㈠ 怎樣做水的壓力與水有關的實驗
材料：1個裝牛奶的矩形豎直紙盒、1卷膠帶、1個釘子、水若干、平盤
操作：
1. 放好牛奶盒，用釘子在任意一個側面戳三個孔。三個孔的位置分別是底部、居中和上部。
2. 用膠帶把三個孔封住。
3. 將紙盒中加滿水。
4. 將平盤放在有孔的側面的下方，將膠布撕開。觀察三個孔的噴水有什麼不同。
講解：
1. 實驗發現，從底部流出的水噴射得最遠，其次是中部的水，噴得最近的是從頂部噴出的水。
2. 水的壓力由深度決定，水越深，壓力就越大；水越潛，壓力就越小。
㈡ 海洋鑽井噴射下導管模擬實驗研究
張 輝 柯 珂 王 磊
（中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）
摘 要 水力參數是影響深水鑽井表層噴射下導管作業安全順利施工的重要因素之一。本文設計和建立了噴射下導管模擬實驗系統，選取與海底淺層土性質接近的土樣，對噴射下導管作業進行室內模擬實驗。通過改變噴嘴直徑和排量等參數，研究水力參數對導管承載力的作用規律。通過對實驗結果分析發現，當作業排量和射流速度等水力參數超過某臨界值時，水射流對導管壁外側區域的土體產生過度擾動，使導管的豎向和橫向承載力均發生較為明顯的突降。因此在實際作業中，應當在控制水力參數提高破岩效果的同時，避免為增大導管的下入速度而使用過大的水力參數。
關鍵詞 深水鑽井 噴射下導管 模擬實驗 水力參數 承載力
Simulation Experiment Research for Jetting Conctor
in Offshore Drilling Operation
ZHANG Hui，KE Ke，WANG Lei
（Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China）
Abstract Hydraulic parameter is one of the most important influence factors for the successful operation of jetting conctor in offshore drilling.The simulation experiment system is designed and built.With the soil sample that has the similar properties with shallow seabed soil，the laboratory experiments are performed to simulate the jetting conctor operation.By using the different jet diameters and different displacements，hydraulic parameters are changed in experiments to research the influence regulators of hydraulic parameters on bearing capacity of conctor.As is shown in experiment results，both of the horizontal and vertical bearing capacities are significantly reced when the jet velocity or replacement is beyond the critical value.The reason is that the soil outside of the conctor is severe disturbed by the jet.The reasonable hydraulic parameters should be selected in jetting conctor operations to increase the efficiency of rock breaking while to avoid the severe disturbance to the soil outside of conctor.
Key words deepwater drilling；jetting conctor；simulation experiment；hydraulic parameters ；bearing capacity
噴射下導管技術是解決海洋鑽井表層作業難題的特色技術之一。使用噴射方法下入導管，對於深水作業是一項經濟有效的技術措施，不僅能夠節約作業時間和成本，同時能夠降低深水作業風險。近年來，隨著國內深水及超深水油氣資源勘探開發活動的不斷增加，噴射下入導管技術在我國南海海域得到廣泛應用。目前，中海油及Husky 、Devon、Chevron等國內外石油公司在中國南海區域所鑽的深水及超深水井絕大多數採用噴射方法下入導管。
在噴射下導管作業過程中，水射流破土在導管下部地層破碎過程中起到重要作用。射流參數過小，導管下部土體無法得到充分破碎，將使導管的下入阻力增大；射流參數過大，對導管外部土體過度擾動，將影響導管下入後承載能力的恢復。因此，本文通過室內模擬實驗，研究射流參數對導管噴射下入過程及導管承載力的影響規律，為噴射下導管水力參數設計提供依據。
1 噴射下導管作業介紹
噴射下導管作業過程中，將底部鑽具組合置於導管內部，通過送入工具與導管相連，並由送入管柱送達海底。導管到達泥線處時，在依靠重力作用進入地層的同時，開泵驅動馬達使鑽頭旋轉，對導管內的土體進行破壞，並循環鑽井液將岩屑從導管與鑽柱的環空返出。導管下入過程中，靠鑽頭旋轉與水力作用聯合破岩，並在導管自重及送入工具的重力作用下克服導管的下入阻力進入地層。導管到達設計深度後，經過一定時間的靜止，在導管與地層土之間建立足夠的膠結強度，保證導管在後續作業中有足夠的承載能力。
