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。     

一种应用于喷射钻井的高效脉冲射流喷嘴探讨

本文围绕如何提高高压水射流在井底的清岩和破岩效果,在理论和试验两方面进行了探索,设计了一种新型的自振脉冲射流发生装置。大量的试验数据表明,这种自振脉冲喷嘴能调制射流,产生较强的压力脉动,并能大幅度提高射流的破岩能力。作者根据流体动力学和瞬变流理论,对脉冲射流发生的机理进行了分析,并对射流发生装置进行了优化设计,对射流冲击压力脉动值进行了测量,并与普通风琴管喷嘴和锥形喷嘴进行了对比。最后,进行了冲蚀红砂岩的试验。本文的研究结果,对推动钻井工艺的发展具有一定的实际意义。     

石油钻井钻头用自激振荡喷嘴的研究

对石油钻井钻头新型喷嘴的研究,包括振荡原理、物理和数学模型以及室内和现场试验结果进行了讨论.试验结果表明,钻头上安装了喷嘴,在井底能产生强热的压力振荡,使井底液动力压力梯度、墙壁压力势增大,有利于破碎岩石和清除井底岩屑.而且在相同条件下可以提高机械钻速35.5～77%、钻头进尺6～44%.     

喷射钻井射流冲击力实验研究

本文通过室内试验,研究了淹没自由射流对井底产生的总冲击力。结果表明:在不存在"空化"等影响的情况下,随着喷射距离的增加,射流冲击力一直呈衰减规律,不存在所谓"最佳喷距"。按冲击力衰减程度可将喷距分为两段,从而提出了"临界点"的概念。根据对井底形状、喷距、喷速等因素的分析,得到了射流冲击力计算模式。作者对射流冲击区与漫流区分别进行研究,分析了冲击作用与漫流剪切、"静压上吸"的机理,对喷射钻井具有指导意义。     

围压工况下附壁脉冲射流喷嘴性能研究

附壁脉冲射流喷嘴可用于井下切割和破岩等工艺。为分析脉冲喷嘴在深井环境下的工作性能,在30 MPa高围压条件下,对喷嘴内流场进行了数值模拟,分析了不同结构和运行参数下的射流压力脉动性能。研究结果表明:喷嘴射流脉冲频率随着反馈通道直径增大而增大,压力脉动幅值呈现先增加后下降,最大压力脉动幅值为0. 154 MPa;喷嘴射流的压力脉动幅值随着附壁夹角增大而增大,但脉冲频率先增加后基本保持稳定;随着出口直径增加,脉冲频率先基本保持不变再减小,后又基本保持不变,压力脉动幅值不断减小,最大压力脉动幅值为0. 332 MPa;雷诺数在2. 3×10~5～5. 6×10~5时,脉冲频率随雷诺数的增加呈线性增加;斯特劳哈尔数呈现略微下降趋势,但总体变化不大;附壁脉冲射流喷嘴流量与脉冲频率成正比。研究结果可为脉冲射流喷嘴的发展和现场应用提供一定的指导。     

石油钻头自激振荡脉冲喷嘴真空扩散焊接工艺正交试验研究

针对石油钻头自激振荡脉冲喷嘴结构复杂和制造困难的问题,提出用“模压法分段成形加真空扩散焊连接”制造的新工艺。采用正交试验法,通过极差分析和方差分析,研究了扩散焊接温度、焊接压力和焊接时间等工艺参数对自激振荡脉冲喷嘴焊接接头抗剪强度的影响,确定了因素的主次顺序、因素的最佳水平组合及扩散焊接的最佳工艺参数。试验结果表明,当采用焊接温度1050℃、焊接压力120MPa和焊接时间20min的参数组合时,可获得强度高、致密性好和耐冲蚀的焊接接头,其抗剪强度≥750MPa。该研究可为选择石油钻头自激振荡脉冲喷嘴真空扩散焊接的最佳工艺方案提供依据。     

