2. 中国石油技术开发有限公司;
3. 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室
2. China Petroleum Technology & Development Corporation;
3. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum(Beijing)
0 引言
水射流技术的应用领域非常广泛，在石油行业，高压水射流以其独特的优势得到了快速发展。一方面，在钻井过程中，为了避免重复切屑，可使用高速钻井液冲击井底，快速清理岩屑，提高井底的清洁程度；同时还可利用高速钻井液的冲击力与水楔作用，辅助钻头破碎岩石[1]。另一方面，在油气开采过程中，当井下储层堵塞而导致其单井产量急剧下降时，可采用旋转自振空化射流发生装置产生的高压水射流冲洗储层，形成高频振荡水力波及空化噪声冲击储层，达到解堵的目的[2]。此外，国内学者李根生等开发了一种水力喷砂射孔与分段压裂联作技术，技术思路是先使用地面泵组泵送混有磨料的高压流体快速通过喷嘴，流经喷嘴断面的高压磨料射流在井周岩石表面形成一定深度的冲蚀坑，保持管柱不移动，再利用压裂液压开地层，最后上提管柱至下一压裂位置，重复上述操作。值得注意的是，上述技术的现场实施都需优化射流参数，因此有必要设计出合适的室内试验装置模拟井下围压环境。针对这些问题，国内学者开展了许多研究工作。
艾池等[3]结合试验数据与水射流动力学理论研究了围压对水射流紊流特性的影响，试验结果表明围压会抑制水射流压力脉动，动压力衰减比无围压条件下更快。文献[4-9]利用自主研发的设备研究了围压下水射流冲击力与破岩效果的变化规律。研究结果表明，当其他条件不变时，围压将降低水射流冲击力与破岩效果，但降低速度随围压增大而逐渐放缓。文献[10-13]试验研究了围压下喷嘴压降、喷射距离与喷嘴直径等参数对磨料射流切割能力的影响规律，试验结果显示，围压会削弱磨料射流切割能力，且围压越大，削弱能力越强。2009年，向文英等[14]借助高速摄像机研究了围压下空化磨料射流空泡云的生长过程，发现围压下空泡云经历了膨胀、压缩、再膨胀、压缩、溃灭的过程，且围压造成了空泡云长度不稳定。廖华林等[15]利用自主设计的试验装置研究了围压对三种不同类型喷嘴产生的空化磨料射流的冲蚀特性的影响，研究发现增大围压会降低空化磨料射流的冲蚀效率。易灿和张德斌等[16-17]使用试验手段探索了围压下自振空化射流水力性能随喷嘴压降和喷射距离等参数的变化规律，发现自振空化射流的冲蚀能力随围压的增大呈现先增大后减小的趋势，但其脉动峰值却与围压的作用呈负相关。此外，步玉环等[18]研究了围压对旋转射流的影响规律，高传昌等[19]试验研究了不同围压下自吸式脉冲射流的装置性能。
尽管上述学者针对围压下水射流特性开展了大量的研究工作，但在这些研究中，围压条件最高为20 MPa，最低为0.1 MPa，而国内深井超深井的围压一般都超过45 MPa。毫无疑问，上述研究成果对于深井超深井钻井工作的指导作用有限，因此研究人员需设计出更符合深井超深井现场实际的试验装置。
中国石油大学(北京)高压水射流实验室长期从事高压水射流的基础研究与油田现场的应用研究，先后研发出加长喷嘴牙轮钻头、自振空化射流技术与水力喷砂射孔与分段压裂联作技术。近年来，随着油气资源勘探开发逐渐向深层推进，研究团队对深井超深井围压下水射流的冲击作用与破岩效果开展了相关研究。高围压水射流破岩及冲击力测试装置可以在试验过程中提供60 MPa的围压，且能控制喷射距离和测量喷射压力等多种参数，为开展高围压下的水射流研究提供了设备支持。
1 装置简述及核心部件分析 1.1 工作流程高围压水射流破岩及冲击力测试装置工作流程如图 1所示。
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| 图 1 高围压射流综合测试装置工作流程示意图 Fig.1 Schematic diagram of the high confining pressure jet integrated test equipment |
1.2 结构及原理
装置主要由高压柱塞泵、射流喷嘴夹持机构、高压射流釜、岩屑过滤器、围压调节机构以及信号采集与控制平台等部分组成。该测试装置的原理是：通过调节高压射流釜出口处的流体排量，改变其入口与出口压力差，从而在射流釜中形成高压状态，即提供水射流的高围压环境。因此，该测试装置的关键部分是抵抗高内挤压力的射流釜和调控射流釜出口压力的调节机构。协调运行各组成部分，高围压水射流破岩及冲击力测试装置能够实现以下功能：
(1) 模拟钻井过程中的高围压环境(不高于60 MPa)，研究喷嘴直径、数量(1~3只)、压降及喷距(0~350 mm)等参数影响下的水射流冲击力，揭示水射流冲击力随各参数的变化规律。
(2) 模拟钻井过程中的高围压环境(不高于60 MPa)，研究喷嘴直径、数量(1~3只)、压降及喷距(0~350 mm)等参数影响下的水射流破岩能力(破岩深度及体积)，并探究破岩能力随各参数的变化规律。
