井流模擬實驗裝置

A. 如圖是米勒關於原始地球的模擬實驗裝置，根據圖所示，填寫出該裝置的一些名稱，並回答下面的問題．（1）

米勒通過實驗驗證了化學起源學說的第一步．在這得實驗中，一得盛有水溶液的燒瓶代表原始的海洋，其上部球型空間里含有氫氣、氨氣、甲烷和水蒸汽等「還原性大氣」．米勒先給燒瓶加熱，使水蒸汽在管中循環，接著他通過兩得電極放電產生電火花，模擬原始天空的閃電，以激發密封裝置中的不同氣體發生化學反應，而球型空間下部連通的冷凝管讓反應後的產物和水蒸汽冷卻形成液體，又流回底部的燒瓶，即模擬降雨的過程（如圖）．經過一周持續不斷的實驗和循環之後．米勒分析其化學成分時發現，其中含有包括5種氨基酸和不同有機酸在內的各種新的有機化合物，同時還形成了氰氫酸，而氰氫酸可以合成腺嘌呤，腺嘌呤是組成核苷酸的基本單位．米勒的實驗試圖向人們證實，生命起源的第一步，從無機小分子物質形成有機小分子物質，在原始地球的條件下是完全可能實現的．
（1）米勒在圖中所示的3裝置中泵入了甲烷、氨、氫、水蒸氣等氣體，用來模擬原始大氣的成分和原始地球的條件．
（得）米勒通過兩得電極放電產生電火花，模擬原始天空的閃電．
（f）圖中C裝置里是反應後的產物（含有有機物氨基酸）和水蒸汽冷卻形成的液體．
（4）米勒通過這得實驗證實了生命起源的第一步，從無機小分子物質形成有機小分子物質，在原始地球的條件下是完全可能實現的．
故答案為：（1）原始地球；原始大氣
（得）原始大氣；閃電
（f）氨基酸
（4）從無機小分子物質形成有機小分子物質，在原始地球的條件下是完全可能實現的

B. 如圖是模擬洋流系統的一個實驗裝置，在透明水槽的內側分別安放4隻風扇，且假定F1和F2表示大洋西側．讀圖

北半球中低緯度大洋西側為暖流、東側為寒流，中高緯度大洋西側為寒流、東側為暖流；若在F₂附近懸掛冰塊，F₃附近懸掛加熱器，即大洋西側為寒流、東側為暖流，則表示北半球中高緯度寒暖流分布；若在F₄附近懸掛冰塊，F₁附近懸掛加熱器，則表示北半球中低緯度寒暖流分布．
故選：B．

C. 物理模擬實驗儀器選用

根據煤粉產出物理模擬實驗的原理及目的,需要設計可以滿足該實驗要求的儀器裝置。這些要求包括:

(1)滿足模擬地層流體在煤儲層裂隙之間的流動要求;

(2)滿足模擬煤儲層經儲層改造後的裂隙展布效果要求;

(3)滿足模擬煤儲層在含煤地層中的賦存狀態要求;

(4)滿足模擬煤層氣井排水→降壓→采氣的生產模式要求。

通過一系列的摸索與嘗試,確定了該物理模擬實驗儀器裝置的主體系統結構,其中包括計算機監控系統、樣品制備系統、泵送驅替系統、物理模擬系統、煤粉儲集系統、煤粉分析系統、電力動力系統等。

(1)計算機監控系統:主要由計算機操控平台和驅替導流監測平台等組成。計算機操控平台提供半自動半人工化功能服務,通過計算機實現對驅替導流監測平台的操控,可以滿足不同條件下物理模擬實驗的要求。同時,驅替導流監測平台實現流體相態驅替模式、自動調控驅替流速及壓力、實時監測導流狀況及實時記錄排出產物狀況等。

表5-3 煤體結構差異對煤粉產出的影響研究實驗方案

(2)樣品制備系統:主要由制樣模具、升降施壓油缸、平台支架等組成。制備樣品的前期准備工作需要碎樣機、標准樣品篩、電子天平等輔助設備。首先使用碎樣機將煤岩樣品破碎,經過標准樣品篩的篩選,選用一定粒度的煤粉顆粒,依據制樣模具的尺寸形狀,在升降施壓油缸的擠壓作用下,製作煤磚樣,用於煤粉產出物理模擬實驗。該系統需要通過計算機監控系統控制升降施壓油缸,為制樣提供穩定的壓力。

(3)泵送驅替系統:主要由平流泵、儲液容器、驅替液、導流室、無縫鋼導管、法蘭等組成。該系統的工作原理是通過調整平流泵的泵送功率,使其提供一定流速的穩定流體,該流體將儲液容器內的驅替液以同等速率注入導流室內,對導流室中的煤磚進行驅替作用,同時,需要導流室的左右兩側分別安裝進出液孔道,並在進出口端部安裝測壓孔道及相應法蘭。在此過程中,通過驅替導流監測平台調控平流泵的泵送功率、設置驅替作用的周期及數據記錄頻率等參數。