自激振荡喷嘴外流场实验研究

对自激振荡喷嘴外流场进行了实验研究。研究表明,能够保证气、液两相在腔体内产生轴对称涡旋的腔体结构是产生激振的先决条件,喷嘴结构参数的不同会影响自激振荡喷嘴的雾化效果及喷雾场的速度分布。     

具有槽的腔式流线型喷嘴射流特性的实验研究

对具有槽的腔式流线型喷嘴进行了实验研究。实验结果表明，这种喷嘴除了具有一般射流的特性外，还有脉冲特性，其射流结构分为初始段和基本段。在基本段中，径向速度分布存在自模性。给出了径向速度分布计算模式及径向最大脉冲速度沿轴的变化规律数学表达式，并就实验中发现的射流脉冲机理进行了探讨。     

自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流冲击频率变化规律

为了得到自激振荡脉冲超临界二氧化碳(SC-CO₂)射流谐振破煤适用冲击频率,采用大涡模拟研究了自激振荡脉冲SC-CO₂射流的形成及发展过程,分析了射流频率在喷嘴内部和自由流场中的变化规律,研究了射流轴向位置和振荡腔长度对射流冲击频率的影响规律,并研制了射流冲击频率测试装置,通过实验验证了数值模拟结论。研究表明,自激振荡脉冲SC-CO₂射流在喷嘴内部和自由流场中的频率并不相同。在喷嘴内部,流体经扰动形成的频率相同,且喷嘴出口处射流频率与喷嘴内部频率保持一致。在自由流场中,由于CO₂的可压缩性,射流压力、速度等参数具有明显的波动。该特征使自激振荡脉冲SC-CO₂射流冲击频率随射流的发展沿轴向逐渐减小。通过改变振荡腔长度,可以改变自激振荡脉冲SC-CO₂射流喷嘴内部频率从而实现自由流场中射流冲击频率的调节。     

淹没条件下星形喷嘴射流流动特点的实验研究

对近期清洗行业出现的星形喷嘴射流进行了淹没条件下的实验研究。利用粒子成像速度场仪对星形喷嘴射流的速度场进行了测量,分析了星形喷嘴的射流衰减机理。实验发现,星形喷嘴射流与普通圆射流相比,其射流初始段较短,但基本段内速度随喷距衰减的速率较低。在7倍于喷嘴直径的喷距以内,星形喷嘴射流的速度低于圆射流速度。随着喷距的进一步增加,星形喷嘴射流的速度高于圆射流速度。在10～12倍于喷嘴直径的喷距范围内,星形喷嘴射流的最大速度和最大动压力分别提高了约20%和44%。该项研究为星形喷嘴射流在石油钻井工程中的应用提供了依据。     

塔河油田深井脉冲空化射流钻井试验研究

塔河油田深井钻井水力能量利用效率低、机械钻速低、钻井成本高,严重制约了勘探开发速度。针对该油田钻井实际情况,结合二开φ241.3 mm井眼地层、钻具组合和水力参数,利用水力脉冲空化射流钻井技术提高机械钻速。该技术配合常规钻具和复合钻井钻具组合使用,脉冲空化射流发生器耦合脉冲射流和自振空化射流,改善井底流场及岩面应力状态,提高钻速。该技术在塔河油田进行了4口井5井次的现场试验,在常规泵压、排量、钻井液密度等参数条件下试验井深达6 162 m,试验井段与邻井相近井段在相近工况下机械钻速平均提高33.3%~74.3%,单套钻具纯钻时间超过260.0 h。试验结果表明,塔河油田二开井段砂岩、泥岩等地层配合PDC钻头应用水力脉冲空化射流钻井技术,能够很好地提高机械钻速。      

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。     

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     

脉冲空化射流钻井技术

伴随着石油工业实施油气勘探开发,今后石油钻井深度会越来越深,深井比例也会增加,岩石愈来愈硬,如何提高深井钻井速度将成为钻井界研究的重要课题之一.水力脉冲空化射流钻井是在钻井过程中利用水力脉冲空化射流发生器增强钻头喷嘴射流的作用,用以提高钻井速度的一种新技术.     

