深井条件下超高压射流钻头水动力学特性研究

采用Reliablek -ε湍流模型对高压射流双流道钻头内高压高速三维流道进行了水动力学设计 ,并提出了“流体齿”的概念。通过计算获得了高围压井底条件下一股高压小排量射流和两股低压大排量射流相互作用时井底湍流场的流动规律。研究结果表明 ,该条件下的射流结构可划分为范围很小的核心高速区和速度衰减区 ,井底漫流区的厚度随着高压射流离井底距离的减小而增大。在钻头体附近和环空返流区内流体表现为螺旋流动状态     

深井条件下超高压射流钻头水动力学特性研究

采用Reliable k－ε湍流模型对高压射流双流道钻头内高压高速三维流道进行了水动力学设计，并提出了“流体齿”的概念。通过计算获得了高围压井底条件下一股高压小排量射流和两股低压大排量射流相互作用时井底湍流场的流动规律。研究结果表明，该条件下的射流结构可划分为范围很小的核心高速区和速度衰减区，井底漫流区的厚度随着高压射流离井底距离的减小而增大。在钻头体附近和环空返流区内流体表现为螺旋流动状态。     

PDC钻头条件下圆喷嘴撞击射流井底流场的数值模拟

为了研究ＰＤＣ钻头条件下圆喷嘴射流撞击井底流场的基本规律，在分析ＰＤＣ钻头的基本水力结构特点的基础上，建立了ＰＤＣ钻头条件下并底结构的物理模型。采用ｋ－ε双方程模型封闭湍流Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，利用求解压力耦合方程的半隐式方法，对这一物理模型条件下的流场进行了数值模拟，并将数值结果与实验研究结果进行了对比。结果表明，所建立的控制方程、控制条件以及所采用的数值方法是合理的根据数值结果，研究了ＰＤＣ钻头条件下，射流撞击井底时的流场结构、轴心速度变化规律以及井底漫流的流动规律。     

水射流技术在石油工程中的应用及前景展望

论述了水射流技术在我国石油工程中的研究和应用情况。应用实验方法建立了淹没非自由射流压力及水功率衰减计算模型，建立了以井底获得最大水功率，优选水力参数设计的新方法和新模型。应用瞬态流理论及水声学原理建立了两种谐振腔的基本关系式和结构数学模型。建立了在钻井双向应力作用下，岩石裂纹发展方向模型。介绍了研制的3种新型高效钻头，即加长喷嘴牙轮钻头、自振射流钻头和射流及机械联合破岩钻头。展望了水射流技术在超高压射流钻井、稠油及低渗油藏开采、提高采收率等方面的应用前景。     

水力射流降低井底压差技术

降低井底压差,减小岩屑的压持效应,可以显著提高钻井的机械钻速。根据射流式水力降压技术的原理,结合环空射流泵、射流降压短节和射流泵钻头等射流降压工具的发展现状,提出一种新型的环形射流泵结构,采用混合网格数值计算的方法对影响其降压性能的关键因素进行分析。结果表明:井底流体的回流是导致射流泵钻头降压效果变差的主要原因,回流量与井壁间隙成正比,与反向喷嘴的轴向倾角成反比;密封钻头与井壁间的间隙是提高射流泵钻头性能的关键;新型涡流-射流混合降压钻头可降压0.45～0.88 MPa,是现有射流式射流泵钻头降压效果的3～4倍。     

用边界单元法分析井底流场

在设计和使用牙轮钻头或ＰＤＣ钻头时，要优选喷嘴的组配，必须了解不同喷嘴配置下井底流场水力分布情况。本文尝试把边界单元法用于分析井底流场水力分布，建立了描述井底漫流速度场的积分方程，给出了采用边界单元法求解井底速度场的数值方法过程，在算例中分析了多喷嘴钻头井底流场的速度分布问题。计算实践表明采用边界单元法可比较简单方便地计算分析多喷嘴井底流场水力分布问题。可用于优选钻头喷嘴组配     

