井流模拟实验装置

A. 如图是米勒关于原始地球的模拟实验装置，根据图所示，填写出该装置的一些名称，并回答下面的问题．（1）

米勒通过实验验证了化学起源学说的第一步．在这得实验中，一得盛有水溶液的烧瓶代表原始的海洋，其上部球型空间里含有氢气、氨气、甲烷和水蒸汽等“还原性大气”．米勒先给烧瓶加热，使水蒸汽在管中循环，接着他通过两得电极放电产生电火花，模拟原始天空的闪电，以激发密封装置中的不同气体发生化学反应，而球型空间下部连通的冷凝管让反应后的产物和水蒸汽冷却形成液体，又流回底部的烧瓶，即模拟降雨的过程（如图）．经过一周持续不断的实验和循环之后．米勒分析其化学成分时发现，其中含有包括5种氨基酸和不同有机酸在内的各种新的有机化合物，同时还形成了氰氢酸，而氰氢酸可以合成腺嘌呤，腺嘌呤是组成核苷酸的基本单位．米勒的实验试图向人们证实，生命起源的第一步，从无机小分子物质形成有机小分子物质，在原始地球的条件下是完全可能实现的．
（1）米勒在图中所示的3装置中泵入了甲烷、氨、氢、水蒸气等气体，用来模拟原始大气的成分和原始地球的条件．
（得）米勒通过两得电极放电产生电火花，模拟原始天空的闪电．
（f）图中C装置里是反应后的产物（含有有机物氨基酸）和水蒸汽冷却形成的液体．
（4）米勒通过这得实验证实了生命起源的第一步，从无机小分子物质形成有机小分子物质，在原始地球的条件下是完全可能实现的．
故答案为：（1）原始地球；原始大气
（得）原始大气；闪电
（f）氨基酸
（4）从无机小分子物质形成有机小分子物质，在原始地球的条件下是完全可能实现的

B. 如图是模拟洋流系统的一个实验装置，在透明水槽的内侧分别安放4只风扇，且假定F1和F2表示大洋西侧．读图

北半球中低纬度大洋西侧为暖流、东侧为寒流，中高纬度大洋西侧为寒流、东侧为暖流；若在F₂附近悬挂冰块，F₃附近悬挂加热器，即大洋西侧为寒流、东侧为暖流，则表示北半球中高纬度寒暖流分布；若在F₄附近悬挂冰块，F₁附近悬挂加热器，则表示北半球中低纬度寒暖流分布．
故选：B．

C. 物理模拟实验仪器选用

根据煤粉产出物理模拟实验的原理及目的,需要设计可以满足该实验要求的仪器装置。这些要求包括:

(1)满足模拟地层流体在煤储层裂隙之间的流动要求;

(2)满足模拟煤储层经储层改造后的裂隙展布效果要求;

(3)满足模拟煤储层在含煤地层中的赋存状态要求;

(4)满足模拟煤层气井排水→降压→采气的生产模式要求。

通过一系列的摸索与尝试,确定了该物理模拟实验仪器装置的主体系统结构,其中包括计算机监控系统、样品制备系统、泵送驱替系统、物理模拟系统、煤粉储集系统、煤粉分析系统、电力动力系统等。

(1)计算机监控系统:主要由计算机操控平台和驱替导流监测平台等组成。计算机操控平台提供半自动半人工化功能服务,通过计算机实现对驱替导流监测平台的操控,可以满足不同条件下物理模拟实验的要求。同时,驱替导流监测平台实现流体相态驱替模式、自动调控驱替流速及压力、实时监测导流状况及实时记录排出产物状况等。

表5-3 煤体结构差异对煤粉产出的影响研究实验方案

(2)样品制备系统:主要由制样模具、升降施压油缸、平台支架等组成。制备样品的前期准备工作需要碎样机、标准样品筛、电子天平等辅助设备。首先使用碎样机将煤岩样品破碎,经过标准样品筛的筛选,选用一定粒度的煤粉颗粒,依据制样模具的尺寸形状,在升降施压油缸的挤压作用下,制作煤砖样,用于煤粉产出物理模拟实验。该系统需要通过计算机监控系统控制升降施压油缸,为制样提供稳定的压力。

