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从钻井泵经过钻柱内部输送到钻头喷嘴的流体是瞬态流动，存在着压力行波，使从普通喷嘴射出的流体有一定程度的脉动。当这种流体经过自激振荡喷嘴轴对称空腔后，初始振荡的频率与腔内扰动波的频率相接近时，整个流体的振荡被迭加、放大，最后在腔室出口处产生被调制了的振荡射流。文章按波动理论原理，建立自激振荡射流腔室内流体压力和速度的数学模型，并采用接近钻头实际喷嘴直径和增大喷嘴金尺寸，进行扩大振荡腔室的射流实验研究。     

高效脉冲喷嘴在喷射钻井中的实验研究

基于水声学和流体动力学原理，分析了自激振荡射流中碰撞剪切流动压力扰动波的传播速度及其对射流振荡频率的影响规律，建立了振荡腔内脉冲射流频率的数学模型，得出了声压、流体密度以及模态数是影响射流频率的关键因素。为获得更为有效的冲击压力和破岩效率,从提高脉冲射流瞬时峰值出发，研究射流频率和射流压力峰值的实际影响因素。实验采用SD150测试系统主要研究了泵压和自激振荡腔长对射流频率的影响。实验结果表明：泵压升高，射流频率增加；腔长增大,射流频率降低。另外，存在一个最佳腔长使脉冲射流压力峰值达到最大。实验结果与理论分析一致。     

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自激振荡腔室是产生自激振荡脉冲射流的重要条件，振荡腔室的结构参数、流体流动参数、有效反馈条件及流场特性直接影响脉冲射流的瞬时冲击力。文章在理论与实验研究的基础上，采用标准的K-ε模型，应用有限元软件ANSYS进行了腔室内三维流场的数值模拟，并根据结果作出了流场速度分布图及压力与各影响因素的关系图。模拟结果与室内台架实验对比表明，数值模拟能很好的反映流场的分布及腔室压力与各影响因素之间的关系，对进一步研究有指导意义。     

应用大涡模拟对自激振荡腔室特性的研究

自激振荡脉冲射流已经广泛应用于石油钻采工程,现有的自激振荡脉冲发生理论还不能完善地解释影响振荡脉冲效应的因素。应用大涡模拟对赫尔姆兹振荡腔流场进行了分析,建立了数学控制方程,并运用Fluent软件的LES湍流模型对自激振荡腔的三雏流场进行数值模拟。研究了振荡脉冲的发生机理,获得了振荡腔结构参数变化对振荡脉冲效果的影响规律。     

井底岩屑磨料脉冲射流钻井技术磨损实验研究

采用自行研制的井底岩屑磨料脉冲射流工具及模拟井筒实验装置,通过磨料脉冲射流破岩实验,研究了磨料介质(岩屑、石英砂及钢珠)、自激振荡腔内碰撞壁以及喷嘴的磨损情况。结果表明,岩屑磨料在对岩石冲击磨削的同时,其自身强度也在衰减;石英砂的尖锐棱角被磨平,颗粒变得圆滑;钢珠质量在破岩实验的0～60min内减少比较明显,在60min之后减少的幅度降低,同时,其外表面和球度也发生改变,但未见明显的裂缝等微观特征;冲蚀严重的位置位于井底岩屑磨料脉冲射流调制工具自激振荡腔内的碰撞壁、喷嘴以及流道等处。     

自激振荡脉冲射流喷嘴频率特性实验研究

基于水声学和流体动力学原理,建立了振荡腔内脉冲射流频率模型,研究结果表明,模态数、流体密度及密度变化率是影响射流频率的关键因素。采用SD150测试系统,分析了自激振荡脉冲射流动态特性中各参数对其频率的影响程度,泵压和自激振荡腔长对射流频率影响的实验结果表明,脉冲射流幅值比连续射流提高了约20%;泵压升高,射流频率增加;腔长增大,射流频率降低,且存在一个使脉冲射流压力峰值达到最大的最佳腔长。实验结果与理论分析一致。     

水力脉冲射流旋流流场数值模拟

为研究水力脉冲射流流场内旋流流场的变化特性,通过建立井底边界条件下单喷嘴脉冲射流冲击流场物理模型,对脉冲射流旋流流场进行了数值模拟研究。结果表明,非稳态旋流是脉冲射流流场的一个显著特征,对脉冲射流钻井提速起到重要作用,旋流速度和范围具有周期性变化且不随脉冲频率发生改变;在单周期内,旋流强度与脉冲射流速度变化具有一致性,旋流影响范围由前期的快速扩大到后期的缓慢扩大,一直保持增大趋势;旋流作用强于射流动能是脉冲射流产生局部脉动负压的主要原因,有利于降低压持效应;旋流流场改变钻头表面的压力分布,有利于提高钻头清洗效果。研究结果对指导脉冲射流提速技术具有一定的参考价值。     

