基于Fluent的径向水平井旋转射流钻头内外流场数值模拟

运用Fluent软件对径向水平井旋转射流钻头的内外部流场进行数值模拟,提出了利用数值模拟手段计算旋流强度和流量系数的方法。结果表明：流体经导流叶轮加旋后成为强旋流,流经喷嘴收缩段时,速度增加,旋流强度减小,至喷嘴出口时变为弱旋流;叶轮的流量系数小于喷嘴。该分析为旋转射流钻头的结构优化设计和提高破岩效率提供了理论基础。     

自进式旋转射流钻头破岩效果

利用有限的排量实现高效的破岩效率并尽可能增大径向水平井眼的延伸能力是实施新型径向水平井技术的关键,射流钻头的性能是该关键技术要解决的首要问题。在多孔射流钻头的基础上,设计研制了自进式旋转射流钻头,分析了其工作原理,并通过试验对自进式单孔旋转射流钻头、自进式单孔直旋混合射流钻头、自进式多孔旋转射流钻头以及自进式多孔直旋混合射流钻头随时间、射流压力和喷距的破岩钻孔规律进行了研究。研究结果表明:当喷距范围为9~12 mm、射流压力为20~35 MPa时,在相同的射流压力和喷距条件下,自进式多孔直旋混合射流钻头的破岩效果优于自进式多孔旋转射流钻头,其中1+4孔的多孔直旋混合射流钻头的破岩效果最好。设计得到的新型射流钻头可以提高径向水平井的钻进速度。     

旋流快分系统（VQS）环形空间内气相流场的研究

采用激光多普勒测速仪（LDV）对旋流快分系统（VQS）内环形空间的气相流场进行研究。结果表明，VQS系统内环形空间的气相流场具有双涡特性，内外涡的分界点处存在最大的切向速度。由于流体与双侧壁面之间的摩擦造成能量损失和湍流能量耗散，导致最大切向速度不断衰减且位置沿轴向向下逐渐向提升管外壁移动，同时涡量传递造成外部的准自由涡区逐渐增大，内部的准强制涡区逐渐缩小。轴向速度沿径向呈明显的线性分布，下行轴向速度沿提升管外壁向封闭罩内壁的径向方向逐渐增大。轴向速度的径向梯度沿轴向向下逐渐变小，轴向速度分布也逐渐趋于水平直线状。整个环形空间内，切向、轴向相对湍流强度分布稳定，湍流脉动与扩散比较平缓，有利于气流稳定下行，避免纵向环流、涡旋死区的发生。     

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。     

叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究

为提高PDC钻头钻进水平段时的井底射流辅助破岩能力,开展了叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究。利用k-ε双方程标准湍流模型,对叶轮式旋转射流流场进行了数值模拟,并采用旋流强度和流量系数评价了射流破岩能力。数值模拟结果表明,叶片扭曲角为115°~140°、直柱段无因次长度为0.6~0.8、收缩角为60°~70°时,流量系数和旋流强度可取得最佳值,射流破岩能力最强。根据不同喷距下的旋转射流破岩试验结果,分析了叶轮式旋转射流喷嘴的破岩特性,结果表明,同压降下叶轮式旋转射流破岩直径是普通直射流的近3倍,且喷距在7~11倍喷嘴出口直径时破岩直径最大。研究结果表明,叶轮式旋转射流喷嘴的破岩能力优于普通直射流喷嘴,且通过优化叶轮式旋转射流喷嘴几何参数可提高其破岩能力,加强井底清岩和辅助破岩效果,提高PDC钻头的破岩效率。      

