高压水射流技术

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
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。
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。
L d
KN
MS
* d
D0
D0
D
D
K ＝F N
N
,
Ds D
2 ,
D d
2
2N 1
＝
4
N
2
Ds D
2
1
和
D d
2
1
Ds D
2
1
但
D d
2
c
d
d1 d2
喷嘴冲击压力 脉动比较
风琴管最好， 比锥型喷嘴高 24%~37%.
压 力脉 动 幅度 △ P (MPa)
压 力脉 动 峰值 Pmax (MPa)
16
Po=9.0MPa
14
d=10.0mm
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。
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 :
• 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--2000, 15届。
2. 美国水射流技术协会 (Water Jet Technology Associ.)： American Waterjet Conference, 1981-99, 10届。
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。
§1-4 水射流动力学计算
一、基本方程式
（1）伯努利方程
P1 V12 P2 V22
1 2 2 2 其中，P -- 压力，V-- 速度。
(1 5)
（2）连续方程
1V1A1 2V2 A2 二、射流速度
(1 6)
V = C (2P/)1/2
（1-7）
其中，V -- 射流速度，m/s；
C -- 流速系数；
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。
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、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 低压 中压 高压 超高压
压力范围 (Mpa) 0.5 ~ 20 20 ~ 70 70 ~ 140 140 ~ 400
泵类型
离心泵, 柱塞泵 柱塞泵, 增压器 柱塞泵, 增压器 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。
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。
12
10
8
风琴 管 No.4
6
风琴 管 No.5
亥式 腔 No.1
4
亥式 腔 No.2
锥 形喷 嘴
2
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
无因 次喷 距 S (mm)
14
13
Po=6.0MPa
12
Po=9.0MPa
Po=11.0MPa
11
No.4 风琴 管
10
d=10mm
9
8
7
6
5
4
3
2
4
6
8
10
12
14
• 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。
P -- 射流压力，MPa；
ρ-- 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
d 4Q
4Q
V C 2P
八、管路压力损失
(1-13)
ΔP = 71.24 Q2 / D5 R1/4
(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。
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
(1 9)
当 P -- MPa,Q -- cm3 /s, ρ-- g/cm3 时，喷嘴直径为：
d
2.22*1010 Q2
4
2C2P
(1 10)
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。
16
18
20
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。
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--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。
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。
六、射流冲击力
来自百度文库
F = 102Q2/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 = 0.0445 Q P1/2
其中，T -- 射流反推力，N； Q -- 射流流量， cm3 /s； P -- 射流压力，MPa。
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
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。
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：