1．围压下自振空化射流初生空化数研究

    水刀衡量空化现象的重要参数是空化数a。对深井钻井中的高压射流，在井底开始出现空化现象的特定值a称为初生空化数或临界空化数，其大小可近似由下式确定：

    实验得到的自振空化喷嘴与锥形喷嘴初生空化数。可以看出，自振空化喷嘴初生空化数大都在1.0以上，在本试验条件下，最高达到1.67；而锥形喷嘴初生空化数在1.0以下，最高仅为0.54，说明在围压下，自振空化射流的空化初生能力比锥形喷嘴高得多。

  2．围压下自振空化射流噪声能量和声压级研究

     自振喷嘴的空化噪声能量对数比值图和声压级曲线，与锥形喷嘴比较，高围压下自振空化喷嘴空化噪声能量和声压级较高，具有很强的空化初生能力，而且自振空化射流噪声能量曲线比较“平缓”，表明围压对自振喷嘴影响并不如锥形喷嘴明显。

    研究表明：相同空化数时，声压级随喷嘴直径的增大而升高。现场应用时，在不增加地面泵压情况下，可通过增加喷嘴出口直径，使得噪声声压级升高。

    1．钻井围压下射流空化起始能力分析

    普通连续射流和自振射流冲击物体表面时流动结构对比。前面实验已证明，具有大结构涡环流结构的自振空化喷嘴具有较大的起始空化数，可以在比普通射流更深的井底和更高的围压条件下，有效地提高冲蚀岩石和清洗岩屑能力，从而提高钻头钻速。

  2．自振空化射流钻头喷嘴研制

  针对钻井钻头喷嘴，根据前述实验得出的喷嘴振动腔参数设计范围，结合钻井水力参数条件，有如下关系式：

     按照上述方法，结合实际钻井水力参数和钻头尺寸，设计风琴管喷结构和尺寸。典型自振空化喷嘴及其钻头。

    综合利用断裂力学和岩石力学基本原理，研究了射流冲击点与牙齿破岩点之间的距离、射流冲击角和冲击位置等因素对破岩效果和井底漫流场影响规律，设计了定向式自激振动射流喷嘴。

    3．自振空化射流喷嘴钻头现场试验与应用

    将自振空化射流喷嘴用于牙轮钻头钻井，在辽河、胜利、大港、江苏、新疆、吉林等7个油田进行了现场试验和应用。在相同或相近条件下，自振空化喷嘴钻头与普通中长喷嘴钻头相比，平均机械钻速提高12.1%-23. 1%，钻头进尺增加14. 8%-28. 3%。利用自振空化原理研制成功了深井钻井水力脉冲短节，形成一套水力脉冲空化射流提高深井钻速新技术，在塔里木克拉2气田KL2 -6井和英买地区5井次现场试验，在相同条件下与同井邻井段及邻井相同层段相比，机械钻速提高10. 1%-31. 5%，取得良好的效果。

    20世纪70年代以来，高压水射流技术已成功地应用于固体矿物开采、巷道掘进、材料切割及机械加工等领域，取得了巨大的经济效益。但在用于长连续孔眼的钻进应用中一直受到限制，这主要是长连续孔眼的形成必须具备以下3个条件：一是形成的孔眼要有足够大的面积；二是形成的孔眼必须具有规则的形状；三是具有较高的破岩效率和钻进速度。而常规的水射流则不能完全满足以上3方面的要求。直到80年代末，Dickinson等人设计利用了多喷嘴组合钻头和锥形单喷嘴钻头，成功地进行了水平井眼的钻进，才促进了水射流钻长连续孔眼技术的发展。近10年多来，中国石油大学对旋转水射流进行了大量的理论和实验研究，初步找到了旋转射流的结构特性及其变化规律、揭示了其独特的破岩钻孔机理，并已成功地在油田现场进行了多次水射流钻径向水平井的井下试验，展示了高压水射流应用的一个很有发展潜力的新方向。

