应力波对岩石材料的破坏作用2.doc

射流应力波对岩石材料的破坏作用的研究 张永利 （辽宁工程技术大学工程力学研究所，辽宁，阜新，123000） 摘要 射流对于岩石有多种破坏作用，应力波是其中主要作用之一。本文从射流动力特性的角度对应力波使岩石受到射流作用而发生破坏的机理及破坏的强度进行研究，并最终给出了量化的结果；同时介绍了河南油田进行的现场实验，充分验证了应力波对岩石打击距离的理论计算结果，为射流在油田开采过程中油井增产的应用提供了理论依据。 关键词 射流，应力波，岩石破坏，打击距离 分类号 TD324 文献标识码 A 文章编号 引 言 油水井水力喷砂割缝技术的成功应用为我国油田提供了新的增产增注措施，其良好的效益和低廉的成本无疑为提高油井采收率、增加油井产量显示出良好的应用前景。鉴于该技术在我国几个油田的施工情况，更好地在各油田推广使用，定量地研究磨料射流对岩石的打击和破坏作用机理和打击深度具有重要的指导意义。 磨料射流切割机理问题就是在固液两相流紊动射流作用下材料破坏的理论研究，这显然要受到目前对材料破坏机理、湍流运动机理及两相流理论研究现状的制约，而这方面的理论研究还很少，因而本文在现有的有关研究成果基础上对磨料射流作用下材料的破坏进行理论研究，为扩大和改进磨料射流技术在清洗、清除、切割和破坏中的应用提供理论指导。 2 磨料射流对材料破坏的作用 射流对材料破坏作用过程极为复杂，不仅与射流工况有关而且与材料性质密切相关。关于射流对材料破坏的作用归结起来认为材料破坏是射流以下几种作用引起的。 ①射流撞击力 ②水楔作用 ③射流产生的应力波 ④气蚀破坏作用 对于破坏过程的不同阶段、不同工况条件和对不同材料，上述四种作用的重要程度是不同的。但是射流的撞击力及产生的应力波是开始就起作用并贯穿全过程的，是主要作用。另两者起促进扩大加速破坏的作用。 当射流和冲击面正交时，如图1所示，射流冲击平面后向下游折转，其折转程度随材料破坏成凹陷的形状而发生变化，不论何种情况，射流分三个区域。 Ⅰ为自由射流区。具有自由射流性质。 Ⅱ为冲击区。该区中流动受到正面碰撞，压强增高，在滞点S处压强最大，形成较大压强梯度，促使流线在平行壁面上弯曲、折转。 Ⅲ为附壁射流区。具有附壁射流性质。 各区的流动性质明确后，就可以分别确定射流在各区的特性常数。 射流冲击材料表面总作用力可以应用动量定理求得 (1) 式中，为流体密度（kg/m3），为射流体积流量（m3/s），v为射流冲击材料表面时速度（m/s），为射流方向变化的角度。当射流冲击材料表面时，会产生各种式样的应变波。当压缩波传播到材料的自由表面时，材料所受到的合成应力从入射时的压缩变成全反射时的拉伸。如果在任何阶段合成拉伸超过材料的拉伸强度，则在那点发生拉伸破裂。  3 岩石在磨料射流作用下破坏机理 2.1 受冲击时岩石失效的原因 已有研究成果认为，岩石材料的破坏形式主要是在拉应力作用下的脆性破坏，具体表现为径向裂纹、锥状裂纹和横向裂纹的扩展。岩石在射流的撞击下同样在打击区正下方某一深处将产生最大剪应力，打击接触区边界周围产生拉应力。由于岩石的抗拉强度比其抗压强度小16~80倍，抗剪强度比抗压强度小8~15倍，打击产生的压应力虽然达不到岩石的抗压强度，而拉应力和剪应力却分别超过了岩石的抗拉和抗剪的极限强度，在岩石中形成裂隙。裂隙形成和汇交后，水射流将进入裂隙空间，在水楔作用下，裂隙尖端产生拉应力集中，使裂隙迅速发展和扩大，致使岩石破碎。另外，流体对材料的穿透能力也是影响材料破坏过程的一个重要因素。流体渗入微小裂隙、细小通道和微小孔隙及其它缺陷处，降低了材料的强度，有效地参与了材料的失效过程。同时，液体穿透进入微观裂隙，在材料内部造成了瞬时的强大压力，其结果在拉应力作用下，使微粒从大块材料上破裂出来。由于所有的固体材料都是由不同程度的微观裂纹开始破坏的，这些微观裂纹对材料的强度和失效的特性有明显的影响。在磨料射流连续不断地打击作用下，材料内部以及延伸到表面的裂纹数量会逐步增加，这些裂纹的生成与扩展，最终导致材料局部的破坏，实现对材料的切割。 但是更多的研究者认为，磨料射流冲击于岩石的表面，使岩石的应力具有动力特性。磨料射流对岩石的冲击作用而形成应力波，使射流冲击的附近岩石发生破坏。下面通过磨料射流冲击产生的应力波对岩石的作用来分析岩石破坏的机理。 2.2 压缩波对岩石的破坏作用 磨料射流进行井下切割，射流与套管、水泥环和岩体组成的综合体表面也即套管表面进行碰撞，射流冲击的综合体均不是刚体。当射流与综合体碰撞时均发生压缩变形，部分动能转变为应变能，射流不能立即与综合体脱离接触，而在射流及综合体弹性恢复力作用下，射流才能弹开，从而在射流与综合体之间产生了压缩波即纵波，而