1.3 装置的核心部件 1.3.1 高压柱塞泵高压柱塞泵主要由柴油机、台上传动箱、发动机、传动轴、减速箱和三缸泵等装置组成。该高压柱塞泵最高排量为0.7 m3/min，最高压力为80 MPa。
1.3.2 射流喷嘴夹持机构射流喷嘴夹持机构包含进水口、转动杆、上釜盖接头和射流喷嘴等部件，如图 2所示。
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| 1—压力传感器；2—安全阀；3—放喷阀；4—转动杆；5—上釜盖接头。 图 2 射流喷嘴夹持机构 Fig.2 Jet nozzle clamping mechanism |
进水口采用高压水龙头结构调节进水管线和高压密封。转动杆上端连接螺旋杆，下端装有喷嘴接头，中间与进水口及上釜盖接头相接。上釜盖接头通过动密封与转动杆连接，旋转该接头可以使射流喷嘴转动。射流喷嘴是水射流形成的关键。该测试装置设计加工了多个射流喷嘴，如图 3所示。此外，利用电动机与位移传感器可精确控制射流喷嘴的喷射距离，也可实现喷距手动微调，同时在射流喷嘴上、下移动的传动轴上装有限位器，以防止电动机移动过位。
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| 图 3 射流喷嘴 Fig.3 Jet nozzle |
1.3.3 高压射流釜
高压射流釜由釜壁、上下釜盖、岩心固定器及测压靶盘等部分组成，其材质均为不锈钢，结构如图 4所示。
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| 1—卡箍；2—上釜盖；3—釜壁；4—螺栓；5—视窗；6—底座；7—下釜盖；8—卡箍导轨。 图 4 高压射流釜 Fig.4 High pressure jet kettle |
釜壁承压上限是60 MPa，且在两侧带有视窗。上、下釜盖内径与釜壁内径一致，上釜盖利用螺栓固定在釜壁上，下釜盖与底座固定连接。岩心固定器与测压靶盘均安装在下釜盖上。为了更换岩心固定器与测压靶盘，下釜盖采用高强度卡箍与釜壁高压密封，釜壁利用自身重力紧紧地坐落在带有橡胶密封圈的下釜盖上，最后利用卡箍抱紧釜壁与下釜盖。根据下釜盖的密封方式，本测试装置装备了电动机驱动的自动升降机构(见图 5)，只需给予计算机上升指令，电动机就能旋转螺旋杆使上釜盖和釜壁向上移动。
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| 1—手动摇柄；2—位移传感器；3—电动机；4—限位器；5—螺旋杆。 图 5 自动升降机构 Fig.5 Automatic height adjustment mechanism |
高压射流釜内配有测压靶盘(见图 6)，其作用是测量高围压水射流在同一平面不同位置处的冲击力。在测压靶盘上，沿着靶心顺时针螺旋分布了16个测压点，如图 7所示。当水射流接触测压点时，位于测压点下面的压力传感器实时地将数据传递给计算机，计算机记录数据，给后续试验结果分析提供依据。
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| 1—测压靶盘面；2—橡胶密封圈；3—压力传感器。 图 6 测压靶盘 Fig.6 Target disk for testing |
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| 图 7 测压点分布示意图 Fig.7 Schematic diagram of the pressure measuring target disk |
1.3.4 岩屑过滤器
在试验过程中，为了防止破碎的岩屑进入背压阀而破坏阀针，高压射流釜出口处装备了岩屑过滤器，如图 1中棕色虚线框内所示。岩屑过滤器由两节组成，第一节采用400目过滤网进行初步过滤，第二节采用800目过滤网进行精细过滤。两节岩屑过滤器内的过滤网均可拆卸更换。同时为了清洗岩屑过滤器，岩屑过滤器设计成可摇摆定位结构。试验时岩屑过滤器水平放置，清理时岩屑过滤器可摇摆至垂直位置。
1.3.5 围压调节机构测试装置中围压的形成是由于高压射流釜进口压力与出口压力存在数量差，所以适当调节进口压力与出口压力就可获得压力上限内的任一围压。为了精确调节高压射流釜出口压力，测试装置采用双级调压方式。
围压调节机构如图 8所示。第一级为手动调压方式，可初步调节出口压力；第二级采用调压阀并联的调压方式，其中一条支路采用高压背压阀，其压力控制范围为1.4~70.0 MPa，另一支路使用由计算机精细操控的电子压力控制器。此外，为了测量试验过程中流经高压射流釜的流体流量，测试装置装备了电磁流量计，测量范围为0~3 L/s，且可在计算机上实时记录具体的流量值。