    1．旋转射流结构特性

    所谓旋转射流是指在射流喷嘴不旋转的情况下产生的具有三维速度的射流质点，沿着螺旋线轨迹运动而形成的扩散状射流，它不同于喷嘴绕一固定轴旋转而导致的射流旋转。这种旋转射流是靠在喷嘴腔内的导向元件，将一维纯轴向来流导引成具有轴向、切向和径向三维速度的流动而形成的。

    2．旋转射流的速度分布

    旋转射流不同于圆射流，其任一质点都具有三维速度，在射流前进的过程中，在离心力的作用下不断向外扩展，形成渐散的外形，以至于形成大的冲击面积。旋转射流的速度分布明显不同于普通圆射流。它不存在等速核，除具有轴向速度(U)外，还具有切向速度(W)和径向速度(v)，另外轴向和切向的最大速度都不在射流中心，亦即是存在着一个速度最大的环形带。

  3．速度衰减规律

  旋转射流的速度衰减规律与普通圆射流存在着较大的差异。主要表现在旋转射流不存在等速核，而由于射流与周围介质的动量交换剧烈，使射流的能量衰减迅速。其最大轴向速度和最大切向速度与无因次喷距的关系可表示如下：

    随着喷距的增大，射流截面积在不断增大，同时速度的绝对值也在迅速减少，相比圆射流衰减得更快。这就客观地表明：只有在较小的喷距范围内，才能充分发挥旋转射流的优势。

    大量的破岩钻孔试验表明：旋转射流可以钻出大于喷嘴面积百倍的规则孔眼，并比普通圆射流的破岩效率高得多。旋转射流破岩形成的孔底呈规则的内凸锥状，完全与圆射流形成的类半球状或锥状不同。

    当具有足够能量的旋转射流冲击到岩石上时，首先使对应着呈喇叭状的射流外壳内部一环形面积上（速度最高处）的岩石产生破碎，而对应着射流轴心位置的岩石保持完好；随着时间的增加、喷嘴的向前推进，这一破碎的环形面积在逐步向内外扩大，同时破碎坑的深度增加，当射流冲击时间继续延长，喷嘴连续向前推进，喷距相应减小时，环形的高速射流带附近的射流具有破碎岩石的能力，参与破岩，使初始状态下的破碎坑形状向前不断推进，同时向内外扩展。此时，整个射流截面上各点的能量与对应点岩石破碎的工作强度（包括难度和破碎体积）达到了动态平衡，在此后的钻进过程中，随着钻头（喷嘴）的不断前进，锥形孔底不断向前推进，最终形成一个孔底为内凸锥状的连续圆形孔眼。

    上述实验研究和数值模拟的结果，共同描述了旋转射流的流动特性。实际破岩钻孔的试验亦表明该射流的破岩方式和过程不同于普通圆射流，其破岩面积比普通圆射流大上百倍，破岩门限压力仅为圆射流的60%左右，具有很高的破岩效率，这些特性都是由其独特的破岩机理所决定的。破岩过程和旋转射流井底流场分布的分析可知，旋转射流破岩机理不同于普通圆射流，它不单纯以与岩石相垂直的正面冲击压力而产生的密实核及拉伸、水楔作用来破岩，同时还相应的施以平行于被冲击岩石表面的平行载荷，使岩面产生剪切破坏并伴有冲蚀、拉伸破坏等多种形式作用的复杂过程。

    (1)剪切破碎。由于岩石属非均匀、各向异性材料，抗压强度高，而抗拉和抗剪强度却很低，一般岩石的抗剪强度只是其抗压强度的1/15-1/8，抗拉强度仅有抗压强度的1/80-1/16。因此．岩石在剪应力和拉应力作用下很容易破碎。旋转射流冲击到岩石上，除了正向冲击作用外，旋转液体产生的分量在岩石表面产生剪切作用。孔底锥面上的凸起部分将直接受射流的剪切和拉伸作用。由于旋转射流具有较高的切向速度，十分有利于岩石的破碎。

