《Petroleum Science》：Temporal-spatial evolution of stress and damage in granite under swirling abrasive water jet impingement: A numerical study based on the coupled SPH-FEM method
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旋流磨料水射流（Swirling Abrasive Water Jet, SAWJ）具有冲击面积大和破岩能力强等优点，是当前在深层油气、干热岩等硬岩储层中高效钻设径向水平孔的最优方法。然而，SAWJ冲击下岩石应力与损伤的时空演化尚不清晰。本文建立了SAWJ冲击
旋流磨料水射流（Swirling Abrasive Water Jet, SAWJ）具有冲击面积大和破岩能力强等优点，是当前在深层油气、干热岩等硬岩储层中高效钻设径向水平孔的最优方法。然而，SAWJ冲击下岩石应力与损伤的时空演化尚不清晰。本文建立了SAWJ冲击花岗岩的数值模型，分析了花岗岩中应力与损伤的时空演化，并讨论了SAWJ的破岩机制。模型预测的损伤区外径、内径和宽度与实验测量结果的平均误差为10.28%。在SAWJ冲击下，花岗岩冲击表面的损伤呈环形分布，内部损伤峰值出现在距冲击表面3.2–4.0 mm深度范围内。在冲击表面的环形冲蚀坑内，应力波呈现向射流轴线汇聚并叠加的趋势；而在环形冲蚀坑外部，应力波呈现由冲蚀坑向外发散并叠加的趋势。SAWJ损伤花岗岩的主要能量来源于磨料颗粒的冲击。上述发现有助于深入理解SAWJ与岩石的相互作用过程，为SAWJ在硬岩储层中的径向钻进提供指导。
### 旋流磨料水射流冲击下花岗岩应力与损伤的时空演化研究解读
径向射流钻井技术利用水力能量在主井筒垂直方向钻设多个径向水平井眼，可穿透近井损伤带，为油气运移提供高导流通道，并引导水力压裂裂缝扩展，在深层油气、地热和天然气水合物开发中具有广阔前景。然而，深层/超深层油气和干热岩储层岩石硬度高、强度大，传统自旋转多孔喷嘴仅能高效破碎砂岩等软岩，难以满足硬岩储层径向钻进需求。旋流磨料水射流（Swirling Abrasive Water Jet, SAWJ）通过旋流叶轮喷嘴产生，具有冲击面积大和高效拉剪破岩能力，是当前硬岩储层径向钻孔的最优选择。但以往研究多集中于流场分布模拟和破岩实验，对SAWJ冲击下岩石应力与损伤的分布和演化缺乏认识。由于SAWJ破坏性强且岩石不透明，实验方法难以直接观测内部演化，因此研究人员采用光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH）与有限元方法（Finite Element Method, FEM）耦合的数值模拟开展研究。
研究人员建立了SAWJ冲击花岗岩的数值模型。模型基于SPH-FEM耦合算法，磨料水柱采用SPH粒子离散，其中磨料颗粒定义为可破碎的球形粒子，采用弹性本构和拉伸失效准则；花岗岩和旋流叶轮喷嘴采用FEM六面体单元离散，花岗岩采用Riedel–Hiermaier–Thoma（RHT）损伤本构模型，其参数已通过单轴压缩和巴西劈裂实验验证。SPH与FEM部分通过罚函数算法耦合。为精确表征岩石应力与损伤，花岗岩网格尺寸设为0.15 mm。模拟中，推板以13.6 m/s的速度推进磨料水柱通过旋流叶轮喷嘴，模拟时长0.610 ms。实验室实验验证表明，模型预测的损伤区外径、内径和宽度与实验测量结果的平均误差为10.28%，验证了模型的可靠性。
#### 3.1 损伤的时空演化
##### 3.1.1 宏观损伤形貌
通过三维等值面分析，研究发现SAWJ冲击下花岗岩严重损伤区呈近似环形分布，位于射流轴线两侧一定距离处；随时间增加，环形严重损伤区向外扩展，周围轻微损伤带逐渐连通。
