高壓射流鉆井技術(shù)七、高壓射流鉆徑向水平井技術(shù)八、高壓射流深穿透射孔技術(shù)一、水射流分類高壓水射流種類很多，分類方法也多種多樣，常用的以下幾種：1、按驅(qū)動(dòng)壓力壓力等級壓力范圍(Mpa)泵類型低壓0.5~20離心泵,柱塞泵中壓20~70柱塞泵,增壓器高壓70~140柱塞泵,增壓器超高壓140~400增壓器,水炮2、按射流介質(zhì)

牛頓流體:水,空氣；非牛頓流體:聚合物(CMC,PAM),泥漿。3、按環(huán)境介質(zhì)淹沒射流:在水中或其他液體中噴射；非淹沒射流:

水在空氣中噴射。4、按射流水力學(xué)特性穩(wěn)定射流:

各斷面流力特性不隨時(shí)間變化，僅隨位置變化；不穩(wěn)定射流:

各斷面流力特性不僅隨時(shí)間變化，且隨位置變化。5、按固壁條件

自由射流:

無固壁限制；

非自由射流:

有固壁約束。6、按施載方式

連續(xù)射流:開始峰值，后穩(wěn)低；

沖擊射流:短時(shí)峰值；

混合射流：二者之間。7、按介質(zhì)相

單相射流：水，PAM+Water；

多相射流：Gas-Liquid,Solid-Liquid.二、水射流的應(yīng)用范圍(Applications)主要五個(gè)方面:1.工業(yè)切割;2.挖掘,開采,鉆探;3.巖石切割掘進(jìn);4.表面清洗，除垢;5.材料破碎。十多工業(yè)部門：煤炭石油礦業(yè)煉油化工電力交通鐵道船舶冶金機(jī)械輕工土木建筑民用軍工航天核工醫(yī)療醫(yī)學(xué)三.射流基本參數(shù)流體參數(shù)

射流壓力噴嘴直徑噴嘴型式射流功率流速流量流體性質(zhì)射流反沖力磨料參數(shù)

磨料類型磨料流量磨料粒度混合管直徑工況參數(shù)

進(jìn)給速度靶距（噴距）流道數(shù)入射角切深或切寬切割體積比能靶件參數(shù)

靶件強(qiáng)度靶件硬度靶件孔隙度靶件滲透率四、淹沒射流的結(jié)構(gòu)特性初始段：軸心速度保持初始速度，Um=U0基本段：軸心速度小于初始速度，Um<U0等速核：各點(diǎn)速度等于初始速度的區(qū)域，Ui=U0內(nèi)邊界：射流速度保持初始速度的界限，Ux邊=U0外邊界：速度等于零的邊界，Ux邊=0

混合區(qū)：內(nèi)外邊界之間的區(qū)域。極點(diǎn)：射流外邊界延伸線的交點(diǎn)，虛擬射流源。五、水射流動(dòng)力學(xué)性質(zhì)1、基本方程式（1）伯努利方程其中，P--壓力，V--速度。（2）連續(xù)方程

2、射流速度V=C(2P/)1/2（1-7）其中，V--射流速度，m/s；C

--

流速系數(shù)；P--射流壓力，MPa；ρ--射流介質(zhì)密度，g/cm33、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--噴嘴出口截面積，cm2；d--噴嘴出口直徑，cm.4、噴嘴直徑當(dāng)P--MPa,Q--cm3/s,ρ--g/cm3時(shí)，噴嘴直徑為：此時(shí)噴嘴直徑d單位為cm。5、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--射流壓力，MPa。6、射流沖擊力F=102Q2/A

(1-12)其中，F(xiàn)--射流沖擊力，KN；

Q--

射流流量，cm3/s；

ρ--射流介質(zhì)密度，g/cm3；

A--噴嘴出口截面積，cm2。7、射流反推力T=0.0445Q

P1/2(1-13)其中，T--射流反推力，N；Q

--

射流流量，cm3/s；P--射流壓力，MPa。8、管路壓力損失

ΔP=71.24Q2/D5R1/4(1-14)

