高压水射流钻扩孔技术在井下煤层气开采中的应用研究(3)

（１）连续射流’

该种射流对流体施载开始时有一个短时的冲击峰值压力，之后是长期稳定的较低压力，射流源的总能量不随时间变化，通过喷嘴将流体连续喷射出去。这种射流的流动是连续的，属于稳定流动。在连续水射流的作用下材料的失效形式主要为剥蚀和断裂。连续射流的最大压力Ｐ与射流速度’，的关系如下：

Ｐ＝∥２／２

式中（２－１）ｐ—射流液体的质量密度。

（２）脉冲射流

脉冲射流的基本原理是：通过一定的装置将动力源（压缩气体、激波或火药突然爆炸等）提供的能量储存起来，并间断的将动力源的能量传给流体，流体获得能量后变为

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第２章井下煤层气开发高压水射流结构参数研究

高能流体通过喷嘴以高速喷射出去，形成类似于炮弹的脉冲射流，在瞬间将流体的能量转变为压力，作用在被打击的物体上，使之破坏。脉冲射流的性能取决于脉冲形成的频率、水击长度与射流直径之比和水击能量。脉冲射流导致材料的初期失效的脉冲压力（或称水击压力）为：

Ｐ２ｐｃｖ（２—２）

式中ｃ一声音在射流液体中的速度，在水中约为１５００ｍ／ｓ。

由此可见，为了达到最佳效果，脉冲压力要比射流打击力大。然而，基于脉冲射流的特点，靶件材料的失效可能由射流冲击力或打击力作用造成，也可能由两者综合作用造成。

（３）空化射流

空化射流就是人为地在水射流流束内产生许多空泡，利用空泡破裂所产生的强大冲击力来增强射流的作用效果。空化射流基本原理就是在液体射流内诱使空化发生，并让空泡长大，当含有这些空泡的射流冲击物体时，使空泡在物体表面及其附近破裂，空泡溃灭过程发生于瞬间，因而在局部产生极高的瞬时压力，当溃灭发生在固体表面附近时，水流中不断溃灭的空泡所产生的极高压力引起的反复冲击作用，产生的能量高度集中，并局限在许多非常小的面积上，从而在物体表面许多局部区域产生极高的冲击压力和应力集中，使物体表面产生破坏。

（４）磨料射流

在水射流中加入一定数量的磨料微粒，提高水射流的冲击能力，称这种混有研磨材料的水射流为磨料射流。磨料射流有后混式和前混式两种，由于后混式磨料水射流液固两相介质混合效果较差，大多数磨料射流主要采用的是前混式。这种水射流是以水为载体，磨料微粒被水射流加速，由于磨料微粒的质量比水大得多，且有锋利的棱角，所以磨料射流对物料的冲击力和磨削力要比相同条件下的高压水射流大得多；另外，磨料在水射流中是不连续的，其中的高速粒子流还会对物料产生高频冲击作用。

（５）旋转射流

旋转射流是在钻头不旋转的情况下产生的具有三维速度的扩散式射流。这种射流和普通圆柱射流最主要的区别在于，其外形呈明显的喇叭状，具有较强的扩散能力和卷吸周围介质参与流动的能力。

