在有漫流影响下，水刀用井底多孔测压盘测得的不同截面上的压力分布曲线。从图中可以看到曲线形状是类似的，但不同喷距下的压力分布曲线有较大的变化，不能重合在一起。欲建立一个模式，同样遇到选择特征参数的问题。经过分析，选择中心最大压力(Pm)作为特征压力，射流截面内压力沿径向衰减到中心压力一半时所对应的半径——半衰径(R，)作为特征半径。特征半径和特征压力都具有取值准确的特点，特征压力是轴心最大压力，而特征半径以内区域则压力较高，是该界面内射流能量和动量较集中的范围。采用以上2个特征参数对测试数据进行处理后，得到了基本重合在一起的无因次压力分布曲线。这样，就在所进行的试验范围内，证明了在淹没非自由射流受井底影响而发生漫流和回流条件下，射流基本段内具有压力分布的自模性。根据压力与速度的对应可知，这种条件下射

   进一步可以推导出钻井射流到达井底岩面各水力参数的计算模型。传统的喷射钻井水力设计理论和方法，是由喷射钻井奠基人H．A．Kendall和W C Goins 1960年按钻头喷嘴出口处获最大功率、最大冲击力或最大喷速而建立的。按钻头喷嘴出口处获最大水功率只考虑了泥浆进入喷嘴前在循环系统中的水功率损耗，而没有考虑射流出喷嘴后在泥浆介质中的水功率损耗（衰减），且两者计算值相差甚远。经过数学推导，得到按井底岩面获最大水功率、钻头喷嘴的最优当量直径计算模型。

    由前面理论分析可以看出，如将喷距缩短至射流等速核以内，可以最大限度地提高井底的动压力和水功率。现有牙轮钻头喷嘴出口距井底的距离为135～175mm，如缩短至45-60mm，据此研制的加长喷嘴牙轮钻头，其井底的压力可提高90% -110%，井底水功率可提高30%～35%，井底压力梯度可提高1.5倍以上。3000余只钻头，获显著经济效益。16.2  自振空化射流理论与钻头。

    对于空化现象，现在还难以给出一个简明而严格的定义。一般把液体内部局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸气或气体的空穴（空泡）的形成、发展和溃灭过程，称为空化‘“-”。空化和空蚀现象对物体的破坏作用是十分强大的，空泡溃灭还同时产生强烈的振动和噪声，对水力机械的工作效率和寿命也有很大的危害作用。反过来，如果设法将这种有害作用变成有利作用，比如在工业清洗、切割和钻探作业的水射流中人为地引入空化和空蚀，利用其强大的破坏作用和振动噪声冲击波来提高清洗、切割和钻探的效率，其效果也将是显著的，这就是空化射流的由来。

    空化射流应用的关键在于如何在射流中产生空化，石油工程井下围压环境不利于空化现象的产生，国内外研究人员提出流体自激振荡的方法促使围压下的空化初生。

    根据瞬态流理论和水声学原理，当稳定流体流过喷嘴谐振腔的出口收缩断面时，产生自激压力激动，这种压力激动反馈回谐振腔形成反馈压力振荡。适当控制谐振腔尺寸和流体的马赫数及Strouhal数，使反馈压力振荡的频率与谐振腔的固有频率相匹配，从而在谐振腔内形成声谐共振，使喷嘴出口射流变成断续涡环流，从而加强射流的空化作用。其中风琴管和Helmholtz谐振腔是两种典型的自激振动腔室结构。

    可安装2种模拟井筒，一种是透明有机玻璃筒，进行常压下射流实验；另一种是厚壁钢管筒，进行围压下射流实验，试验围压达20.0MPa。喷枪竖直固定在升降横梁上，喷嘴装在井筒内喷管的下端，靶盘（测压盘或岩芯）安装在井筒底座上。控制电机驱动横梁升降，调节喷嘴出口与被冲击靶物表面的距离（喷距）。

    1．轴向压力分布规律

    3种不同结构风琴管喷嘴在泵压为10.0 MPa条件下射流轴心冲击压力脉动峰值P喷距S的变化规律。可以看出，在泵压一定的条件下，射流冲击压力脉动值在某一合适喷距范围内达到最大，将此喷距称为最优喷距，用S'表示。将最优喷距用喷嘴出口直径无因次化( S/d)，通过实验发现，风琴管喷嘴的无因次最优喷距范围为8-14；随着泵压增加，冲击压力峰值和脉动幅度增加，但无因次喷距基本保持不变。