(3)泵送驱替系统:主要由平流泵、储液容器、驱替液、导流室、无缝钢导管、法兰等组成。该系统的工作原理是通过调整平流泵的泵送功率,使其提供一定流速的稳定流体,该流体将储液容器内的驱替液以同等速率注入导流室内,对导流室中的煤砖进行驱替作用,同时,需要导流室的左右两侧分别安装进出液孔道,并在进出口端部安装测压孔道及相应法兰。在此过程中,通过驱替导流监测平台调控平流泵的泵送功率、设置驱替作用的周期及数据记录频率等参数。

(4)物理模拟系统:主要由煤砖样、石英砂、导流室、金属垫片、塑料密封圈、差压传感器、升降施压油缸、平台支架等组成。该系统的工作原理是通过在两块煤砖中夹持石英砂颗粒进行人工造缝,模拟煤储层经过储层改造后的裂隙延展状态;由泵送驱替系统向导流室内提供一定流速的驱替液,模拟地层流体在煤储层裂隙之间的流动过程;由计算机监控系统调控升降施压油缸,使其对导流室内的煤砖产生稳定围压,模拟煤储层在含煤地层中的赋存状态。该系统是在计算机监控系统、泵送驱替系统及物理模拟系统的相互配合下进行的,由平流泵提供驱替流体,由升降施压油缸提供挤压力,由驱替导流监测平台调控记录驱替液流速、油缸压力等参数,由金属垫片和塑料密封圈来保证导流室中煤砖处于密封状态。

(5)煤粉储集系统:主要由电子天平、无缝钢导管、烧杯等组成。该系统的工作原理是收集由物理模拟系统排出的液体及其中煤粉,同时通过驱替导流监测平台对排出液进行实时称重并储存数据结果。

(6)煤粉分析系统:主要由激光粒度仪、滤纸、过滤器、恒温烘干机、电子天平、显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪等组成。该系统的工作原理是采用激光粒度仪对不同实验条件中产出的煤粉进行粒度分布测试;采用过滤器及恒温烘干机将排出液中的煤粉进行过滤烘干;采用电子天平对干燥的煤粉颗粒进行精密称重;采用显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪分析煤粉的显微形态及物质成分。从煤粉的粒度、质量、显微状态和物质成分等角度研究煤粉的产出物性特征。

(7)电力动力系统:主要由配电箱和电动机等组成。该系统为物理模拟实验设备装置的其他系统提供电力及动力保障。

图5-1 煤粉产出物理模拟实验仪器设计示意图

根据上述物理模拟实验仪器装置功能要求,实验仪器设计如图5-1所示。通过调研,在综合考虑物理模拟实验的可行性情况下,采用HXDL-Ⅱ型酸蚀裂隙导流仪作为测试仪器。该仪器可以在标准实验条件下模拟地层压力及温度状态,可以实现气、液两相驱替过程,并能评价裂缝的导流能力。其装置流程如图5-2所示。根据上述物理模拟实验装置的说明,选用的酸蚀裂隙导流仪的主体系统均达到开展实验的要求,各个装置部件可以满足实验的需求。该仪器的各项参数是参照《SY-T 6302—1997 压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》标准而设定的。

图5-2 酸蚀裂缝导流仪流程示意图

D. 石油分流实验装置图

（1）蒸馏烧瓶冷凝管（2）支管口附近便于测量蒸气温度（3）出水进水保证冷水与热的气体的流向相反，提高冷凝效率；冷凝管易充满水（4）加入防止暴沸的物质——碎瓷片

E. 模拟实验

油源对比发现，东营凹陷沙三段砂岩透镜体内的原油并非完全来自沙三段的烃源岩，其油源主要为沙三段和其下部沙四段的混源油。那么在没有明显大断层沟通的情况下，沙四段的油是如何进入到沙三段的烃源岩中的呢？前文提出油气可以通过裂缝和薄层砂作为输导通道运移到砂岩透镜体中成藏，裂缝和薄层砂这两种输导要素在空间上的配置关系和组合样式对油气输导效率及输导过程究竟如何呢？本次实验的目的就是应用细棉线模拟裂缝，将棉线和砂体连接，模拟油气是否能够由细棉线导入砂岩体中并在砂体中聚集成藏的过程。

（一）模型的物理模拟实验

1.模型

图3-15即为油气有机网络简单物理模拟实验装置图。该模型的尺寸为长（50cm）×宽（30cm）×厚（2cm）。左上角和右下两角扇形体分别以粒径0.4～0.45mm的石英砂充填，左上角扇形体半径为11cm，右下角扇形体半径为10cm；模型中央为一近椭圆形体，以粒径0.4～0.45mm的石英砂充填，长宽分别为22.5cm、16cm；与左上及右下砂岩扇体的距离分别为9.5cm、8cm。模型内其余部分以泥岩充填。红色箭头A、B指示注油口，孔a为注水口，孔b为排气口。线1、2、3为细棉线。单股棉线的直径约0.2mm。在常温常压下进行实验。

