㈠ 怎样做水的压力与水有关的实验
材料：1个装牛奶的矩形竖直纸盒、1卷胶带、1个钉子、水若干、平盘
操作：
1. 放好牛奶盒，用钉子在任意一个侧面戳三个孔。三个孔的位置分别是底部、居中和上部。
2. 用胶带把三个孔封住。
3. 将纸盒中加满水。
4. 将平盘放在有孔的侧面的下方，将胶布撕开。观察三个孔的喷水有什么不同。
讲解：
1. 实验发现，从底部流出的水喷射得最远，其次是中部的水，喷得最近的是从顶部喷出的水。
2. 水的压力由深度决定，水越深，压力就越大；水越潜，压力就越小。
㈡ 海洋钻井喷射下导管模拟实验研究
张 辉 柯 珂 王 磊
（中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）
摘 要 水力参数是影响深水钻井表层喷射下导管作业安全顺利施工的重要因素之一。本文设计和建立了喷射下导管模拟实验系统，选取与海底浅层土性质接近的土样，对喷射下导管作业进行室内模拟实验。通过改变喷嘴直径和排量等参数，研究水力参数对导管承载力的作用规律。通过对实验结果分析发现，当作业排量和射流速度等水力参数超过某临界值时，水射流对导管壁外侧区域的土体产生过度扰动，使导管的竖向和横向承载力均发生较为明显的突降。因此在实际作业中，应当在控制水力参数提高破岩效果的同时，避免为增大导管的下入速度而使用过大的水力参数。
关键词 深水钻井 喷射下导管 模拟实验 水力参数 承载力
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
喷射下导管技术是解决海洋钻井表层作业难题的特色技术之一。使用喷射方法下入导管，对于深水作业是一项经济有效的技术措施，不仅能够节约作业时间和成本，同时能够降低深水作业风险。近年来，随着国内深水及超深水油气资源勘探开发活动的不断增加，喷射下入导管技术在我国南海海域得到广泛应用。目前，中海油及Husky 、Devon、Chevron等国内外石油公司在中国南海区域所钻的深水及超深水井绝大多数采用喷射方法下入导管。
在喷射下导管作业过程中，水射流破土在导管下部地层破碎过程中起到重要作用。射流参数过小，导管下部土体无法得到充分破碎，将使导管的下入阻力增大；射流参数过大，对导管外部土体过度扰动，将影响导管下入后承载能力的恢复。因此，本文通过室内模拟实验，研究射流参数对导管喷射下入过程及导管承载力的影响规律，为喷射下导管水力参数设计提供依据。
1 喷射下导管作业介绍
喷射下导管作业过程中，将底部钻具组合置于导管内部，通过送入工具与导管相连，并由送入管柱送达海底。导管到达泥线处时，在依靠重力作用进入地层的同时，开泵驱动马达使钻头旋转，对导管内的土体进行破坏，并循环钻井液将岩屑从导管与钻柱的环空返出。导管下入过程中，靠钻头旋转与水力作用联合破岩，并在导管自重及送入工具的重力作用下克服导管的下入阻力进入地层。导管到达设计深度后，经过一定时间的静止，在导管与地层土之间建立足够的胶结强度，保证导管在后续作业中有足够的承载能力。
喷射下导管技术将钻井与下导管两项作业 “合二而一” 进行，一趟钻完成了钻井眼与下导管两项作业，并省去了固井环节。将这项技术应用于深水钻井导管下入作业，不仅节约了在上千米深水中多次起下钻的作业时间，同时避免了常规下导管时，容易受到深水海域环境载荷的影响而找不到井口的风险和复杂情况，以及深水海底低温带来的固井质量差等技术难题［1～4］。
2 喷射下导管作业室内模拟实验
2.1 实验总体思路
用金属管作为模拟导管，沿金属管轴向设置应变片，用小型水泵模拟导管的喷射下入过程，并记录导管的下入速度。导管下入后静置一定时间，测试导管的竖向和横向承载力。采用不同的排量、喷嘴尺寸等参数，重复进行实验，最终得出导管承载力随排量、射流出口速度等水力参数变化的规律。
2.2 模拟实验系统设计
2.2.1 实验系统整体组成
喷射下入导管室内模拟实验系统示意如图1所示，主要包括土箱、管柱系统、循环系统、加载系统、测量系统等组成部分。
2.2.2 加载系统
加载系统包括对模拟导管的竖向加载和横向加载。通过千斤顶对导管施加竖向上拔力及横向推力（图2，图3），并通过压力传感器实时采集加载过程中的压力变化值。
图1 喷射下导管模拟实验系统示意图
图2 竖向加载系统
图3 横向加载系统
2.2.3 测量系统
测量系统主要对加载过程中导管顶部的竖向和横向位移进行实时测量。通过在导管上部的铁盒处连接位移百分表（图4，图5），测量导管顶部的位移随加载载荷变化的规律。
2.3 实验参数