##### 3.1.2 冲击表面损伤特征
冲击表面损伤呈近似环形，外径随喷射时间增大，射流轴线附近花岗岩未损伤。沿中心线损伤呈“M”型分布，即从轴线向外先快速升至1.0，保持恒定后迅速降至0；恒定区对应环形损伤带。
##### 3.1.3 纵向截面损伤特征
纵向截面上，严重损伤区位于轴线两侧，伴随轻微损伤区和裂纹。随时间增加，两侧裂纹平行于冲击表面向轴线延伸并汇聚。沿射流轴线（M2），损伤在距冲击表面3.2–4.0 mm深度范围内达到峰值；沿左、右损伤区中心线（M1、M3），损伤随深度呈先保持1.0后下降或先下降再升高的复杂形态。
#### 3.2 应力的时空演化
##### 3.2.1 冲击表面应力特征
冲击表面应力分布显示，0.600 ms时水锤效应主导，最大和最小主应力峰值位于轴线两侧，呈“W”形；0.605 ms时水锤效应减弱、应力波效应增强，峰值降低但轴线附近应力增大；0.610 ms时水锤效应基本消失，完全破坏区应力降为零，轴线附近出现最大主应力峰值。据此，研究将应力波划分为产生区（直接冲击区，内径12 mm、外径28.4 mm的环形区域）、汇聚区（直径12 mm的中心圆形区域）和发散区（外部区域）。
##### 3.2.2 纵向截面左侧应力特征
以左损伤区中心线（M1）代表直接冲击区，研究发现0.600 ms时应力峰值出现在冲击表面，随深度增加先快速衰减至约2.4 mm处，随后波动至12 mm；0.605 ms时峰值转移至1.6 mm深度处；0.610 ms时近表面完全破坏区域无法承受应力，应力波主导且波动幅度随深度衰减。
##### 3.2.3 纵向截面中心应力特征
以射流轴线（M2）代表应力波影响区，应力呈明显波动特征。0.600 ms时在1.6–4.8 mm深度范围内出现纯拉伸应力状态；0.605 ms时在3.2–4.0 mm深度出现最大主应力峰值，其值超过花岗岩抗拉强度（12.5 MPa），而最小主应力低于抗压强度（153.9 MPa），剪应力低于剪切强度（52.7 MPa），表明该区域因拉伸应力超过抗拉强度而损伤，与损伤峰值位置一致，证实拉伸破坏是SAWJ内部损伤的主导机制。
在讨论部分，研究人员综合宏观成孔特征、射流流场特性和应力损伤演化，提出了SAWJ破岩机制模型：磨料浆液在叶轮与壳体形成的螺旋流道内获得三维速度；切向速度产生离心力使射流介质集中在距轴线一定距离的环形区域，而轴线附近形成高气相浓度区，导致冲击能量集中于环形区域；破岩主要能量来自高频高速磨料颗粒的冲击，磨料的高硬度、高密度和尖锐棱角赋予其强冲蚀能力，形成带中心凸起的规则圆形井眼；应力波在环形冲蚀坑内向轴线汇聚叠加，在坑外则向外发散叠加；纵向截面上两侧应力波在轴线下方一定深度叠加，诱发拉伸损伤。同时，研究也指出模型存在局限：磨料形状简化为球形，未考虑真实棱角；RHT模型假设岩石为完美脆性材料，难以表征真实花岗岩的各向异性和非均质性；未考虑高压流体进入扩展裂纹的水楔效应；模拟时长仅0.610 ms，与现场连续喷射存在差距。
研究结论可概括为：（1）建立的SPH-FEM耦合模型经实验验证，平均误差10.28%，证实SAWJ冲击能量集中于距轴线一定距离的环形区域，形成环形损伤特征。（2）应力与损伤演化揭示在岩石表面下方3.2–4.0 mm深度范围内存在拉伸主导的破坏机制，该拉伸损伤源于环形冲蚀坑两侧磨料冲击产生的应力波叠加；应力演化过程分为水锤效应主导和应力波效应主导两个阶段。（3）花岗岩破碎的主要能量来源于磨料颗粒的高速冲击，应力波主要造成周围岩石的二次损伤，这为优化旋流叶轮喷嘴结构和磨料浓度、射流压力等运行参数提供了理论指导。（4）磨料冲击引起的应力波在空间上表现为汇聚和发散行为：环形冲蚀坑内应力波向轴线汇聚叠加，坑外则向外发散；纵向截面上，两侧冲击产生的应力波向内部传播并在一定深度沿轴线叠加，诱发岩石基质拉伸损伤。该研究填补了SAWJ冲击下岩石应力与损伤时空演化研究的空白，为硬岩储层中SAWJ径向钻进技术提供了理论支撑。