图3-15 简单模拟实验装置示意图

2.实验结果

首先由示意图中的a孔注水，排出装置中央透镜体中的空气，当b孔有水流出时，排气结束。然后将a、b孔皆关闭。然后由A、B两个注油口开始注油，注油速度皆为0.5mL/min。经过1h后，下扇形体内的油经过棉线运移到透镜体内并在浮力作用下至顶部聚集；同时上扇体的油也开始经过棉线运移到透镜体内（图3-16左）。

距开始注油大约70min后，A口注油的速度减小到0.1mL/min,B注油口的速度维持0.5mL/min不变。约20min后，上扇体内的油继续缓慢通过棉线运移到透镜体内；下扇体内的油也继续通过棉线运移到透镜体内，透镜体上部聚集的油量明显增加（图3-16中）。此时再次改变注油速度，A口注油速度变为0.2mL/min;B口停止注油。3h40min后，上扇体的油进一步通过棉线运移到透镜体内，并上浮至顶部聚集（图3-16右）。A口停止注油，进入静观阶段。

图3-16 实验进行时的油气运移结果图

在经历了18h的静观阶段后，由两边扇体通过棉线进入透镜体内的油量明显增多。油在透镜体上部大量聚集，累积油柱高度为9cm（图3-17）。

图3-17 实验进行23h油气运移结果图

至此实验结束，本次实验共持续23h15min，累积注油量：由A口注油77.5mL，由B口注油43.5mL。

（二）较复杂模型的物理模拟实验

1.实验模型

图3-18即为较复杂物理模拟实验装置图。该模型的尺寸为长（50cm）×宽（30cm）×厚（2cm）。一共分为上下5层，其充填物依次为含油泥、细砂、含油泥、细砂、泥岩，有4个透镜体分别布置在最下层和最上层中，上面两个透镜体由单股棉线（模拟裂缝）与其下端的细砂岩相连。其中细砂岩粒径为0.15～0.2mm（模拟薄砂层），透镜体内的砂砾粒径为0.35～0.4mm，含油泥中油与泥的比例约为1:5.16,a口为注油口，本实验在常温常压下进行。

图3-18 油气有机网络运移复杂模拟实验装置示意图

2.实验过程

实验装置完毕即为开始实验，7h25min后，右下侧透镜体开始进油（图3-19左），无其他现象发生。

26h15min后，左下侧透镜体内的聚集的油进一步增加，从下往上数第二层细砂岩条带有油气渗入（图3-19右）。

到第9天，改变实验措施，由a口开始注油，注油速度为0.15mL/min,53min后（222h33min），下条带细砂层开始进油（图3-20左）。

6h55min后，下细砂条带聚油量增加，左下侧扇体聚油量增加，此时停止注油，进入静观阶段。1天后，下细砂条带内油从右向左运移，且下侧两个透镜体聚油量增加，聚油体积都约占整个透镜体的70%。再过l天（累计进行到约269h），左下侧透镜体聚油体积约占整个透镜体体积的90%，右下侧透镜体的聚油体积约占95%（图3-20右）。

此后再次由a口注油，随着注油量的增加，下面两个透镜体都逐渐完全被油充注，下细砂条带的聚油量也逐渐占满整个条带，随后上细砂条带也开始见油（图3-21左）。

图3-19 复杂模拟实验油气运移图

图3-20 复杂模拟实验油气运移图

随着实验的继续进行，上细砂岩条带的聚油量逐渐增加，最终充满整个条带，且该条带内的油通过棉线导入上面两个透镜体中（图3-21右），至此实验结束，累计进行时间约359h，本次实验累积注油量348.69mL。

图3-21 复杂模拟实验油气运移图

3.实验讨论

本次实验历时共约359h，由以上实验可以发现，常温常压下，由于烃浓度差引起的渗透压差和扩散压差，底层含油泥岩内的油具有运移到与其相邻的砂岩体中的趋势。在毛细管力差和烃浓度差的作用下，底层泥岩中的油首先进入被其包围的孔隙较大的砂岩透镜体中，而不太容易运移到其上部的细砂岩条带中。

