1、高压水射流破碎岩石的原理1 引言高压水射流是近 30 年发展起的切割、破岩、清洗、除垢(锈)新技术，正越来越广泛地应用于煤炭、石油、化工、机械、建筑、交通、航空和军工等部门1。随着设备研制水平的提高，射流技术逐渐由高压向超高压方向发展，超高压水射流技术已成功地应用于金属、岩石与复合材料的精密切割、破碎和加工2，其应用领域不断扩大，应用前景十分广阔。但目前人们对水射流冲击破岩机理的认识仍然不够深入，造成这种局面的主要原因是水射流本身的复杂性，破岩过程短暂且变化多端，再加上岩石材料的透明性差，研究人员很难观察和捕捉到水射流冲击岩石时岩石内部应力应变及其他相关信号。对水射流作用下岩石产生的破坏主要以
2、哪种形式为主，是拉应力、切应力、还是压应力引起的，以及岩石破碎发展过程仍存在广泛的争论 3-5。水射流破岩机理的研究现状与存在问题包括:水射流破岩机理的研究，难点在于水射流加载特性和岩石破碎机理两方面；理论研究与试验研究手段存在局限，对水射流作用下岩石破坏机理的观点多，还没有形成统一学说；水射流的加载特性和岩石的破坏形式存在广泛争论；射流冲击下岩石的破碎主要与应力状态和材料强度有关，冲击中水射流产生的应力分布对确定破碎机理十分重要；数值方法对射流的描述较为简化，导致射流冲击载荷与岩石内部应力分布计算存在误差；水射流冲击下流体与岩石介质的祸合作用分析不够。2 水射流破岩研究进展2.1 淹没射流的
3、理论研究具有一定尺寸的液体不受固体边界的限制在相同或不同的介质中流动称为射流。当射流射入密度较射流本身密度小的介质中称为非淹没射流；当射流射入密度较本身密度大或相等的介质中称为淹没射流。淹没射流依其射入边界条件，又可分为自由射流及非自由射流。射流的密度与被射入介质的密店拼目等，且未被固体边界所限制(或这种限希可忽略)时，这种射流称为淹没自由射流。反之，称为淹没非自由射流。淹没自由射流的结构见图 2-1。固体边界对淹没非自由射流造成的影响见图 2-2。在油井内，喷嘴射出的射流通常是淹没非自由射流。图 2-1 淹没自由射流的结构图 2-2 淹没非自由射流的边界淹没自由射流从喷嘴射入相同的介质中，射
4、流便不断地扩大，当达到一定距离时，射流就在介质中消失。射流自轴又水你的喷嘴喷出后呈锥形扩散，锥形面也叫边界面，它将射流与介质分开。随着射流离开喷嘴距离的增加，射流的直径及水力参数不断变化，此变化的原因是射流在介质中受到粘滞胜和紊动性的影响。射流自喷嘴射出之后，则在射流与周围介质之间形成较大的速度梯度。由于粘滞胜的作用，射流与周围介质相混合，在边界上形成漩涡，这时，射流周围的质点一方面被射流带走，一方面产生了垂直与射流轴线的流动，发生紊动，这就造成动量交换。当这些质点进入射流范围时就把自己的动量传递给与射流相接触的液层。由于射流边界上质点的动量交换使得射流质量增加，直径变大，又由于能量消耗而使流
5、速逐渐降低。然而射流中心的流速并非一离开喷嘴出口立刻降低。在射流边界上速度为零，而中心附近仍保持着出口的速度，这一核心称为等速核。随着距离增加，等速核直径变小。到达一定的距离处，直径变为零，等速核消失。存在等速核的区域称为射流的初始核，在其后的部分叫射流的基本核。射流初始段的长度取决于喷嘴的形伏，流体的性质，雷诺数及喷嘴的流体压力等因素。射流自喷嘴射出后八 J分化，产生扩散，扩散角为:射流的速度分布可分为两部分，在初始段内，等速核内的速度不变。从等速核边界向外速度很快降低，至射流边界速度降为零。在等速核内的速度为:Aq.米洛维奇 7借助于气体射流的实验确定了射流基本段上的轴心流速沿射流长度方向