长圆管内旋转流流场的实验测量和数值模拟

利用激光多普勒测速仪（LDV）对φ100mm×3500mm圆管内的旋转流流场进行了实验测量，重点研究了切向速度与轴向速度的分布以及湍流强度分布。同时采用FLUENT软件的雷诺应力输运方程模型（RSM）对圆管的湍流流场进行数值模拟，模拟结果和实验测量基本吻合。流场测量和数值模拟结果表明：圆管内的旋转流是Rankine涡结构形态，旋转强度沿轴向存在着明显的衰减特性，且最大切向速度的径向位置沿轴向逐渐向内移动。在长径比为10的位置，轴向速度大致呈“M”状分布，且沿轴向上轴向速度在径向上的变化趋于平缓，但在轴向长径比为16的位置以后轴向速度转变为稳定的轴对称分布，且轴向速度随径向位置的增大逐渐减小。圆管内大部分空间的切向湍流强度与轴向湍流强度波动不大，但在圆管中心处较大，说明该区域气流扰动较大。     

旋转磨料射流破岩钻孔试验研究

针对径向水平井钻井技术中旋转水射流在硬地层和深井中破岩能力低的不足,利用磨料射流破岩能力强的优势,对旋转磨料射流进行了试验研究。结果表明,旋转磨料射流破岩具有钻孔直径大和破岩效率高的双重优点,并随泵压增加,钻孔直径也增加。与非旋转磨料射流相比,同样条件下旋转磨料射流钻孔直径和破岩体积都比前者高出多倍。该试验研究为磨料旋转射流应用于径向水平钻井提供了基础     

大尺寸旋转水射流解堵工具的研制及特性测试

目前的自振空化旋转水射流井下解堵装置的最大使用井眼直径仅为178.0 mm,不满足现场使用要求;喷头的旋转速度随排量和驱动压力的增大而线性增大,大排量和高压条件下喷头旋转速度过快,易导致射流雾化。为此,设计了一种适用于244.5 mm井筒的大尺寸旋转水射流解堵工具,并通过地面试验研究了工具的旋转特性和冲击压力特性。该工具结构简单,易于机加工,既可用于水力解堵,也可用于酸洗解堵,喷嘴数量可根据地面设备情况自由组合。试验结果表明,在泵压一定的情况下,随着喷距的增大,射流冲击压力逐渐减弱,在所试验的驱动压力下,射流处理深度可达700 mm;在相同的驱动压力下,径向解堵喷嘴使喷头旋转速度降低,有利于延长径向喷嘴清洗炮眼的作用时间,增强处理效果。     

水力喷射径向水平井钻井关键技术研究

水力喷射径向水平井技术可在垂直井眼内沿径向钻出呈辐射状分布的一口或多口水平井眼,从而增大与储层的接触面积,建立高导流通道,是一种经济高效的油田挖潜和增产增注技术,其关键技术包括射流破岩钻孔能力、水力参数计算、射流钻头自进与井眼延伸能力、井眼轨迹测量与控制等。针对上述关键技术开展了深入系统的研究:分析了目前应用于径向水平井钻井的各类型射流钻头的基本原理,建立了射流破岩比能模型,通过对比分析认为旋转多孔射流钻头综合破岩效果最佳;建立了径向水平井喷射钻进系统压耗计算模型,对比分析了不同直径连续油管的循环压耗,分析了相关参数对系统压耗的影响规律,为水力参数设计提供了依据;建立了旋转多孔射流钻头自进力计算模型与径向水平井延伸极限计算模型,对比了不同作业条件下径向水平井的延伸极限,为装备优选和径向井眼设计提供了依据;探讨了微机电惯性元件测量径向井眼轨迹的方法原理,为径向井眼轨迹测量提供了一种可行的方法。该研究成果可为形成水力喷射径向水平井技术体系与推广应用奠定基础。      

