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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 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。 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。 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 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69~103MPa，在5口3000米左右井中试验，钻速为21~85m/s，是常规钻速的2~3倍。 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。 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 （4）超高压射流井底流场研究 深井高围压下喷嘴组合井底流场 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 ( 2/3α)] 当α= 1/6 ～ 1/10 时，P = (8