(4)物理模擬系統:主要由煤磚樣、石英砂、導流室、金屬墊片、塑料密封圈、差壓感測器、升降施壓油缸、平台支架等組成。該系統的工作原理是通過在兩塊煤磚中夾持石英砂顆粒進行人工造縫,模擬煤儲層經過儲層改造後的裂隙延展狀態;由泵送驅替系統向導流室內提供一定流速的驅替液,模擬地層流體在煤儲層裂隙之間的流動過程;由計算機監控系統調控升降施壓油缸,使其對導流室內的煤磚產生穩定圍壓,模擬煤儲層在含煤地層中的賦存狀態。該系統是在計算機監控系統、泵送驅替系統及物理模擬系統的相互配合下進行的,由平流泵提供驅替流體,由升降施壓油缸提供擠壓力,由驅替導流監測平台調控記錄驅替液流速、油缸壓力等參數,由金屬墊片和塑料密封圈來保證導流室中煤磚處於密封狀態。

(5)煤粉儲集系統:主要由電子天平、無縫鋼導管、燒杯等組成。該系統的工作原理是收集由物理模擬系統排出的液體及其中煤粉,同時通過驅替導流監測平台對排出液進行實時稱重並儲存數據結果。

(6)煤粉分析系統:主要由激光粒度儀、濾紙、過濾器、恆溫烘乾機、電子天平、顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀等組成。該系統的工作原理是採用激光粒度儀對不同實驗條件中產出的煤粉進行粒度分布測試;採用過濾器及恆溫烘乾機將排出液中的煤粉進行過濾烘乾;採用電子天平對乾燥的煤粉顆粒進行精密稱重;採用顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀分析煤粉的顯微形態及物質成分。從煤粉的粒度、質量、顯微狀態和物質成分等角度研究煤粉的產出物性特徵。

(7)電力動力系統:主要由配電箱和電動機等組成。該系統為物理模擬實驗設備裝置的其他系統提供電力及動力保障。

圖5-1 煤粉產出物理模擬實驗儀器設計示意圖

根據上述物理模擬實驗儀器裝置功能要求,實驗儀器設計如圖5-1所示。通過調研,在綜合考慮物理模擬實驗的可行性情況下,採用HXDL-Ⅱ型酸蝕裂隙導流儀作為測試儀器。該儀器可以在標准實驗條件下模擬地層壓力及溫度狀態,可以實現氣、液兩相驅替過程,並能評價裂縫的導流能力。其裝置流程如圖5-2所示。根據上述物理模擬實驗裝置的說明,選用的酸蝕裂隙導流儀的主體系統均達到開展實驗的要求,各個裝置部件可以滿足實驗的需求。該儀器的各項參數是參照《SY-T 6302—1997 壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》標准而設定的。

圖5-2 酸蝕裂縫導流儀流程示意圖

D. 石油分流實驗裝置圖

（1）蒸餾燒瓶冷凝管（2）支管口附近便於測量蒸氣溫度（3）出水進水保證冷水與熱的氣體的流向相反，提高冷凝效率；冷凝管易充滿水（4）加入防止暴沸的物質——碎瓷片

E. 模擬實驗

油源對比發現，東營凹陷沙三段砂岩透鏡體內的原油並非完全來自沙三段的烴源岩，其油源主要為沙三段和其下部沙四段的混源油。那麼在沒有明顯大斷層溝通的情況下，沙四段的油是如何進入到沙三段的烴源岩中的呢？前文提出油氣可以通過裂縫和薄層砂作為輸導通道運移到砂岩透鏡體中成藏，裂縫和薄層砂這兩種輸導要素在空間上的配置關系和組合樣式對油氣輸導效率及輸導過程究竟如何呢？本次實驗的目的就是應用細棉線模擬裂縫，將棉線和砂體連接，模擬油氣是否能夠由細棉線導入砂岩體中並在砂體中聚集成藏的過程。

（一）模型的物理模擬實驗

1.模型

圖3-15即為油氣有機網路簡單物理模擬實驗裝置圖。該模型的尺寸為長（50cm）×寬（30cm）×厚（2cm）。左上角和右下兩角扇形體分別以粒徑0.4～0.45mm的石英砂充填，左上角扇形體半徑為11cm，右下角扇形體半徑為10cm；模型中央為一近橢圓形體，以粒徑0.4～0.45mm的石英砂充填，長寬分別為22.5cm、16cm；與左上及右下砂岩扇體的距離分別為9.5cm、8cm。模型內其餘部分以泥岩充填。紅色箭頭A、B指示注油口，孔a為注水口，孔b為排氣口。線1、2、3為細棉線。單股棉線的直徑約0.2mm。在常溫常壓下進行實驗。