实验采用表1中的排量及喷嘴尺寸组合，得到不同的水力参数，分别实现：
1）保持喷嘴射流出口速度为23.58m/s，改变排量。
2）保持排量为1.07m3/h，改变喷嘴射流出口速度。
图4 竖向位移测量系统
图5 横向位移测量系统
表1 实验参数
2.4 实验步骤
实验按照以下步骤逐组进行：
1）将导管直立吊起至实验土层上方、土箱中间位置处。
2）控制大钩使管柱匀速缓慢下沉入泥，管柱入泥的前1m不开泵。
3）管柱入泥1m后开泵。开泵时先用小排量，逐渐增大至设计排量值。
4）缓缓释放大钩，使管柱在自重及射流联合作用下逐渐下沉。下放过程中保持匀速，并保证管柱的垂直性。
5）管柱到达标记位置后，停泵，并用大钩吊住管柱静止20min。
6）释放大钩，观察管柱是否发生沉降。
7）静置管柱恢复4h之后，对管柱进行承载力测试。
8）在导管顶部中心位置处施加竖向上拔力，以位移40mm作为标准，记录导管顶部的竖向位移量。
9）在导管顶部固定位置处施加横向推力，以位移40mm作为标准，记录导管顶部的横向位移量。
10）拔出导管，重新整理土样，更换实验参数，重复实验。
2.5 实验结果及分析
2.5.1 实验现象
实验过程中，观察到的实验现象如下：
1）导管能够在自重及辅助压载作用下下入指定深度。导管下入时，可见泥浆从管内返出的现象，如图6所示。初始返浆位置多在导管下入1.5 ～2m位置左右。
图6 泥浆从管内返出
2）导管下入到指定深度后吊住静止20min，释放大钩，多数情况下能够保持在下入位置。在少数排量较大的情况下，发生了导管下沉3～10cm的情况。
通过上述实验现象，证明本实验可近似模拟喷射下入导管现场作业过程。
2.5.2 实验结果分析
1）射流出口速度保持在23.6m/s不变的情况下，导管的竖向及横向承载力随排量的变化曲线如图7所示。从图7中可以看出，管柱的竖向及横向承载力随排量的增大而降低。在射流出口速度为23.6m/s的条件下，曲线上对应于排量为1.07m3/h（喷嘴尺寸为2mm）时，管柱的竖向及横向承载力均发生较为明显的突变。
图7 射流出口速度不变，排量对管柱承载力的作用规律（砂土中）
2）排量保持在1.07m3/h不变的情况下，导管的竖向及横向承载力随射流出口速度的变化曲线如图8所示。
图8 排量不变，射流出口速度对管柱承载力的作用规律
从图8中可以看出，管柱的竖向及横向承载力随射流出口速度的增大而降低。在排量为1.07m3/h的条件下，曲线上对应于射流出口速度为23.65m/s（喷嘴尺寸为2mm）时，管柱的竖向和横向承载力均发生较为明显的突变。
3 实验结果与理论计算对比
当水力喷射破碎地层的范围恰好达到导管壁位置处时，对应的射流出口速度称为射流破土的临界射流出口速度，对应的排量称为临界排量。根据淹没水射流特性、土体在射流作用下的破坏条件以及钻头水眼的位置、倾角等参数，可以计算得到在实验条件下射流破土的临界排量和临界射流出口速度随不同喷嘴尺寸的变化曲线［5～10］，如图9所示。
图9 实验条件下的临界排量和临界射流出口速度
从图9（a）中可以看出，在实验中所用射流出口速度为23.6m/s的情况下，临界曲线上所对应的喷嘴直径为2mm，恰好为图7中承载力曲线上发生突变的位置；从图9（b）中可以看出，在实验中所用排量为1.07m3/s的情况下，临界曲线上所对应的喷嘴直径为2mm，恰好为图8中承载力曲线上发生突变的位置。
上述实验结果说明：当排量和射流出口速度超出理论计算得到的射流破土临界排量及临界射流出口速度时，射流将对管壁外侧的土体产生很大扰动，从而使管柱在下入后一定时间内的承载能力发生明显下降。
4 结论
1）本研究设计的喷射下入导管室内模拟实验装置，能够较好地模拟喷射下导管作业过程，有助于研究水力参数对导管承载力等性能的作用规律。
2）通过实验结果可以看出，排量、射流出口速度等参数都对导管的承载能力有很大影响，提高射流排量和出口速度，能够提高射流的破土能力，增加对导管壁附近区域地层的扰动，从而使得导管承载能力降低。
3）对照实验结果与理论计算结果可以发现，当喷射下入导管作业的水力参数达到或接近射流破土的临界水力参数时，将对导管壁周围的地层产生严重扰动，使导管的承载能力发生比较明显的突降。
4）在实际作业过程中，应当控制水力参数小于射流破土的临界水力参数，防止导管承载力发生严重下降，避免为提高导管的下入速度而使用过大的水力参数。
参考文献
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