6、上变化的关系:据试验测定，=6，因此初始段长度 Lo=6do，但对于液体射流，射流基本段上轴心的流速不是按双曲关系在长度方向上变化，而是按高次曲线变化的。进一步的研究得知，在淹没射流中，t 0不仅与喷嘴出口直径有关，而且与喷嘴结构有关。对于淹没非自由射流，由于边界上回流的影响，使得射流边界在捉巨喷嘴较远的地方向中心收缩，在一定的距离上，边界收缩到一点，射流消失，在边界之外，为上返的回流。射流结构特点及其分布规律决定了射流中心动压力变化的规律。大量实验研究表明，不同结构喷嘴的射流中心动压力是不同的，但基本规律是一致的。射流的流体具有一定的密度，射流又具有一定的速度，射流前进的方向上遇有障碍物时，
7、射流就给它一个压力，这个压力就是射流的动压力，根据水力学原理可知，射流的速度越高，动压力越大。在射流的初始段，由于速度不变，中心动压力也是不变的，在基本段内，由于中心的速度随着距离 L 而变化，使中心的动压力随 L 的增加而急剧阳氏，见图 2-3。其变化规律可以下式:图 2-3 射流中心动压力分布AK.柯佐多依 8通过理论推导得出:喷嘴的几何形伏不仅影响射流等速核的长度，也影响射流中心动压力的分布。2.2 水射流结构的研究在早期的研究 8-11中，无论是对空气中的自由水射流还是淹没水射流，人们都把它看作是连续射流。通过大量的实验研究及理论分析，人们逐渐地认识到单纯的连续水射流是极少存在的。例如
8、，K.Yanaida 9-12在 1974 年提出的激光中研究空气中的自由水射流时，认为水射流是连续水射流。在 1978 年，他用照相方法及电子测量等技术来研究射流时，发现在空气中的自由水射流有一个从连续变为不连续的现象，他提出了射流“破裂”的概念。随后绍立西德的 F.Eramann-Jenitger13及中国矿院 14等学者及科研单位的研究，发现空气中的自由水射流都存在一个由连续的水射流变成微粒的过程。在靠近喷嘴出口的地方，射流可以近似的认为是连续的。由于水域边界上的空气发生能量交换，空气进入射流中就逐渐地使水射流断开，形成水片，继续与空气混掺，水片变成水柱，最后变成小水滴而雾化。从形成水片
9、开始，射流就变成了连续的了。对淹没射流来说，F.Eramann-Jesnitger 1316，N.C.Franz 15，J.B.Cheung17等人都证明了在使用一般的锥形喷嘴形成的射流中总是有空化气泡产生的。空化气泡进入射流就使射流变成不连续的了。空化气泡进入射流，给射流的特性带来很大的变化，因而引起了很多学者越来越多的注意，从理论及试验中研究空化现象的产生及应用。水在常温下是液体，当压强一定时，温度升高到沸点，水便汽化，形成蒸气泡。同样，当温度一定时，压降降低到一定值，水体也会汽化，出现气泡。这种因压强降低而发生流体中液体汽化的现象就叫空化现象(Cavitation)。天然水中含有大量的不
10、溶于水的直径为 10-3-10-4毫米的小气泡称为气核。空化气泡就是以气核为基础发育起来的。由水力学 18原理可知，在流速增加时，压降降低，在管路的收缩段，流速变大，压强降低。当压强降低到低于液体的蒸汽压时，液体就以气核为基础形成空化气泡。由流体力学原理知，在流速分离区的漩涡中心，压强较大的降低。流速越大，压强降低越大。因而易产生空化气泡，因此在高速水流中，凡是以产生漩涡的地方都是易于产生空化气泡的。在淹没射流中，由于射流边界与静止液体之间有速度梯度存在，己形成漩涡，因而易产生空化气泡。在喷嘴内部，也往往由于流速的突然变化而使压力降低，形成空化气泡。F Eradmann-Jeanitger 把