圖3-15 簡單模擬實驗裝置示意圖

2.實驗結果

首先由示意圖中的a孔注水，排出裝置中央透鏡體中的空氣，當b孔有水流出時，排氣結束。然後將a、b孔皆關閉。然後由A、B兩個注油口開始注油，注油速度皆為0.5mL/min。經過1h後，下扇形體內的油經過棉線運移到透鏡體內並在浮力作用下至頂部聚集；同時上扇體的油也開始經過棉線運移到透鏡體內（圖3-16左）。

距開始注油大約70min後，A口注油的速度減小到0.1mL/min,B注油口的速度維持0.5mL/min不變。約20min後，上扇體內的油繼續緩慢通過棉線運移到透鏡體內；下扇體內的油也繼續通過棉線運移到透鏡體內，透鏡體上部聚集的油量明顯增加（圖3-16中）。此時再次改變注油速度，A口注油速度變為0.2mL/min;B口停止注油。3h40min後，上扇體的油進一步通過棉線運移到透鏡體內，並上浮至頂部聚集（圖3-16右）。A口停止注油，進入靜觀階段。

圖3-16 實驗進行時的油氣運移結果圖

在經歷了18h的靜觀階段後，由兩邊扇體通過棉線進入透鏡體內的油量明顯增多。油在透鏡體上部大量聚集，累積油柱高度為9cm（圖3-17）。

圖3-17 實驗進行23h油氣運移結果圖

至此實驗結束，本次實驗共持續23h15min，累積注油量：由A口注油77.5mL，由B口注油43.5mL。

（二）較復雜模型的物理模擬實驗

1.實驗模型

圖3-18即為較復雜物理模擬實驗裝置圖。該模型的尺寸為長（50cm）×寬（30cm）×厚（2cm）。一共分為上下5層，其充填物依次為含油泥、細砂、含油泥、細砂、泥岩，有4個透鏡體分別布置在最下層和最上層中，上面兩個透鏡體由單股棉線（模擬裂縫）與其下端的細砂岩相連。其中細砂岩粒徑為0.15～0.2mm（模擬薄砂層），透鏡體內的砂礫粒徑為0.35～0.4mm，含油泥中油與泥的比例約為1:5.16,a口為注油口，本實驗在常溫常壓下進行。

圖3-18 油氣有機網路運移復雜模擬實驗裝置示意圖

2.實驗過程

實驗裝置完畢即為開始實驗，7h25min後，右下側透鏡體開始進油（圖3-19左），無其他現象發生。

26h15min後，左下側透鏡體內的聚集的油進一步增加，從下往上數第二層細砂岩條帶有油氣滲入（圖3-19右）。

到第9天，改變實驗措施，由a口開始注油，注油速度為0.15mL/min,53min後（222h33min），下條帶細砂層開始進油（圖3-20左）。

6h55min後，下細砂條帶聚油量增加，左下側扇體聚油量增加，此時停止注油，進入靜觀階段。1天後，下細砂條帶內油從右向左運移，且下側兩個透鏡體聚油量增加，聚油體積都約占整個透鏡體的70%。再過l天（累計進行到約269h），左下側透鏡體聚油體積約占整個透鏡體體積的90%，右下側透鏡體的聚油體積約佔95%（圖3-20右）。

此後再次由a口注油，隨著注油量的增加，下面兩個透鏡體都逐漸完全被油充注，下細砂條帶的聚油量也逐漸占滿整個條帶，隨後上細砂條帶也開始見油（圖3-21左）。

圖3-19 復雜模擬實驗油氣運移圖

圖3-20 復雜模擬實驗油氣運移圖

隨著實驗的繼續進行，上細砂岩條帶的聚油量逐漸增加，最終充滿整個條帶，且該條帶內的油通過棉線導入上面兩個透鏡體中（圖3-21右），至此實驗結束，累計進行時間約359h，本次實驗累積注油量348.69mL。

圖3-21 復雜模擬實驗油氣運移圖

3.實驗討論

本次實驗歷時共約359h，由以上實驗可以發現，常溫常壓下，由於烴濃度差引起的滲透壓差和擴散壓差，底層含油泥岩內的油具有運移到與其相鄰的砂岩體中的趨勢。在毛細管力差和烴濃度差的作用下，底層泥岩中的油首先進入被其包圍的孔隙較大的砂岩透鏡體中，而不太容易運移到其上部的細砂岩條帶中。

