0 引言

水射流技术作为一种新技术，具有成本低、效率高、环保等优点，被广泛应用于石油天然气勘探开发中，如磨料射流钻井^[1-2]、超高压水射流钻井^[3]、水力脉冲空化射流钻井^[4-5]、磨料射流射孔增产^[6-7]、水力喷射分段压裂^[8]、高压水射流油井解堵以及高压水射流清洗油管^[9]等。结合现场工艺条件，在室内开展水射流模拟试验，既能优选射流的工艺参数，为水射流现场应用提供理论指导，又能提高作业效率，降低生产成本。目前，国内相关高校建设有水射流试验装置，如重庆大学高压水射流试验系统和中国石油大学水射流钻井试验系统等。但这些试验装置均存在一定的不足，比如系统集成度不高及功能配置不够齐全等。针对以上问题，笔者研制了一套集试验及控制功能于一体的高压水射流室内试验系统。该系统具有功能齐全、操作简单、安全性高等优点，能够为开展高压水射流试验提供条件。

1 系统组成模块

高压水射流试验系统由多个自主研发模块及标准模块组成，主要包含高压水射流试验台、磨料自动供给系统、3DPIV测试系统、高压泵站、模拟井下围压测试系统、全方位监控系统以及高压水射流试验系统状态监测与数据采集系统等。试验系统实物如图 1所示。

1.1 高压水射流试验台

高压水射流试验台为系统主体装置，其他模块通过与其集成实现不同功能，试验台外形尺寸(长×宽×高)：8.0 m×4.2 m×2.3 m。试验台主要由主机、试验台控制系统和试件承载平台3个子系统组成。各子系统的组成及特点如下。

(1) 主机的功能是实现各部件的运动调节，主要由主床身、喷嘴移动和旋转装置、靶盘调整和进给装置以及防护系统组成。主床身用于承载喷嘴部件及主体定位，喷嘴移动和旋转装置用于连接喷嘴与高压水管并控制喷嘴移动与旋转，靶盘调整和进给装置用于皮托管固定及定位，防护系统主要防止旋转部件和高压水射流对操作者造成伤害。

(2) 试验台控制系统由计算机主控系统、PLC、交流伺服电机及其驱动器、传感器、感应开关、电磁阀及触摸屏等组成。控制系统主要进行运动参数的设置。

(3) 试件承载平台采用型材焊接钢结构，主要用于放置及固定各类测试试件。

1.2 磨料自动供给系统

磨料自动供给系统主要由料斗、射流泵、高压磨料罐、阀座及混合腔等组成，各部件通过高压管路连接。该系统可实现纯水射流、自动加料与磨料水射流3种试验功能。磨料自动供给系统工作参数为：管路系统压力31.5 MPa，高压气动球阀工作压力31.5 MPa，高压安全阀整定压力31.5 MPa，管路通径18 mm，磨料罐容积200 L。装置外形尺寸(长×宽×高)：2 300 mm×1 550 mm×720 mm。

1.3 3DPIV系统

3DPIV系统主要由TSI630092型工业CCD相机、YAG New Wave双脉冲固体激光发生器、片光源系统、TSI610036型同步器以及INSIGHT4G组成。其中，激光发生器每个脉冲输出能量为240 mJ，脉冲频率15 Hz；CCD相机测速范围为0~1 000 m/s，分辨率为3 320×2 496(8 M)；同步器提供一对Flash Lamp和Q-switch信号，延时精度15 ns。此3DPIV系统测速精度达到了±1.0%，能够满足各类试验需要。

1.4 高压泵站

高压泵站主要由高压泵、水箱以及控制部分等组成，为整个试验系统提供高压水源。泵站型号为BRW-400，公称流量和公称压力分别为400 L/min和31.5 MPa。

1.5 模拟井下围压测试系统

模拟井下围压测试系统主要由硬件和软件两部分构成。其中，硬件包括井筒模拟装置、围压调节装置、压力流量测试装置及冲蚀靶件安装固定调节装置等。该系统可以模拟井筒和地层条件的压力环境。模拟井下围压系统工作参数为：围压筒内径180 mm，围压0~30 MPa，试件托盘夹持试件直径50~100 mm，筒内净长度600 mm，高压水进口管路承压70 MPa，工作介质为水和压裂液。

1.6 信息监测与数据采集系统

信息监测与数据采集系统包括硬件和软件两部分。硬件包括压力变送器、涡轮流量计、PLC及声光报警器等。应用软件通过1块PLC实时采集14个传感器的信息，并同时在2台显示器上分别显示监视界面和采集界面。系统可对纯水射流、磨料射流和超高压射流进行压力和流量数据的采集。其中压力测试范围0~30 MPa，流量测试范围0~400 L/min。

2 功能特点

高压水射流试验系统通过不同模块组合可以完成不同功能的试验测试。整套系统具有集成度高、功能配置齐全及操作简单灵活等特点。

2.1 高压泵+高压水射流试验台

利用高压水射流试验台的试件承载平台固定岩石试件，通过高压胶管将高压泵、主床身和喷嘴连接，可开展不同压力、不同靶距和不同类型岩石的纯水射流破岩试验。通过上述试验，可开展连续射流、脉冲射流、旋转射流等不同类型射流的破岩效率与破岩机理等方面的研究。

2.2 高压泵+高压水射流试验台+3DPIV控制系统

通过高压胶管将高压泵、主床身和喷嘴连接，再利用3DPIV测试系统，可开展不同压力的纯水射流流场测试试验。通过上述试验，可开展连续射流、脉冲射流和旋转射流等不同类型的纯水射流的流场结构特性测试以及对应喷嘴结构的优化研究。