２．１．３煤层钻孑Ｌ高压水射流类型的选择。

水射流类型众多，根据用途的不同应选择相应的射流形式，既要能满足工程需要，

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中国石油大学（华东）工程硕士学位论文

解决工程问题，又不能过多增加成本，即达到技术、经济最优化。

脉冲射流、空化射流和磨料射流的共同优点是在相同压力下射流的破坏力比连续射流大。但是，脉冲射流的发生装置噪声大、密封难、易损坏、寿命短，难以推广应用。空化射流发生装置结构复杂，空化产生的控制较难，同时为了产生空化效果，射流流量比连续射流要大１０倍左右。磨料射流发生装置结构也较为复杂，磨料颗粒尺寸要求严格，射流喷嘴和钻头的磨损严重。连续射流发生装置相对简单，技术条件相对成熟。旋转射流具有破岩效率高、可以以较小的喷嘴直径钻出较大的孔眼。对于煤矿井下用于煤层气抽采的煤层钻扩孔，施工空间有限，钻孔直径小，煤的硬度不高。如果采用脉冲射流、空化射流或磨料射流中的任一种，一方面由于装置复杂，难以在煤矿井下安装使用，另一方面，不能完全发挥其射流高破坏力的作用，造成资源浪费。连续射流，装置简单，容易实现井下巷道钻孔施工，而且，相对煤的硬度，破碎、切削煤都能达到水射流煤层钻、扩孔要求，具有较好的钻、扩孔效果。因此，从技术和经济角度出发，水射流煤层钻、扩孔的研究和试验采用连续射流和旋转射流的型式。

如图２．２和图２－３所示。

图２－２偏置式自旋转直柱射流

Ｆｉ９２－２ｓｅｌｆ－ｒｏｔａｔｉｏｎｒｉｇｈｔｃｙｌｉｎｄｅｒｗａｔｅｒ

ｗｉｔｈｏｆｆｓｅｔｍａｎｎｅｒ图２－３旋转水射流ｊｅｔＦｉ９２－３ｓｗｉｒｌｉｎｇｗａｔｅｒｊｅｔ

２．２高压水射流结构

２．２．１一般紊流射流结构【７，１１－１２１

在自然界和工程中遇到的射流均为紊流射流，具有不均匀的时均速度分布，因此存在有横向的速度梯度，将产生时均切向应力即雷诺应力。从流动特性来看是属于剪切紊流流动，剪切紊流可以分为自由剪切紊流和壁面剪切紊流。壁面剪切紊流有固壁面存在，从壁面开始存在速度梯度，因而存在有切向的雷诺应力。自由剪切紊流是具有紊动性的流动，它和周围的无漩流（或静止的流体）被间断面相隔离。

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第２章井下煤层气开发高压水射流结构参数研究

气体和液体在很多的情况下都产生分离的表面，通常称为间断面，如紊流淹没射流和非淹没射流的外边界就是间断面。如果是射到大气中，称为自由射流。如果是射到同种介质中称为淹没射流。

在射流的外边界上，即间断面上，射流与周围介质相互作用将产生极不稳定的漩涡，其漩涡的运动可以是沿着横向的，也可以是沿着纵向的。而这些漩涡有大尺度的，也有小尺度的，其中大尺度的漩涡运输能量，小尺度的漩涡耗散能量。这些大大小小的漩涡运动和分布都是杂乱无章的、随机的。射流的内边界和外边界之间的区域为边界层。在边界层内由于漩涡的运动使流体质点之间产生质量、动量交换及温度交换。交换的结果是：在射流边界层内产生沿横向的时均速度，沿射流的轴向也将产生时均速度的变化。射流边界层横向宽度称为射流边界层厚度。

通过以上对射流一般概念的了解，并结合煤层钻孔高压水射流特性来看，其属于紊流淹没射流，射流结构分为起始段、过渡段、基本段，如图２４所示【７】。

基本段射线（外边界）

图２－４淹没射流示意图

Ｆｉ９２－４ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｕｂｍｅｒｇｅｄｊｅｔ

起始段：由喷嘴出口至等速核端断面之间的射流区域称为射流的起始段。该段的核心区内的速度等于喷嘴出口的速度，为有势流，在各点的速度大小、方向均相同。射流边界层内存在速度梯度，因而产生雷诺应力。在该区内随着喷距的增加核心区逐渐减少，最后消失。过度段由此断面开始。

过渡段：从等速核消失的断面到转折断面之间的区域为过度段。过渡段中的流动极其复杂，射流计算中通常忽略。

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图２－５轴向动压力随靶距变化的双曲线关系

Ｆｉ蜉－５ｈｙｐｅｒｂｏｌａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆａｘｉａｌｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｖａｒｉａｔｉｎｇｗｉｔｈｔａｇｅｔｄｉｓｔａｎｃｅ

基本段：转折断面以后的区段称为基本段。在该段中射流的紊动特 …… 此处隐藏：2764字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……