其中，ΔP--管路壓力損失，MPa/m；Q

--

射流流量，cm3/s；D--管路內(nèi)徑，mm；R--雷諾數(shù)，R=21115(Q/D)。

管路壓力損失與流量平方成正比，與管路內(nèi)徑5次方成反比。六、超高壓射流鉆井技術(shù)一、地面全增壓鉆井二、超高壓雙管柱鉆井三、井下增壓器鉆井1、地面全增壓鉆井70年代初美國開始進(jìn)行了高壓水射流技術(shù)用于深井鉆井的可行性研究，在地面利用增壓器將泥漿泵壓力提高至69-103MPa，在5口井深3000米左右的深井中進(jìn)行鉆井試驗(yàn)，機(jī)械鉆速提高2-3倍，在德克薩斯州進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴嘴壓降為69-138MPa時(shí)，在中等強(qiáng)度巖石中的機(jī)械鉆速為21-85m/h，而一般牙輪鉆頭機(jī)械鉆速僅為9-25m/h，當(dāng)噴嘴壓降為104MPa時(shí)，連續(xù)性射流可以沖擊破碎70-80%所鉆巖石。由于這種技術(shù)要求整個(gè)泥漿循環(huán)系統(tǒng)增壓，盡管可以獲得較高的機(jī)械鉆速，但不能在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的泥漿泵、水龍頭、鉆往、鉆頭噴嘴均不能可靠地、經(jīng)濟(jì)地在高壓情況下使用，此外循環(huán)系統(tǒng)壓力增大也會(huì)使作業(yè)出現(xiàn)難以想象的危險(xiǎn)。2、超高壓雙管柱鉆井

80年代末，美國Flowdrill公司開發(fā)出一種采用雙通道鉆柱，將超高壓液體和常規(guī)泥漿同時(shí)輸送到鉆頭的新方法。該系統(tǒng)對鉆機(jī)所用的水龍頭、方鉆桿、防噴閥、鉆桿、鉆鋌、穩(wěn)定器、接頭及鉆頭都進(jìn)行了改進(jìn)，以使高壓液和常規(guī)鉆井液分別通過各自通道輸送到井底，它以1.9-2.5l/s的排量輸送超高壓泥漿或水，使經(jīng)過改進(jìn)的三牙輪鉆頭上的工作壓力為230Mpa，而常規(guī)低壓的泥漿流只起井眼穩(wěn)定和清巖作用。八十年代末該公司開始在德克薩斯州和俄克拉荷馬州進(jìn)行了22口井工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)械鉆速比常規(guī)鉆井方法的機(jī)械鉆速提高2.2-3.1倍。工作方式：1、部分洗井液（1/10左右）超高壓流體進(jìn)入鉆具的中心管，通過鉆頭上的專用高壓噴嘴，以極高的速度沖擊井底地層，領(lǐng)先于鉆頭牙齒先切出一溝槽；2、鉆頭上的牙齒隨后對井底已有自由面的巖石進(jìn)行破碎，可大大提高破巖效率；3、大部分洗井液通過鉆具的內(nèi)環(huán)空流入鉆頭，到達(dá)井底，起到清巖、攜巖等目的。3、超高壓射流全面鉆進(jìn)

用水射流鉆井裝置

如右圖所示，水射流鉆井裝置是完全靠水射流沖擊破碎巖石。它可用于多種類型的井眼（如直井、斜井和水平井），還可用于取芯，對固結(jié)和非固結(jié)地層都可大大提高鉆速。水射流鉆井容易控制井眼方向，減少井眼漂移。4、井下增壓器鉆井1993年，美國FlowDril公司開始研究井下超高壓射流鉆井。用井下增壓器將1/7～1/10的泥漿增壓至240MPa輔助切割，經(jīng)5口井現(xiàn)場試驗(yàn)，機(jī)械鉆速是普通鉆井的1.1～3.5倍。井下液體增壓器井下液體增壓器是1993年美國的FlowDrill公司和美國天然氣研究聯(lián)合研制的。它實(shí)質(zhì)上是一種往復(fù)增壓器型超高壓泵。增壓器安裝在鉆頭的上方，其尺寸與普通鉆鋌的尺寸相近。