隨著底層油不斷的注入，壓力不斷增大，最終能夠克服底層泥岩與其上層細砂岩的毛細管力時，油就進入到其中，當其濃度足夠大時，在烴濃度差的作用下，油運移到層3中。層3中的油在滲透壓差的作用下，運移到層4中。聯結頂層砂岩透鏡體與層4的棉線能起到很好的輸導油的作用，因此層4的油能沿著棉線模擬的裂縫運移到頂層的兩個砂岩透鏡體中。

通過本次實驗，可以看出，僅靠底層泥岩中的油自然滲透和擴散，其運移能力有限。但是在油源充足的情況下，底層的油最終能夠運移到與之相隔幾層的砂岩透鏡體中。

F. 實驗Ⅲ Dupuit型潛水穩定流井流實驗

一、實驗目的

1.觀測圓形定水頭邊界潛水井流的水動力現象。

2.利用實驗資料求含水層滲透系數。

3.利用內邊界抽水井水位和外邊界水位，用Dupuit井流公式計算觀測孔水位，並與實測值對比。

圖Ⅲ-1 Dupuit型潛水井流實驗裝置圖

二、實驗裝置

圖Ⅲ-1所示為一扇形滲流砂槽，扇形圓心角30°（圓的1/12），補給半徑R＝300cm，抽水井半徑r_w＝19cm。滲流槽的後壁面按一定間距設有測壓計觀測孔。底板上有三排完整型、非完整型及測壓計觀測孔，分別用X、Y和Z表示（其中非完整型觀測孔Y的下部40cm段不進水，完整型觀測孔X從潛水面到底板全部進水，Z為設在底板上的測壓計觀測孔）。通過測壓管板可以讀取各點的測壓水頭值。

滲流槽兩側裝有溢水裝置，用來穩定內邊界抽水井和外邊界的水位，升降溢水裝置可控制內邊界抽水井或外邊界水位高低。

三、實驗步驟

1.准備好量筒和秒錶。

2.熟悉儀器結構與功能。

3.調節兩側溢水裝置，使抽水井和補給邊界達到合適的水位（井降深應遠遠小於含水層厚度），排除測壓管內氣泡。

4.待穩定後，讀取測壓管水位，記入表Ⅲ-1。

5.同時用量筒和秒錶測抽水井流量。

6.觀察井壁水躍現象。

表Ⅲ-1 實驗Ⅲ潛水井流實驗數記錄表

註：括弧內數據表示測點到坐標零點距離。r以抽水井中心為零點；z以含水層底板為零點。

四、實驗成果

1.計算滲透系數及水頭線，記入表Ⅲ-2。

2.問題討論

（1）畫出包括理論水頭線和實測水頭線的水文地質剖面圖，對比分析兩種水頭線不一致的原因。

（2）沿流向的各鉛直面上測壓管水頭有什麼變化規律？為什麼？

（3）試分析相同徑距斷面上X、Y、Z三種觀測孔水位高低的規律及其原因。

（4）說明表Ⅲ-2中計算得到的滲透系數K_主-1、K_主-2、K_1-2不一致的原因，實際工作中選用哪個參數更合適？

（5）利用抽水試驗求參數時，選擇或布置觀測孔時應注意什麼？

表Ⅲ-2 實驗Ⅲ計算水頭和滲透系數

五、設計性實驗參考

逐漸加大抽水井水位降深，觀測抽水井水躍及出滲面現象；觀測流量、測壓水位變化，分析理論水頭線和實測水頭線間的差異、流量隨抽水井降深增大的變化規律。

G. 如圖是模擬洋流系統的一個實驗裝置，在透明水槽的內側分別安放4隻風扇，且假定F1和F2表示大洋西側．回答2

若在F₂附近懸掛冰塊、F₃附近懸掛加熱器，即大洋西側為寒流，東側為暖流，則表示北半球中高緯度寒暖流分布；若在F₄附近懸掛冰塊，F₁附近懸掛加熱器，即表示北半球中低緯度寒暖流分布．
故選：B．

H. 模擬人體呼吸的實驗裝置圖

（1）該圖演示呼吸運動過程，玻璃管①代表氣管、②模擬人體的胸廓、氣球③代表肺（或肺泡），橡皮膜④代表膈肌．
（2）圖Ⅱ示表示膈肌收縮，膈頂下降，胸廓擴大，這時肺會擴張，肺內氣壓小於外界大氣壓，外界氣體進入肺內，是吸氣過程．
（3）圖Ⅰ，圖Ⅱ可以初步模擬肺與外界的氣體交換，它是通過 呼吸運動實現的．
故答案為：（1）④；肺．
（2）吸；收縮；擴大；擴張；下降/減小．
（3）呼吸運動．

I. 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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