随着底层油不断的注入，压力不断增大，最终能够克服底层泥岩与其上层细砂岩的毛细管力时，油就进入到其中，当其浓度足够大时，在烃浓度差的作用下，油运移到层3中。层3中的油在渗透压差的作用下，运移到层4中。联结顶层砂岩透镜体与层4的棉线能起到很好的输导油的作用，因此层4的油能沿着棉线模拟的裂缝运移到顶层的两个砂岩透镜体中。

通过本次实验，可以看出，仅靠底层泥岩中的油自然渗透和扩散，其运移能力有限。但是在油源充足的情况下，底层的油最终能够运移到与之相隔几层的砂岩透镜体中。

F. 实验Ⅲ Dupuit型潜水稳定流井流实验

一、实验目的

1.观测圆形定水头边界潜水井流的水动力现象。

2.利用实验资料求含水层渗透系数。

3.利用内边界抽水井水位和外边界水位，用Dupuit井流公式计算观测孔水位，并与实测值对比。

图Ⅲ-1 Dupuit型潜水井流实验装置图

二、实验装置

图Ⅲ-1所示为一扇形渗流砂槽，扇形圆心角30°（圆的1/12），补给半径R＝300cm，抽水井半径r_w＝19cm。渗流槽的后壁面按一定间距设有测压计观测孔。底板上有三排完整型、非完整型及测压计观测孔，分别用X、Y和Z表示（其中非完整型观测孔Y的下部40cm段不进水，完整型观测孔X从潜水面到底板全部进水，Z为设在底板上的测压计观测孔）。通过测压管板可以读取各点的测压水头值。

渗流槽两侧装有溢水装置，用来稳定内边界抽水井和外边界的水位，升降溢水装置可控制内边界抽水井或外边界水位高低。

三、实验步骤

1.准备好量筒和秒表。

2.熟悉仪器结构与功能。

3.调节两侧溢水装置，使抽水井和补给边界达到合适的水位（井降深应远远小于含水层厚度），排除测压管内气泡。

4.待稳定后，读取测压管水位，记入表Ⅲ-1。

5.同时用量筒和秒表测抽水井流量。

6.观察井壁水跃现象。

表Ⅲ-1 实验Ⅲ潜水井流实验数记录表

注：括号内数据表示测点到坐标零点距离。r以抽水井中心为零点；z以含水层底板为零点。

四、实验成果

1.计算渗透系数及水头线，记入表Ⅲ-2。

2.问题讨论

（1）画出包括理论水头线和实测水头线的水文地质剖面图，对比分析两种水头线不一致的原因。

（2）沿流向的各铅直面上测压管水头有什么变化规律？为什么？

（3）试分析相同径距断面上X、Y、Z三种观测孔水位高低的规律及其原因。

（4）说明表Ⅲ-2中计算得到的渗透系数K_主-1、K_主-2、K_1-2不一致的原因，实际工作中选用哪个参数更合适？

（5）利用抽水试验求参数时，选择或布置观测孔时应注意什么？

表Ⅲ-2 实验Ⅲ计算水头和渗透系数

五、设计性实验参考

逐渐加大抽水井水位降深，观测抽水井水跃及出渗面现象；观测流量、测压水位变化，分析理论水头线和实测水头线间的差异、流量随抽水井降深增大的变化规律。

G. 如图是模拟洋流系统的一个实验装置，在透明水槽的内侧分别安放4只风扇，且假定F1和F2表示大洋西侧．回答2

若在F₂附近悬挂冰块、F₃附近悬挂加热器，即大洋西侧为寒流，东侧为暖流，则表示北半球中高纬度寒暖流分布；若在F₄附近悬挂冰块，F₁附近悬挂加热器，即表示北半球中低纬度寒暖流分布．
故选：B．

H. 模拟人体呼吸的实验装置图

（1）该图演示呼吸运动过程，玻璃管①代表气管、②模拟人体的胸廓、气球③代表肺（或肺泡），橡皮膜④代表膈肌．
（2）图Ⅱ示表示膈肌收缩，膈顶下降，胸廓扩大，这时肺会扩张，肺内气压小于外界大气压，外界气体进入肺内，是吸气过程．
（3）图Ⅰ，图Ⅱ可以初步模拟肺与外界的气体交换，它是通过 呼吸运动实现的．
故答案为：（1）④；肺．
（2）吸；收缩；扩大；扩张；下降/减小．
（3）呼吸运动．

I. 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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