    (2)冲蚀破碎。旋转射流能量相对集中在距轴心一定半径的环形区域内，当射流冲击到岩石表面时，对应环形区域下的岩石在受到很大的冲击力作用的同时，受到横向流的冲蚀，在其联合作用下，圆环面积内岩石颗粒的胶结物或层理等弱面，因强度低首先被冲蚀掉，从而使岩石颗粒裸露，最终脱离岩石母体。旋转射流对圆锥面的冲蚀作用，更容易使岩石颗粒或岩屑迅速离开岩石母体而被水流带出，后续射流能直接冲蚀到新的岩石表面，减少了岩石的重复破碎，提高了破岩效率。

    (3)拉伸破碎。旋转射流向孔底冲击时，在圆锥表面上，相当于施加一个平行载荷，产生拉应力，此时岩石垂直裂纹的产生要比受单纯的垂直载荷时容易得多。就是说，旋转射流比普通圆射流更容易使岩石产生裂纹。射流流体进入裂纹或者岩石本身所固有的空隙产生水楔作用，使裂纹在张力作用下不断扩展，并逐渐相互连通，造成岩石破碎。

    (4)旋流磨削。旋转射流以其独特的流动形式，沿井底凸锥面冲击到井底后，其返回流则从来流的外侧旋转返回。这一方面避免了与射流来流争路而造成的射流能量损失，提高了射流能量的有效利用率和破岩效率；另一方面，返回流携带着破碎的岩屑沿孔壁旋转返回，像“砂轮”一样，磨削已形成的孔壁，进一步使孔眼扩大，并使孔眼更加光滑规则，提高了钻孔的质量。

    径向水平井钻井技术始于20世纪70年代末，80年代中期投入工业试验，80年代末期形成“超短半径径向井系统”(URRS)，进入商业应用。进行这项研究工作的有美国Petrophysics有限公司和Bectwel投资公司等。目前已完钻了几千口径向井眼，这些径向水平井有的是在垂直井的同一油层中钻人的，有的是在不同油层中钻人的，单个垂直井中所钻层位最多达5个，每个层位钻人的辐射状径向水平井最多达20个，实现了在多个层次钻多个辐射状径向井的技术。对于这些径向井眼，大部分进行了测井和包括裸眼技术，柔性防砂管技术（径向井眼的衬管）及双向砾石充填技术完井。径向井眼的长度一般在8～46m，依地质情况的不同和所结合的其他工艺（如注蒸汽）的不同，垂直井产能提高为2 -10倍，平均原油增产约为2～4倍。

    从20世纪90年代初开始，中国石油天然气集团公司科技发展部组织了1方面的科研力量，进行了“径向水平井钻井综合配套技术”攻关研究。

    径向水平钻井技术系统组成包括地面设备和井下工具系统2部分。地面设备主要由作业机、压裂成组设备、井口装置、数据采集和处理系统及地面运动控制装置等组成。井下工具系统包括段铣工具、扩孔工具、径向水平井钻井工具。段铣工具和扩孔工具是整个作业工艺中的重要前期准备工具。径向水平井钻井工具则是整个技术的核心，包括转向器、高压管柱、钻杆、射流钻头、钻杆运动控制器等。其中转向器是技术的关键。

  径向水平钻井技术系统工作原理：当系统钻井工具下人井内全部就位后，由高压管柱、井口高压密封、底部密封、钻杆等构成一个液缸——柱塞机构。钻井时，地面高压水力泵以9～13 L/s的排量提供压力为55-69MPa的钻井液，钻井液经井口进入高压管柱内，再由位于高压管柱内腔的径向钻管上端开口进入其内腔，流向钻头，然后由钻头以244-277m/s的速度旋转射出，破碎岩石。在这个过程中，水力起到2个方面的作用，水刀即喷射切割地层；驱动钻柱运动并使之穿过转向器实现由垂直向水平方向转向而进入地层。