2.3 高压泵+磨料自动供给系统+高压水射流试验台

利用高压水射流试验台中的试件承载平台固定岩石或金属等试件，通过高压胶管将高压泵、磨料自动供给系统、主床身和喷嘴连接，可开展不同压力、不同靶距以及不同类型试件的磨料射流破岩、切割和冲蚀试验。通过上述试验，可开展磨料射流的破岩效率、切割机理和冲蚀磨损等方面的研究。

2.4 高压泵+模拟井下围压测试系统

利用模拟井下围压测试系统中的冲蚀靶件安装固定调节装置固定岩石试件，通过高压胶管将高压泵、模拟井下围压测试系统和喷嘴连接，可开展不同井深、不同压力、不同靶距以及不同类型岩石的纯水射流破岩试验。通过上述试验，可开展连续射流、脉冲射流、旋转射流等不同类型的纯水射流在淹没条件下的破岩效率与破岩机理等方面的研究。

2.5 高压泵+磨料自动供给系统+模拟井下围压测试系统

利用模拟井下围压测试系统中的冲蚀靶件安装固定调节装置固定岩石或金属等试件，通过高压胶管将高压泵、磨料自动供给系统、模拟井下围压测试系统和喷嘴连接，可开展不同井深、不同压力、不同靶距以及不同类型试件的磨料射流破岩、切割和冲蚀试验。通过上述试验，可开展磨料射流在淹没条件下的破岩效率、切割机理和冲蚀磨损等方面的研究。

3 试验测试

为了对系统功能进行验证，开展了喷砂嘴出口流场测试试验、非淹没状态下磨料射流金属冲蚀试验、压力流量测试试验以及模拟井下围压条件下的的岩石冲蚀试验。

3.1 喷砂嘴出口流场测试

试验设备：3DPIV系统、高压泵、高压水射流试验台、信息监测与数据采集系统及其他辅助设备。试验条件：ø3.8 mm喷砂嘴，入口压力2和5 MPa。

图 2为入口压力2和5 MPa时喷砂嘴出口流场PIV图像。图 3为经过处理计算后入口压力2 MPa时的喷砂嘴出口流场。图 4为经过处理计算后入口压力5 MPa时的喷砂嘴出口流场。从图 2可以看出，压力越高，射流流场越宽。

从图 3和图 4可知：入口压力2 MPa时喷砂嘴出口流场最大速度为70.56 m/s，平均速度为61.25 m/s；入口压力5 MPa时喷砂嘴出口流场最大速度为111.22 m/s，平均速度为98.03 m/s，即压力越高，速度越大，符合实际情况。另外，从图 3和图 4还可以看出，射流轴心处速度最大，从射流中心向射流边界处速度逐渐减小，且沿轴线方向速度分布呈减小的趋势，符合射流流场特性。

3.2 非淹没状态下磨料射流金属冲蚀试验

试验设备：磨料供给系统、高压泵、高压水射流试验台、冲蚀试验用磨料及其他辅助设备。试验条件：ø3.8 mm喷砂嘴，冲蚀压力12和24 MPa。冲蚀后的钢板实物如图 5所示。

上冲蚀孔：冲蚀压力12 MPa，冲蚀时间63 s，使用磨料质量30 kg，钢板未冲穿，冲孔直径12.56 mm，孔深8.26 mm。

下冲蚀孔：冲蚀压力24 MPa，冲蚀时间158 s，使用磨料质量90 kg，钢板已冲穿，冲孔直径13.28 mm，背部砂岩体冲出孔深69.18 mm。

3.3 压力流量测试试验

试验设备：系统压力传感器、流量传感器、喷嘴入口压力传感器、喷嘴出口压力探针、靶盘自动调节装置、信息监测与数据采集系统及其他辅助设备。试验条件：ø3.2 mm喷砂嘴，压力4 MPa。试验结果见6。

从图 6可以看出：在试验条件下系统管路压力损耗较小，约为0.2 MPa；喷嘴出口探针测试位置压力约为2.5 MPa，与PIV流场测试结果相符。

3.4 模拟井下围压条件下磨料射流破岩试验

试验设备：模拟井下围压系统、磨料供给系统、信息监测与数据采集系统及其他辅助设备。

试验条件如下。

围压测试条件：ø3.2 mm入口喷砂嘴、ø4.5 mm出口喷砂嘴、压力1~20 MPa。

破岩试验条件：ø3.2 mm入口喷砂嘴、ø4.5 mm出口喷砂嘴、压力15 MPa。

围压测试试验结果如图 7所示。

从图 7可知，围压随着泵压的增大而增大。利用最小二乘法对试验数据进行拟合，得到泵压p_b与围压p_w的函数关系为：

(1)

在上述条件下利用本关系式可预测：围压要达到30 MPa，则需要的泵压约为126.45 MPa。

本次磨料射流破岩试验围压3.5 MPa，破岩时间65 s，冲孔直径27.50 mm，孔深26.40 mm。

4 结论

(1) 研制的新型高压水射流试验系统主要由高压水射流试验台、磨料供给系统、3DPIV测试系统和模拟井下围压测试系统等子模块组成，通过不同模块组合，可完成各类井下工具或靶体材料的结构优化、性能测试及机理分析试验。

(2) 试验结果表明，该试验系统功能齐全、操作简单、安全性高。该系统的成功研制，为高压水射流技术在石油工程中的应用奠定了基础。