    2．径向压力分布规律

     射流压力脉动幅度随径向距离的增加先逐渐增大，在某一径向距离r处达到最大，随后又逐渐降低，因而在一定喷距下，某一截面上的最大脉动幅度并不出现在射流轴心，而是偏离轴心一段径向距离，一处。

    3．不同喷嘴冲击压力脉动比较

    泵压9．OMPa条件下，风琴管空化喷嘴、Helmholtz振荡腔喷嘴和锥角120。普通锥形喷嘴的射流脉动压力峰值和压力脉动幅度随喷距变化的关系曲线。可以明显看出，在相同泵压下，风琴管喷嘴和Helmholtz喷嘴压力脉动幅度都高于普通锥形喷嘴，风琴管空化喷嘴的冲击压力峰值和压力脉动幅度分别比锥形喷嘴提高37%和24%。

    围压是射流在石油工程应用中重要影的响参数之一，也是空化射流应用必须研究和解决的关键问题，因此研究围压下自振空化射流的压力脉动特性具有重要意义。

    1．围压下自振空化射流轴心压力脉动幅度分布规律

    不同围压下，风琴管喷嘴在压降8.0MPa时的轴心压力脉动幅度随喷距的变化曲线。可以看出：围压条件下自振空化射流轴心压力脉动存在最优喷距，为喷嘴直径的5-13倍；随围压增大，最优喷距有增大的趋势，而最大脉动幄度呈减小趋势。

    2．围压下自振空化射流时均压力特性

   围压为8.OMPa条件下不同喷嘴压降时的风琴管喷嘴时均压力分布曲线。

  分析看出，在不同压降时的数据点均在某一曲线附近，而不同围压时的规律相似。与此同时，自振空化射流轴心时均压力要比普通喷嘴射流轴心压力衰减的慢。

    3．轴心压力脉动频率变化规律

    脉动频率基本不随围压、压降和喷距的变化而变化，而是保持在1. 38kHz左右。

    1．喷距对自振空化射流冲蚀岩石效果影响

    在泵压一定的条件下，对风琴管空化喷嘴、Helm-holtz振动腔空化喷嘴和锥形喷嘴进行了不同喷距时的冲蚀岩石试验。3类喷嘴在相同泵压下的体积冲蚀速度与喷距的关系曲线。在实验泵压条件下，3种喷嘴的无因次最优喷距在8-14范围内。

    2．不同喷嘴射流冲蚀岩石效果

    比较试验表明，风琴管空化喷嘴最大体积冲蚀速度是120。锥形喷嘴的3.0 -3.3倍，Helmholtz振动腔空化喷嘴最大体积冲蚀速度是120。锥形喷嘴的1. 3-2.3倍，风琴管空化喷嘴最小比能只有120。锥形喷嘴的43%-49%。在相同泵压条件下，风琴管空化喷嘴冲蚀岩石效果最好，Helmholtz振动腔空化喷嘴次之，普通锥形喷嘴较差。

    3．不同风琴管结构对射流冲蚀岩石效果影响

    为了风琴管自振空化喷嘴进一步的优化设计和应用，对7种不同结构尺寸和结构关系的风琴管喷嘴进行了相同泵压下的冲蚀岩石实验。通过实验发现，当马赫数相同时，Strouhal数小的喷嘴冲蚀岩石效果较好。这与S．C．Crow、F．H．ChaMPagne和V．E．Johnson等人所做的空化射流压力脉动实验结果是相似的。通过系统实验得出：风琴管结构设计的最佳参数依据是马赫数M为0.08 -0. 09，Strouhal数Sd为0.3，截面收缩比(D，/D)z为3.5 -4.5，(D/d)2为10-11。

    4．围压下自振空化射流冲蚀实验

    射流压力40MPa.喷距为4 mm时不同围压下自振空化喷嘴和普通锥形喷嘴冲蚀岩石效果比较。自振空化喷嘴在围压条件下冲蚀质量优于锥形喷嘴，水刀通过对全部围压下冲蚀质量累加，可知自振空化喷嘴冲蚀效果是锥形喷嘴的1. 5-1.6倍。