井下它激振荡脉冲射流机理研究

在油气井钻井中,为了充分利用井下水力能量,利用井下环空流体液柱压力作为激励源,实现了它激振荡脉冲射流.探讨了井下环空流体作为它激源实现它激振荡脉冲射流的机理,建立了物理模型.利用室内实验研究揭示了井下水力它激振荡脉冲射流的机理,为井下水力增压的研究提供了理论依据.实验结果表明,它激共振腔结构参数(容积,上、下喷嘴直径,比值),它激孔位置、数量、直径以及水力参数(流量、射流速度、环空液柱压力)是影响它激作用的重要因素.在实验条件下,共振腔自增流量为泵入流量的20%左右;它激振荡脉冲射流出口动压力比自激振荡脉冲射流提高两倍.     

PDC钻头超高压射流特性与喷嘴设计

运用计算流体力学方法,对PDC钻头超高压射流流场进行数值模拟研究,并对喷嘴进行设计。结果表明,超高压喷嘴自由淹没射流符合轴对称射流性质,流场与常规射流流场结构一致,分为初始段、过渡段和基本段;超高压喷嘴自由淹没射流存在等速核,等速核长度为7.5倍喷嘴直径;超高压射流喷距设计为4倍喷嘴直径,有利于提高超高压射流破岩能力。现场试验结果表明,超高压PDC钻头配合井下增压器使用可以大幅提高机械钻速。     

新型射流提高机械钻速机理及研究进展

在油气井钻井中，喷射钻井技术能够较大幅度地提高钻井速度，其实质是喷嘴射流辅助钻井破岩，提高了井底破岩效率。为此，文章在如何向井底输送能量和充分利用井下水力能量研究的基础上，进行了多种新型射流的研究与应用。文章对断续射流、自激振荡脉冲射流、自振空化射流和它激振荡脉冲射流4种形成新型射流的理论和方法，提高机械钻速机理进行了分析。现场应用结果表明，新型射流能够较大幅度地提高机械钻速，具有广泛的研究和开发应用前景。     

自激振荡脉冲射流喷嘴结构优选试验研究

高压水射流是钻井提速的基本技术手段。自激振荡脉冲射流是一种特殊的高压水射流,因其结构简单、全金属性及充分利用钻井液能量等优点,成为深井、超深井钻井提速研究热点。根据流体网络集中参数理论,设计了室内试验装置和试验方法,对自激振荡脉冲射流元件的结构参数与射流特性进行了室内试验分析。结果表明:流体网络集中参数理论能够很好地描述射流元件的振荡特性;当上下喷嘴直径比为0.75、腔长腔径比为0.80、喷嘴锥角为120°时,自激振荡脉冲射流性能最好。     

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本文对自激振荡脉冲喷嘴振荡腔的几何尺寸进行寻优,发现腔室内腔长的几何尺寸对振荡效果的影响大于腔径的影响;对轴心压力衰减规律的探索,证明其有效喷距为喷嘴入口直径的9～15倍;设立的模型可以作为评价动态压力信号的波形特征、频率结构及能量分布的参考。     

环空液体它激振荡脉冲射流数值模拟

钻井过程中,对于如何利用井下环空液体的水力能量问题是钻井界关注的重大理论与实践问题。为此,利用这个水力能量作为它激源,形成它激振荡脉冲射流的方法,基于流体动力学、瞬变流和边界层理论．采用CFD软件,对它激共振腔的流体流动特征、几何参数和流体参数进行了数值模拟。结果表明,在相同条件下,它激振荡自增流量可达20％左右,出口动压力比自激振荡脉冲射流提高一倍左右,环空返速对自增流量的影响极小,模拟结果与实验结果十分吻合,提高了井底辅助破碎岩石的水力能量。在此基础上,对它激共振腔的结构参数进行了优化设计,为开发新产品提供了理论依据。
     

非自由淹没水射流CFD仿真研究

依据井底高压水射流破岩条件建立物理模型,利用计算流体动力学方法对非自由淹没射流流场进行计算。计算结果表明,射流速度场存在等速核区、衰减区和撞击区。将计算结果与经验公式进行对比,证明了模型的准确性和计算结果的可靠性。通过分析喷嘴出口速度、喷距和喷嘴出口直径对射流轴向速度的影响规律,得出结论:(1)喷嘴出口速度对射流结构和轴向速度衰减影响较小;(2)当无因次喷距L/D<12时,射流没有衰减区,仅存在等速核区和撞击区;(3)当L/D≥12时,喷距对射流结构的影响非常小,对等速核长度几乎没有影响。     