自振空化射流提高钻井速度的实验研究

空化射流用于提高钻井速度的可行性研究结果表明，在钻进作业中，利用空泡破裂产生强大破坏作用来提高钻探的效率，其效果显著，可行性高。室内实验表明，自振空化射流在比普通喷嘴射流更深的井底或更高的围压条件下，有更大的起始空化数和更强的空化能力。自振空化喷嘴起始空化数大都在1.0以上，最高达到1.67，而锥形喷嘴最高仅为0.43，围压下其冲蚀效率是锥形喷嘴的1~2倍。现场试验同样证实设计的自振空化射流喷嘴在保护钻头、减少钻头磨损及增加进尺、提高机械钻速方面有显著作用。     

低压缩扩形喷嘴空化射流数值模拟及试验研究

针对水力喷射式海底挖沟所用锥形喷嘴冲蚀挖沟效率低等问题,基于理论分析,设计了缩扩形空化射流喷嘴。数值模拟结果发现,该喷嘴在低压1.5 MPa喷嘴压降下可以使淹没射流空化,空化发生的区域主要在扩张段。冲蚀试验揭示了喷嘴扩张段的长度对射流冲蚀效果的影响。1.5 MPa下冲蚀砂样试验结果表明:当喷嘴喉部长度为3倍喷嘴直径、扩张角为30°、扩张段长度为4倍喷嘴直径时,射流冲蚀效果最佳,试验条件下比其他3种缩扩形喷嘴的冲蚀深度及宽度分别提高125%和75%,对比锥形喷嘴分别提高73%和280%。研究结果为空化射流应用于海底挖沟提高效率提供了理论依据。     

井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具试验研究

井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具是一种集成脉冲射流技术与粒子冲击破岩技术的钻井提速工具,可以在井底实现钢制粒子的自循环冲击破岩,并伴有一定的压力脉冲效应,二者联合实现高效破岩。为了全面掌握工具的结构尺寸对压力脉冲效应、粒子自吸效果和破岩效率的影响规律,设计加工了模型工具,并利用模型工具在室内开展了压力脉冲测试、粒子吸入量测试、粒子自吸效果观察和破岩试验,证实了工具自吸功能和压力脉冲效应,分析了工具结构尺寸对压力脉冲幅值、引射系数和破岩效果的影响规律。研究结果可为井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具的结构优化提供试验技术支持。     

粒子射流冲击破岩喷嘴的参数优化与试验研究

在粒子射流冲击破岩过程中,喷嘴作为粒子和水射流的核心加速装置,其加速能力决定了破岩效果的好坏。针对锥直型、等变速型和流线型喷嘴,建立了粒子和水射流在喷嘴中的加速模型、压降模型以及能量转换效率数学模型,通过数值模拟分析了不同喷嘴对粒子水射流加速能力的影响,对喷嘴的流道类型及尺寸进行了优化,依据优化结果对研制的喷嘴进行了破岩试验和流场仿真。分析结果表明:收缩段长度为15 mm的等变速型喷嘴具有较高的加速能力和能量转换效率;研制的喷嘴可应用于粒子冲击钻井破岩工艺。所得结论可为粒子射流冲击破岩装置的现场应用提供参考。     

水力脉冲空化射流钻进机理及现场应用

水力脉冲空化射流钻进是将水力脉冲与空化射流耦合的一种新型钻进方式,通过流体脉冲扰动和自振空化效应耦合,使进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动,在井底有限井段形成低压区,减小压持效应,避免重复切屑,同时改变井底岩石的受力形态,产生疲劳破坏,降低破岩荷载,提高机械钻速。对水力脉冲空化射流钻进在塔河油田超深井进行了应用分析,发现与常规钻进相同地层岩性的机械钻速对比,在砂岩及粉砂质泥岩段有很大提高,但在水敏性泥岩段不明显。总体上在塔河油田水力脉冲空化射流钻进具有较大的推广应用价值。