11、在射流边界上生成的空化气泡称为“自由”空化气泡；把在喷嘴内部生成的空化气泡称为“诱导”空化气泡。空化气泡不仅可以在淹没射流中产生，而且在空气中的自由射流也可以产生空化气泡。E.FBeutin 19等人证明，在空气中的自由水射流仅仅在喷嘴内部形成空化气泡，而在射流边界上不会有空化气泡产生。无论是淹没射流还是非淹没射流空化气泡的生成都下力时流变成不连续的。近年来又有脉冲射流出现。它是人为地使射流发出一定频率的脉动，形成一连串的自由液珠，可以明显地提高射流对固体材料的破碎作用，由于射流技术的发展，F.Eramann-Jeanitger 把射流分成三类:连续射流、冲击射流及混合射流。其形状如图 2-4
12、。图 2-4 射流的分类能引起被冲击的固体平面上有相对稳定的压力，载荷的射流叫连续射流。如图 2-4(a),只能近似地认为在空气中的自由水射流在靠近喷嘴出口附近的一小段水流是连续射流。在空气中产生液珠的自由水射流以及专门用脉冲设备产生的脉冲射流都属于冲击射流。冲击射流对固体平面所产生的压力载荷是随着时间而发生脉动的，如图 2-4(c)。介于两者之间的射流称为混合射流。例如含有空化气泡的淹没射流图 2-4,b(1)，自由射流中己出现水片，但尚未形成液珠的部分图 2-4,b(2)，都是混合射流。大部分的射流都是属于混合射流。混合射流对固体平面所产生的压力载荷，既有稳定的部分，又有波动的部分。3 高
13、压水射流冲积岩石介质流固耦合机理分析3.1 数值分析理论模型与计算参数运用全解耦流固耦合理论，建立了高压水射流冲击破岩系统的数值分析理论模型，水射流采用标准 k- 双方程模型和控制体积法，岩石采用各向同性弹性介质和有限元法，给出了水射流与岩石祸合的数值算法 20。按水射流冲击破岩示意图 3-1 建立计算的模型，计算了岩石在水射流速度为 447.2m/s, 547.7m/s 和 632.5m/s 冲击下流场规律和岩石内部的应力分布，为超高压水射流破岩机理的研究奠定基础。图 3-1 水射流冲积破岩示意图数值计算基本计算参数为:喷嘴直径 d=2.2mm，水射流驱动压力分别为100MPa、150MPa
14、 和 200MPa，按 Bernoulli 方程，其对应的喷嘴出口速度取v=447.2m/s、547.7m/s、632.5m/s，喷距(喷嘴出口到冲击面距离)h=20100mm，水的密度 =1000kg/m 3，粘度 0=0.001Pas，岩石介质弹性模量E=90GPa，泊松比 v=0.25。3.2 水射流冲积作用下岩石介质应力分布规律在水射流冲击的作用下，岩石介质的应力分布规律主要可归纳为如下儿方面。（1)冲击压力分布。图 3-2 给出了不同喷距下冲击面上压力分布规律。可以看出，最大冲击压力位于冲击中心，随径向距离增加冲击压力迅速衰减，有效冲击范围随喷距的增加而略有增加。图 3-3 为不同喷