喷射钻井中井底岩面最大水功率和最大冲击力工作方式

本文首次把解决现代工程技术问题行之有效的“黑箱(blackbox)”理论用来研究井底射流流场。明一种新的全尺寸水力能量测试实验,直接测得三牙轮钻头下射流到达井底岩面(即钻进过程中钻头钻出的瞬时井底岩石表面)的水功率和冲击力。建立了计算井底水功率和冲击力的经验公式,提出了以井底岩面获得最大水功率和最大冲击力为喷射钻井水力程序设计准则的两种新的最优工作方式。本文在所实验的条件下,获得了井底岩面最大水力能量的功率分配比值(RN)和全喷距(135毫米)下射流水力能量衰减系数的范围等极值条件。在同样的条件下,以井底岩面最大水力能量优选的最优排量比钻头最大水力能量的最优排量约提高7.5%左右。并从理论和实践上证实了适当提高排量和强化机泵的必要性。     

PDC钻头条件下圆喷嘴撞击射流井底流场的数值模拟

为了研究ＰＤＣ钻头条件下圆喷嘴射流撞击井底流场的基本规律，在分析ＰＤＣ钻头的基本水力结构特点的基础上，建立了ＰＤＣ钻头条件下井底结构的物理模型。采用ｋ－ε双方程模型封闭湍流Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，利用求解压力耦合方程的半隐式方法，对这一物理模型条件下的流场进行了数值模拟，并将数值结果与实验研究结果进行了对比。结果表明，所建立的控制方程、控制条件以及所采用的数值方法是合理的。根据数值结果，研     

用矩形出口喷嘴改善PDc钻头水力结构的研究

如何充分发挥水力能量清洗井底和冷却钻头的作用,是PDC钻头水力结构设计中要考虑的一个重要问题.本文通过室内实验研究,分析了矩形出口喷嘴的射流结构特性,得出了射流轴心动压力衰减规律及横向动压力和横向动压力梯度的分布规律.将矩形出口喷嘴与圆形出口喷嘴的射流特性进行了对比.从清岩和冷却钻头的效果考虑,提出了矩形喷嘴在PDC钻头上使用的合理高度.     

喷射式钻头测绘方法

喷射式钻井,利用泥浆射流及时清除井底岩屑,避免钻头重复切削,同时有利于岩石破碎,可提高进尺20—30%。这种新型钻井方法国外早已大量使用,国内正在大力改善钻井条件逐步推广。现在要求设计及生产新钻头时,毛坯一律做成喷射式,以利进一步发展喷射式钻井。我们在钻头测绘中有些体会及教训,现总结如下。     

改善井底流场能够提高钻速

自从喷射钻井技术广泛应用以来,人们一直在研究如何充分利用喷射钻头在井底获得的岑力功率,,以获得更好的钻井经济效益。本文介绍了喷射钻头井底流场液流流向、井底排屑量和井底液流压力的试验研究方法及其应用。研究表明,由于井底流场的不完善而形成的涡旋、回流和滞流区是造成岩屑在井底重复破碎,影响井底净化效率的重要因素,改善喷射钻头的井底流场,最大限度地减少这些因素的影响,能够更好地发掘喷射钻井技术的潜力,提高钻井速度,降低钻井成本。     

黑洞的高温喷流

从零曲面方程出发得出，匀加速直线运动的动态黑洞时空存在２个事件视界－黑洞视界和它的Ｒｉｎｄｌｅｒ视界。发现２个视界相接触时，接触点处的Ｈｗａｋｉｎｇ温度都降为零。而在黑洞视界的另一相反极点处的Ｈａｗｋｉｎｇ温度将迅速升高，并形成高温喷流。     

下部钻柱性能的计算机模拟

用计算机对带扶正器的下部钻柱进行数值模拟得到了理论上和实践上有意义的结论。模拟结果可用于指导直井钻进和定向钻井。附求A给出了有限元法用于下部钻柱分析的基本公式。模拟程序用FORTRAN语言写成。采用人机问答方式把数据输入计算机。用户可选择输出列表数据或用宽行打字机绘制下部钻柱变形图。 计算机模拟结果指出仅用钻头侧向力不能反映下部钻柱性能。应采用钻头侧向力和合力角两顶指标才能综合下部钻柱性能。以合力角为基础分析了三大类钻柱组合—稳斜,造斜和降斜。用现场数据与模拟结果作了对比。模拟结果加上地层因素的分析可以预测井眼路径和指导选择合适钻柱组合和钻压。     