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| 1—第一级调压杆；2—电磁流量计；3—电子压力控制器；4—高压背压阀；5—第二级调压杆。 图 8 围压调节机构 Fig.8 Confining pressure adjustment mechanism |
1.3.6 信号采集与控制平台
在试验过程中，入口压力、出口压力、流体流量、测压靶盘压力值和喷嘴位移等数据可以在计算机上实时显示。计算机内装有一套专门设计的软件，软件采用Delphi编程，具有气体参数转化和数据分析的功能。软件开启之后，测试装置的工作流程显示在液晶显示器界面上，操作人员可手动输入或以人机对话方式设定试验参数。待试验参数设定好后，无需试验人员值守，计算机就可自动采集所有压力、温度和流量值，并将采集的数据处理后生成原始数据报表、分析报表以及曲线图，同时也生成数据库格式文件以便用户灵活使用。
本测试装置为高压设备，需具备高度的安全性，因此在高压射流釜和岩屑过滤器的入口处都装配了美国HIP公司生产的安全阀。该安全阀可信度和灵敏度高，反应快捷，当高压射流釜或岩屑过滤器的压力超过设定的安全值时，安全阀将自动开启释放压力，提醒操作人员停泵，从而保证管路和人员的安全。
2 试验过程及分析 2.1 高围压水射流冲击力测试试验为了探究喷距对高围压水射流冲击力的影响规律，利用高围压水射流破岩及冲击力测试装置开展了水射流冲击力测试试验。
本次试验采用直径为2 mm的空化喷嘴，喷距设置为3d、4d、5d、6d和7d(d为喷嘴直径)，水射流的围压环境为60 MPa，泵压为75 MPa，测量水射流中心处的冲击力。此外，保持试验条件不变，测试3d喷距下水射流在同一水平面不同位置处的冲击力。试验结果如图 9所示。
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| 图 9 围压60 MPa下高压水射流中心冲击力随喷距的变化曲线 Fig.9 Effect of the jet distance on the impact force of the water jet center under the confining pressure of 60 MPa |
从图 9可以看出，当围压为60 MPa时，水射流中心冲击力随喷距的增加而减小，最大为70 MPa，最低为66 MPa，这说明高围压对水射流有明显的抑制作用。
测压靶盘上共有16个测压点，各点半径不一样，最大50 mm，在3d喷距、60 MPa围压、75 MPa泵压试验条件下，其变化规律如图 10所示。
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| 图 10 围压60 MPa、3d喷距下测压靶盘各点压力值 Fig.10 Measured pressure values of the pressure measuring target under the pressure of 60 MPa and jet distance of 3d |
从图 10可以看出，水射流在同一水平面上的冲击力随距离增加而迅速衰减，半径3 mm处的压力值仅为61.8 MPa，当半径大于25 mm时，射流几乎消失。上述试验结果表明，高围压对水射流的压缩作用大，即使在小喷距下，水射流的冲击范围也有限，射流冲击力在同一水平面上衰减迅速。
2.2 高围压空化射流破岩试验为了测试不同围压下空化射流的破岩效果，利用高围压水射流破岩及冲击力测试装置开展了空化射流破岩试验。
本次试验采用直径为2 mm的空化喷嘴，喷距设置为6 mm，水射流的围压环境为40、45和50 MPa，喷嘴压降为20 MPa。试验结果如图 11所示。
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| 图 11 不同围压下空化射流破岩冲蚀坑直径变化曲线 Fig.11 Effect of the confining pressure on the diameter of the rock erosion pit under cavitation jet |
图 11显示，随着围压升高，空化射流形成的破岩冲蚀坑直径逐渐减小，但减小幅度逐渐下降。可能的原因是40 MPa围压已经对空化射流产生了足够的压迫，继续增大围压将降低围压对空化射流抑制作用的增强幅度。
3 结论(1) 高围压水射流破岩及冲击力测试装置可以完成0~60 MPa围压下、0~350 mm喷距内的1~3只喷嘴产生的水射流冲击力和破岩效果的测试，通过冲击力测试试验与空化射流破岩试验验证了该装置的可行性。
(2) 射流冲击力试验结果表明，在60 MPa围压条件下，水射流中心处的冲击力随喷距的增加而减小，水射流在同一水平面上的冲击力随距离增加而迅速衰减。
(3) 破岩试验结果表明，在3d喷距、20 MPa喷嘴压降试验条件下，随着围压从40 MPa提升至50 MPa，空化射流形成的破岩冲蚀坑直径逐渐减小，但减小幅度逐渐下降。
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