自进式多孔射流钻头径向水平井钻进能力分析

自进式多孔射流钻头前、后向孔眼参数对径向水平井钻进能力具有重要的影响。通过室内破岩试验研究了多孔射流钻头前向孔眼参数对破岩效果的影响,建立了自进式多孔射流钻头射流反冲力计算模型,研究了后向孔眼参数对射流反冲力的影响。研究结果表明,在试验条件下,破岩体积随着前向孔眼扩散角的增大呈先增大后减小的趋势,随着前向孔眼直径的增大,破岩体积逐渐增大;在相同的后向孔眼当量直径下,射流反冲力与后向孔眼数量无关;随着后向孔眼直径的增大,射流反冲力先增大后减小,射流钻头压降逐渐减小;后向孔眼直径的选择要兼顾射流反冲力和射流钻头压降,以保证射流钻头的自进和破岩效果。     

组合射流PDC钻头试验研究

为了将不同射流方式应用于PDC钻头以改变井底流场,并给钻头提供设计依据,通过数值模拟和室内试验分析了反向射流对井底流场的影响规律,并对旋转射流的破岩能力进行了评价。结果表明:PDC钻头加装反向射流喷嘴之后,钻头破岩部位压力降低,并且压降随着反向射流喷嘴距钻头底部距离的增大而减小,随反向射流流量的增大而增大,上部钻井液液柱压力对压降影响不大;在相同压降或排量下,旋转射流较普通直射流有更好的破岩能力。根据试验结论研制出了反向射流与旋转射流组合的PDC钻头,并在坨747井进行现场试验。结果表明,坨747井采用组合射流PDC钻头后,与采用普通PDC钻头的邻井相比,钻速提高40%以上。这表明,将反向射流和旋转射流组合应用于PDC钻头,可以明显提高机械钻速。      

新型双射流喷嘴冲击井底流场数值模拟研究

为了克服组合双射流的缺点,提出了新型双射流喷嘴,并采用RNGκ-ε湍流模型计算了新型双射流喷嘴冲击井底的流场。建模时采用有限体积法离散各控制方程,采用松弛迭代法求解各离散方程,壁面采用无滑移固壁边界。模拟结果表明,新型双射流不存在等速核,且轴心线冲击力小,但作用面积大;与旋转射流相比,轴心线附近流速最大,从而实现了高效破岩。漫流层的径向流速最大值出现在距离外流场轴线2.5D距离处,大小约为喷嘴出口速度的23%。新型双射流利用圆形射流冲击和旋转射流剪切破岩,能形成直径较大、深度较大的破碎坑。     

螺旋流洗井液流失速特性

为了对环空中形成的螺旋流失速特性进行分析,给旋流洗井等工艺提供借鉴,通过螺旋流试验装置,利用PIV、瞬态压力测量系统和涡角测量仪,对洗井过程中液流失速的流场流线、速度、涡量特性以及压力场特性进行了分析。结果表明:中等旋度涡角的螺旋流失速水击衰减要平缓些;螺旋流失速水击涡量不再完全具有贴壁性;涡角较小或较大其断面涡量变化剧烈,径向波动较为明显;水击压力起伏的频率随涡角的增大而减小;随着涡角的增加,水击压力最大起伏量有所减小;油套环空内失速水击压力随时间变化整体平缓;而油管内、外壁压力差随涡角的增大而减小。     

自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头流场数值模拟

为了解决超短半径径向水平井水力钻头破岩效率低的问题,将膛线引入水力学中,利用膛线的螺旋切割产生直旋混合射流,同时根据磨料射流高效破碎靶件的特点,利用岩屑产生磨料射流的优势,设计了A、B 2种结构的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头,并利用数值模拟方法分析了钻头的流场分布规律。分析结果表明,钻头的螺旋切槽能够形成旋转射流,磨料漏斗均能吸入岩屑形成磨料射流;钻头的扩展段和井底两侧均能产生涡漩,该涡漩可以促进岩屑翻滚,进而提高清岩效果,轴向速度分布规律与常规喷嘴圆形射流规律相似;自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头设计时应优选A型。     