阀式液动射流冲击器的研制

液动射流冲击器在深井模拟实验室的试验结果表明，其在实际应用中具有良好的可行性和应用前景。与此同时，也发现了一些问题，如由于喷嘴过流断面较小等原因导致的射流元件易损坏的问题，所以需要增大喷嘴过流断面。但这种改变必然对射流切换造成影响，其它结构参数必须重新设计。而大量模拟试验表明：增大喷嘴过流断面，调整其它相关结构参数，射流能够实现切换。为此，实际冲击器在设计时增设一阀，将信号道移到中板，改变劈形，排空孔下移且合二为一。重新设计的阀式液动射流冲击器与同规格射流冲击器相比，在冲击功及冲击频率方面相差不大，但压耗大幅度降低。     

自激振荡钻具振荡力计算及影响因素分析

自激振荡钻具是利用自激振荡原理,将连续的高压钻井液转化为间歇周期性的脉冲射流,以增强钻
头冲击力和减少岩屑重复破碎,进而提高机械钻速的井下工具。该工具以其结构简单、无密封件和工作可靠等优
势得到广泛应用。然而由于自激振荡钻具的振荡力使用解析法难以计算,使得其结构优化和现场应用受到限制。
文章基于大涡模型理论,对自激振荡钻具内部流场进行模拟,进而计算出工具振荡力的大小,并计算分析了钻井液
密度、钻井液排量和工具最小水眼尺寸变化对振荡力的量化影响,指出钻井液密度和钻井液排量是影响工具振荡
力的主要因素,同时现场应根据实际许用节流压降选用合适的最小水眼尺寸。文章的研究工作为工具内部结构的
优化提供方法,同时也为现场合理使用该工具提供依据。     

装有脉冲喷嘴的PDC钻头井底流场模拟

脉冲射流具有流体脉动特性,应用在钻井作业中,能起到较常规射流更为明显的辅助破碎岩石和清洗井底岩屑的作用。运用计算流体动力学技术,采用雷诺平均Navier-Stokes方程和κ-ε湍流模型,对装有脉冲喷嘴的PDC钻头进行井底流场数值模拟,分析脉冲射流压力波动变化、脉冲射流辅助破碎井底岩石性能以及在PDC刀翼上流体湍流运动的力学性质和脉动情况。模拟结果表明,脉冲射流作用于PDC钻头,能够在一定程度上增强射流辅助破碎岩石、井底岩屑运移和PDC切屑齿的清洗、冷却效果。该项研究成果可为装有自激励振荡脉冲喷嘴的全尺寸PDC钻头进行井底流场的水力特性室内及现场试验提供一定的参考。     

超临界二氧化碳压裂液降阻剂体系优选

SC-CO₂(超临界二氧化碳)压裂技术不仅具有油气增产与CO₂利用的双重作用，而且还能有效避免水力压裂导致的地层伤害、环境污染等问题，但SC-CO₂压裂液在压裂施工过程中存在摩阻过高的问题，从而制约了压裂工艺参数的设计与优化。为了改善SCCO₂压裂液该项性能的不足来提高压裂效果，通过分子模拟和实验相结合的方式对SC-CO₂压裂液的降阻机理和影响规律进行了分析；最后根据多种降阻剂的降阻和增黏功能，得到了混合种类降阻剂的优化比例并验证了其优化后的效果。研究结果表明：(1) CO₂管流摩阻内部阻力和外部阻力产生的根本原因是流体的黏性和惯性，宏观影响因素为流速、流道性质和流体性质，微观上由分子间作用力、分子热运动、界面黏附力控制；(2) SC-CO₂压裂液降阻剂的降阻机理有2大类，癸基聚氟酯与聚烯酸月桂酯通过控制CO₂分子运动降低SC-CO₂压裂液体系流动摩阻，二甲基聚硅氧烷通过降低管壁的相对粗糙度...     

石油钻井中自激脉冲喷嘴的应用研究

研制了分析脉冲射流动态压力信号的软件,作为评价这种信号的波形特征、频率结构及能量分布的依据。测试分析表明:自激脉冲喷嘴振荡腔室的几何尺寸显著地影响着射流的振荡效果,其有效喷距较普通喷嘴更长、更宽。     

高压射流解堵技术

高压射流解堵是一种通过从高压射流工具中喷出的高频、高速射流来清洗炮眼及解除附近地层堵塞的物理解堵方法。高压射流解堵工具由过滤器、扶正器、阻尼器和喷嘴头组成。来自地面的高压水流经过过滤器去机械杂质后，经过阻尼器内外两自激振荡腔，产生振荡干涉叠加，峰值压力提高对％，再通过喷嘴头上四个小孔射出，其中两股射流为周向射流，驱动喷嘴头作高速旋转，其余为径向射流，对于井街上的某一炮眼来说，将受到一连串脉冲水流的强有力冲击，使得炮眼结垢冲蚀，附近地层将产生疲劳裂纹并扩展，提高渗透性。高压射流工具在20～25MPa驱动…