噴射下導管技術將鑽井與下導管兩項作業 「合二而一」 進行，一趟鑽完成了鑽井眼與下導管兩項作業，並省去了固井環節。將這項技術應用於深水鑽井導管下入作業，不僅節約了在上千米深水中多次起下鑽的作業時間，同時避免了常規下導管時，容易受到深水海域環境載荷的影響而找不到井口的風險和復雜情況，以及深水海底低溫帶來的固井質量差等技術難題［1～4］。
2 噴射下導管作業室內模擬實驗
2.1 實驗總體思路
用金屬管作為模擬導管，沿金屬管軸向設置應變片，用小型水泵模擬導管的噴射下入過程，並記錄導管的下入速度。導管下入後靜置一定時間，測試導管的豎向和橫向承載力。採用不同的排量、噴嘴尺寸等參數，重復進行實驗，最終得出導管承載力隨排量、射流出口速度等水力參數變化的規律。
2.2 模擬實驗系統設計
2.2.1 實驗系統整體組成
噴射下入導管室內模擬實驗系統示意如圖1所示，主要包括土箱、管柱系統、循環系統、載入系統、測量系統等組成部分。
2.2.2 載入系統
載入系統包括對模擬導管的豎向載入和橫向載入。通過千斤頂對導管施加豎向上拔力及橫向推力（圖2，圖3），並通過壓力感測器實時採集載入過程中的壓力變化值。
圖1 噴射下導管模擬實驗系統示意圖
圖2 豎向載入系統
圖3 橫向載入系統
2.2.3 測量系統
測量系統主要對載入過程中導管頂部的豎向和橫向位移進行實時測量。通過在導管上部的鐵盒處連接位移百分表（圖4，圖5），測量導管頂部的位移隨載入載荷變化的規律。
2.3 實驗參數
實驗採用表1中的排量及噴嘴尺寸組合，得到不同的水力參數，分別實現：
1）保持噴嘴射流出口速度為23.58m/s，改變排量。
2）保持排量為1.07m3/h，改變噴嘴射流出口速度。
圖4 豎向位移測量系統
圖5 橫向位移測量系統
表1 實驗參數
2.4 實驗步驟
實驗按照以下步驟逐組進行：
1）將導管直立吊起至實驗土層上方、土箱中間位置處。
2）控制大鉤使管柱勻速緩慢下沉入泥，管柱入泥的前1m不開泵。
3）管柱入泥1m後開泵。開泵時先用小排量，逐漸增大至設計排量值。
4）緩緩釋放大鉤，使管柱在自重及射流聯合作用下逐漸下沉。下放過程中保持勻速，並保證管柱的垂直性。
5）管柱到達標記位置後，停泵，並用大鉤吊住管柱靜止20min。
6）釋放大鉤，觀察管柱是否發生沉降。
7）靜置管柱恢復4h之後，對管柱進行承載力測試。
8）在導管頂部中心位置處施加豎向上拔力，以位移40mm作為標准，記錄導管頂部的豎向位移量。
9）在導管頂部固定位置處施加橫向推力，以位移40mm作為標准，記錄導管頂部的橫向位移量。
10）拔出導管，重新整理土樣，更換實驗參數，重復實驗。
2.5 實驗結果及分析
2.5.1 實驗現象
實驗過程中，觀察到的實驗現象如下：
1）導管能夠在自重及輔助壓載作用下下入指定深度。導管下入時，可見泥漿從管內返出的現象，如圖6所示。初始返漿位置多在導管下入1.5 ～2m位置左右。
圖6 泥漿從管內返出
2）導管下入到指定深度後吊住靜止20min，釋放大鉤，多數情況下能夠保持在下入位置。在少數排量較大的情況下，發生了導管下沉3～10cm的情況。
通過上述實驗現象，證明本實驗可近似模擬噴射下入導管現場作業過程。
2.5.2 實驗結果分析
1）射流出口速度保持在23.6m/s不變的情況下，導管的豎向及橫向承載力隨排量的變化曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，管柱的豎向及橫向承載力隨排量的增大而降低。在射流出口速度為23.6m/s的條件下，曲線上對應於排量為1.07m3/h（噴嘴尺寸為2mm）時，管柱的豎向及橫向承載力均發生較為明顯的突變。
圖7 射流出口速度不變，排量對管柱承載力的作用規律（砂土中）
2）排量保持在1.07m3/h不變的情況下，導管的豎向及橫向承載力隨射流出口速度的變化曲線如圖8所示。
圖8 排量不變，射流出口速度對管柱承載力的作用規律
從圖8中可以看出，管柱的豎向及橫向承載力隨射流出口速度的增大而降低。在排量為1.07m3/h的條件下，曲線上對應於射流出口速度為23.65m/s（噴嘴尺寸為2mm）時，管柱的豎向和橫向承載力均發生較為明顯的突變。
3 實驗結果與理論計算對比
當水力噴射破碎地層的范圍恰好達到導管壁位置處時，對應的射流出口速度稱為射流破土的臨界射流出口速度，對應的排量稱為臨界排量。根據淹沒水射流特性、土體在射流作用下的破壞條件以及鑽頭水眼的位置、傾角等參數，可以計算得到在實驗條件下射流破土的臨界排量和臨界射流出口速度隨不同噴嘴尺寸的變化曲線［5～10］，如圖9所示。
圖9 實驗條件下的臨界排量和臨界射流出口速度
從圖9（a）中可以看出，在實驗中所用射流出口速度為23.6m/s的情況下，臨界曲線上所對應的噴嘴直徑為2mm，恰好為圖7中承載力曲線上發生突變的位置；從圖9（b）中可以看出，在實驗中所用排量為1.07m3/s的情況下，臨界曲線上所對應的噴嘴直徑為2mm，恰好為圖8中承載力曲線上發生突變的位置。
上述實驗結果說明：當排量和射流出口速度超出理論計算得到的射流破土臨界排量及臨界射流出口速度時，射流將對管壁外側的土體產生很大擾動，從而使管柱在下入後一定時間內的承載能力發生明顯下降。
4 結論
1）本研究設計的噴射下入導管室內模擬實驗裝置，能夠較好地模擬噴射下導管作業過程，有助於研究水力參數對導管承載力等性能的作用規律。
2）通過實驗結果可以看出，排量、射流出口速度等參數都對導管的承載能力有很大影響，提高射流排量和出口速度，能夠提高射流的破土能力，增加對導管壁附近區域地層的擾動，從而使得導管承載能力降低。
3）對照實驗結果與理論計算結果可以發現，當噴射下入導管作業的水力參數達到或接近射流破土的臨界水力參數時，將對導管壁周圍的地層產生嚴重擾動，使導管的承載能力發生比較明顯的突降。
4）在實際作業過程中，應當控制水力參數小於射流破土的臨界水力參數，防止導管承載力發生嚴重下降，避免為提高導管的下入速度而使用過大的水力參數。
參考文獻
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