使用時(shí)鉆井液以常規(guī)的流量和比常規(guī)泵壓高10--14MPa的壓力泵入鉆柱，流向增壓器。增壓器把大約7%--15%的流體增壓到207Mpa以上，然后把這部分流體通過鉆頭內(nèi)的單獨(dú)流道輸出到鉆頭的一個(gè)加長噴嘴，射向井底，從而輔助鉆井。我國1994年開始立項(xiàng)研制井下增壓器，我校承擔(dān)了理論設(shè)計(jì)部分，目前已完成了室內(nèi)單元實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行設(shè)備的加工。

增壓器的基本設(shè)計(jì)參數(shù)：地面輸出泵壓150MPa井下輸出壓力150--200MPa

七、高壓水射流鉆徑向水平井研究新型高效旋轉(zhuǎn)射流，使用特殊設(shè)計(jì)的造斜器和旋轉(zhuǎn)射流鉆頭，在老油井中對應(yīng)生產(chǎn)層位置鉆出多個(gè)超短半徑（0.3米）的徑向水平井網(wǎng)，使老井更新、死井復(fù)活，有效地開發(fā)稠油藏、薄油藏，大幅度提高原油采收率。1、水射流破巖全面鉆進(jìn)技術(shù)水射流破巖鉆大連續(xù)孔眼必須具備三個(gè)基本條件：一是形成的孔眼要有足夠大的面積；二是形成的孔眼必須具有規(guī)則的形狀；三是具有較高的破巖效率和鉆進(jìn)速度。常規(guī)的圓射流不具備這些功能，因此設(shè)計(jì)利用旋轉(zhuǎn)射流。2、旋轉(zhuǎn)射流的速度分布a--無因次噴距x/d=1b--無因次噴距x/d=3旋轉(zhuǎn)射流的速度分布明顯不同于普通圓射流。它不存在等速核，其上任一點(diǎn)都具有三維速度，即除具有軸向速度（U）外，還具有切向速度（W）和徑向速度（V），而且軸向和切向的最大速度都不在射流中心，亦即是存在一個(gè)速度最大的環(huán)行帶。3、旋轉(zhuǎn)射流的速度衰減規(guī)律旋轉(zhuǎn)射流的速度衰減比普通圓射流快得多，其最大軸向速度和最大切向速度與無因次噴距的關(guān)系可用下列兩式來表示：

4、旋轉(zhuǎn)射流破巖鉆孔特點(diǎn)旋轉(zhuǎn)射流可以鉆出大于噴嘴面積百倍的規(guī)則孔眼。并比普通圓射流的破巖效率高得多。旋轉(zhuǎn)射流破巖形成的孔底成規(guī)則的內(nèi)凸錐狀，完全與圓射流形成的類半球狀或錐狀不同。其破巖成孔的過程和孔底形狀如左圖。5、旋轉(zhuǎn)射流井底流場分布上圖為平井底物理模型。下圖為凸錐狀井底模型。數(shù)值模擬結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)射流的高速區(qū)集中在離開射流中心一定距離的一個(gè)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)，其中心部位為低速低壓區(qū)；旋轉(zhuǎn)射流沖擊到井底后，一部分沿環(huán)空返回，而另一部分則被來流卷吸，形成很強(qiáng)的渦旋；高速區(qū)繞凸錐面螺旋前進(jìn)，孔底部分正好占據(jù)了射流底速低壓區(qū)的區(qū)間。6、旋轉(zhuǎn)射流破巖機(jī)理分析旋轉(zhuǎn)射流破巖機(jī)理不同于普通圓射流。它不單純以沖擊、拉伸、水楔作用破巖，而是以剪切破壞為主，并伴有沖蝕、拉伸破壞等多種形式。1、剪切破碎利用巖石抗剪、抗拉強(qiáng)度低的特點(diǎn)，依靠旋轉(zhuǎn)射流切向速度對巖石產(chǎn)生剪切破碎，從而大大提高破巖效率。2、沖蝕破碎在垂直沖擊力和橫向流的聯(lián)合作用下，圓環(huán)面積內(nèi)巖石顆粒的膠結(jié)物或?qū)永淼热趺媸紫缺粵_蝕而脫離母體，射流對圓錐面的沖蝕作用使巖石顆粒迅速離開母體，減少了重復(fù)破碎，提高了破巖效率。3、拉伸破碎旋轉(zhuǎn)射流沖擊井底的同