倾斜射流在井底产生的漫流分布特性研究

应用流体力学基本原理,建立了源-汇叠加的物理模型,用以描述倾斜射流在井底产生的漫流流动,推导出了漫流速度分布的数学模式,并进行了实验验证.从实验中得出了倾斜射流在井底产生的漫流速度分布规律,实验结果与理论分析相吻合,证明了倾斜射流的漫流速度包络线基本上呈椭圆状.倾斜射流不仅会使冲击方向上的漫流速度增大,还会使其厚度增加,因此大大增加了对岩屑的推动力和与钻头切削齿的对流换热能力,强化了该方向上对钻头的清洗和冷却.     

复合射孔压井液运动及影响作用研究

复合射孔施工中,高能气体与压井液之间的相互作用影响着井底压力和压裂效果,准确设计压井液高度及深入研究运动机理是复合射孔施工成功与否的关键。针对目前复合射孔理论研究中,对上部压井液运动研究较少的问题,介绍了复合射孔过程中压井液从火药点火到压裂完成的运动特性,推导了高能气体作用下的压井液体的运动微分方程,分别对复合射孔作业过程中产生的井底压力变化、压井液体上移、损耗能量等几个方面的问题进行了较为全面的研究,从而拓展了复合射孔井底压力效果的判断方法。计算实例分析表明,压井液的合理设计至关重要。     

气井产能分析数据处理新方法

在常规方法处理产能测试数据时,发现许多气井的井底压力测试数据很难达到常规气井产能分析方法的基本要求:每改变一个工作制度(每改变一次产量),气井的井底压力达到稳定后测试压力,连达到“拟稳定流状态”都比较难。使得测试压力与达到稳定时的压力有一定的误差,针对这种情况,提出一种新的数据处理方法,该方法引入两个平均误差值来处理其测试数据,通过测试数据就获得其误差值,从而获得可靠的结果。该方法主要用来处理由于在测试过程中流动未达稳定状态造成测试的地层压力或测试压力不准确的影响,而使得测试数据异常,用常规方法无法处理的数据。该方法克服了测试中需要长时间达到稳定状态这一限制,对异常资料的处理特别实用。通过实际资料处理与对比分析验证了该方法实用可靠。     

用加权残值最小二乘法计算下部组合钻具的变形和受力

下部组合钻具可简化为一受横向力和轴向力作用的多跨度的连续梁、本文用加权残位最小二乘法计算一个多扶正器钻具组合的变形和受办,给出计算钻头侧向力,扶正器的约束反力和扶正器处的内弯拒的理论公式,在计算过程中,本文考虑了扶正器不在同一直线上的情况。     

波动压力约束条件下套管与井眼之间环空间隙的研究

利用一维不稳定流动的基本方程,对套管与井眼环空间隙不同时的波动压力进行了计算,绘出了环空间隙与最大井底波动压力之间的关系曲线。根据此曲线及地层破裂压力的最大极限值,可以确定某种尺寸套管与并眼之间间隙的最小值。研究结果表明,在套管与并眼间隙相同的条件下,套管尺寸越大,井底最大波动压力也越大。从控制井底最大波动压力的角度考虑,在确定套管与井眼之间的环空间隙时,大尺寸套管应采用较大的间隙。从波动压力因素方面考虑,由浅井条件所确定的套管与井眼之间的环空间隙同样适合于深井条件。     

气井失控井喷数学模型及其计算机模拟

本文把地层与井筒考虑成一个连通系统,利用地层气体不稳定渗流数学模型,给出了计算气井失控井喷的原始地层压力、喷量、气体喷出总体积以及井底压力、地层内各点压力等参数的数学模型和方法,并用计算机对这些参数进行了数值模拟和求解。