旋风分离器旋进涡核的大涡数值模拟

基于Smagorinsky-Lilly亚格子模型,将多面体网格应用于旋风分离器的大涡模拟,得到其平均流场和速度场脉动,并与实验值对比。对速度脉动进行快速傅里叶变换,以此探索旋进涡核的影响范围;通过涡速度云图,观察涡核中心的瞬态变化。结果表明,基于多面体网格的大涡模拟可以有效求解旋风分离器平均流场和速度脉动;斯特劳哈尔数的计算值为0.51,与实验值0.49非常接近。旋进涡核致使切向、轴向和径向的速度分量存在一致的主频;不考虑湍流边界层,旋进涡核存在于整个分离空间,且大部分位置的主频皆为11.54 Hz;旋进涡核中心在一定范围内围绕几何轴旋转,且旋转方向同主流方向一致。     

水力喷射侧钻径向水平井眼延伸能力

径向水平井钻井技术的一个主要指标是水平井眼的延伸长度。根据水力喷射侧钻径向水平井技术的特点,基于流体力学、计算流体力学及射流动力学等理论,对射流钻头自进力进行了理论分析,建立了径向水平井眼极限延伸长度的计算模型,分析了摩擦因数、后向孔眼个数、后向孔眼直径、后向孔眼扩散角和流量等参数对径向水平井眼极限延伸长度的影响。结果表明:改变系统的后向孔眼个数、后向孔眼直径和流量,可以使径向水平井的极限延伸长度发生明显改变;改变后向孔眼扩散角,只能在一定范围内改变径向水平井的极限延伸长度。所建立的模型和得出的规律可以为径向水平井的施工设计及射流钻头结构优化等提供理论指导。     

岩性对旋转射流破岩成孔影响规律的研究

在研究旋转射流结构特性及流动特性的基础上,分析了岩性对旋转射流破岩钻孔的影响规律,同时进行了旋转射流与普通圆射流破岩效果的对比试验,为旋转射流合理地应用于径向水平钻井中奠定了理论基础.     

排气管内置深度对气-液旋流分离器流动特性的影响

排气管在具有二级旋流分离机制的分离器中至关重要。模拟分析了排气管内置深度对气-液旋流分离器流动不稳定性、旋流场、短路流以及径向流量分布的影响。研究表明,增加排气管内置深度可更好地引导旋流,提高流场稳定性;随内置深度增加,分离空间准自由涡出现衰减,准强制涡强度增大,下行与上行轴向速度均减小,在排气管中形成一定强度的旋流,有助于实现二级分离功能;同时,分离器环形空间预分离能力增强,短路流量增加,单位长度零轴速包络面上的径向流量增加,排气管的二级分离功能有助于削弱短路流带来的负面影响。     

旋转射流流动规律研究

在前期证明导向叶轮式喷嘴所产生的旋转射流具有较强的破岩成孔能力的基础上,本文对旋转射流的运动规律进行了实验研究。结果表明:旋转射流的速度及压力分布特性明显不同于普通圆射流,在近喷嘴范围内其速度剖面、压力剖面和轴向速度剖面均呈现"M"形分布的特点,切向速度剖面呈现"N"形分布的特点;随着射流向前喷射,射流的横断面不断向外扩散,其速度和压力剖面变得越来越平缓,衰减较快;旋转射流截面最大轴向速度和切向速度与喷距的负指数成正比关系衰减。表明该旋转射流相对于普通圆射流具有较强的横向扩散能力和较弱的轴向传递能力,为合理设计和利用旋转射流提供了依据。     

Experimental Study On Rotary Abrasive Jet Drilling

针对径向水平井钻井技术中旋转水射流在硬地层和深井中破岩能力低的不足,利用磨料射流破岩能力强的优势,对旋转磨料射流进行了试验研究。结果表明,旋转磨料射流破岩具有钻孔直径大和破岩效率高的双重优点,并随泵压增加,钻孔直径也增加。与非旋转磨料射流相比,同样条件下旋转磨料射流钻孔直径和破岩体积都比前者高出多倍。该试验研究为磨料旋转射流应用于径向水平钻井提供了基础。