15、距下轴心冲击压力的计算结果与试验结果对比 21。可以看出，两者基本吻合，数值计算结果比试验结果对应的值偏大，主要原因有两个:一是试验中的小孔法测量本身存在的试验误差，由其试验原理可知，小孔测压中心很难与喷嘴轴线对中，而且冲击压力径向衰减曲线陡峭，所测压力也只是冲击区平均值，测量值显然比实际小；另外一个原因是 k- 双方程数值模型在预测高速水射流也存在计算误差。但从总体上说，数值计算结果与试验结果基本一致，表明数值计算是可行的。图 3-2 不同喷距下冲击面上径向压力分布规律（v=632.5m/s）图 3-3 不同速度不同喷距下轴心冲击压力(2)最大和最小主应力分布。图 3-4 给出了射流速度为
16、v=632.5m/s 岩石介质内部最大主应力分布。可以看出，在射流冲击区，岩石介质处于受压状态(压力值为负)，在冲击中心，压应力值最大，随径向距离的增加，应力值迅速下降，并逐渐转为拉应力，最大拉应力位于冲击表面边缘某个位置。最大拉应力位置离冲击中心的径向距离与喷距呈线性关系(图 3-5)。对于像岩石类的脆性材料，其抗拉强度远低于抗压强度，在水射流作用下，介质表面存在拉仲破坏，拉仲裂纹在水射流冲击边缘开始产生，许多试验所观察到的现象是一致的。图 3-4 固体介质内部最大主应力分布（MPa）（v=632.5m/s，h=20mm）图 3-5 最大控应力位置随喷距的变化关系（v=632.5m/s）(3
17、)最大切应力分布。图 3-6 为射流 v=632.5m/s,h=20mm 时最大切应力分布规律。同样可以看出，切应力在径向方向随距离的增加而不断减小，切应力是由介质内部向表面扩展。图 3-7 给出了不同速度下岩石介质对称轴线上的最大切应力分布，可以看出，最大切应力并不在介质表面，而是在表面冲击中心下部约 0.5 倍喷嘴直径。如果以抗剪强度来表征介质的破坏，那么介质剪切破坏将从内部开始，形成剪切裂纹，裂纹进一步向冲击接触面扩展，使碎块脱离介质基体。图 3-6 岩石介质内部最大切应力分布（MPa）（v=632.5m/s，h=20mm）图 3-7 岩石介质对称轴线上的最大切应力分布（h=20mm）4
18、 水射流冲蚀岩石的影响因素高压淹没射流冲蚀岩石等脆性材料，其破坏机理是十分复杂的，影响其破岩效果的因素也很多，国内外学者看法不拐娇目同。尽管近几年来大量学者在这方面做了许多研究工作，普遍认为射流压力、喷嘴直径、喷射距离、喷射角度、喷嘴移动速度等几方面影响比较大。射流引起岩石的破坏主要是通过水楔作用，当水楔形成的拉应力与剪应力超过岩石的抗拉和抗剪的极限强度时就会在岩石中形成裂隙。裂隙初步形成和汇交后，水射流将进入裂隙的空间，在裂隙尖端产生拉应力集中，使裂隙迅速发展和扩大致使岩石破裂形成圆柱状冲击坑或漏斗坑。另外，Foreman 和 Secor提出，水射流冲击下岩石被破坏是由于:在岩石介质中引起应
19、力波和持续的水射流冲击应力场;水对孔隙和裂隙的刺入引起与拉应力的应力场相伴的内应力。总的说来，射流压力是影响破岩效果的一个相当重要的因素。喷嘴直径也是影口向破岩效果的又一重要因素，如果喷嘴直径过大势必影响射流压力的提高，过小则不能有效地清洁井底，不能产生足够大的水功率，这都不能有效提高破岩效率，所以适当的喷嘴直径的选取在石油钻井中显得尤为重要。喷射距离是破岩的一个至关重要的因素，加拿大 N.C.Franz 及 M.M.Vijay提出了用淹没射流冲蚀固体时有一个“最优距离”，在这个“最有距离”上，冲蚀体积达到最大。产生这一现象的原因是与淹没射流中产生的空化现象有关。在淹没射流中，锥形喷嘴在局部低压区产生空化气泡，当空化气泡移动到某个高压区，空化气泡就会爆破，如果在固体边界附近有.空化气泡爆破时，高压冲击波不断的传递到固体界面上，造感职寸材料的破坏，这种现象叫空蚀现象。
