围压条件下井底环空循环吸入式粒子射流破岩试验

井底环空循环吸入式粒子射流钻井是解决硬地层破岩钻井效率低下的有效途径。采用所研制的井底围压试验装置,试验探索井底环空循环吸入式粒子射流破岩的规律。结果表明:随着围压的增大,粒子射流破岩效率逐渐减小;随着射流压力、粒子直径和硬度的增大,粒子射流破岩效率逐渐增大;随着喷距和粒子质量分数的增大,射流破岩效率呈现先增大后减小的趋势;井底环空循环吸入式粒子射流高效破岩钻井方法确实可行。     

自吸环空流体式自激振荡脉冲射流性能分析与优化

为了充分利用井底水力能量提高钻速,提出自吸环空流体式自激振荡脉冲射流钻井技术。采用大涡模拟与试验研究相结合的方法,分析自吸环空流体式自激振荡脉冲射流的调制机制及射流调制工具的结构参数对射流性能的影响。采用正交试验法进行数值模拟试验,优选射流调制工具的结构参数。结果表明:结构参数对射流性能影响显著,结构合理的吸入式自激振荡射流的性能明显优于非吸入式脉冲射流;射流调制工具出口脉冲射流速度脉动值与破岩深度之间呈显著的线性相关,脉动值越大,射流破岩效果越好。数值计算结果与试验结果吻合良好,表明所用研究方法可行。     

自激振荡脉冲磨料射流中波速对频率的影响

自激振荡脉冲磨料射流的振荡频率直接决定着磨料的加速效果和射流的空化效应,分析了自激振荡脉冲磨料射流中压力扰动波的传播速度及其对射流振荡频率的影响规律,数值计算表明：磨料的浓度、密度及体积 弹性模量对波速影响幅度很小,而气体的存在对射流中波速影响很大,很少量的气体就会使波速降低很大,射流振荡的频率随波速的减小而明显增大。结果对设计自激振荡脉冲磨料射流喷嘴有指导意义。     

井下液压脉冲发生器工作特性仿真

井下液压脉冲发生器是一种可调制脉冲射流的井下提速工具,该装置的工作原理是利用井底钻柱振动能量,采用活塞激励的方式调制脉冲射流,基于该装置工作原理,利用Matlab环境下的Simulink系统建立装置工作状态下的仿真模型,对装置的工作特性进行仿真分析。结果表明:装置调制脉冲射流的压力变化值与装置内柱塞运动规律密切相关,装置产生的脉冲压力幅值随钻头压降的增大而增大,但增长幅度逐渐变缓,随钻井液流量的增加呈线性减小趋势,随钻压的增大而增大,随转速的升高而增大,合理选取钻进参数有助于装置工作性能的进一步提升。     

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。     

不同围压下自激吸气式脉冲射流装置性能试验研究

针对深水水库泥沙处理技术问题和需求的迫切性,运用自行研制的试验装置对不同围压(模拟不同水深)下的自激吸气式脉冲射流装置性能进行了试验,研究分析了工作压力、围压、靶距对脉冲射流冲击力的影响,并对装置吸气量的变化及启动吸气压力进行了初步分析.结果表明,脉冲射流冲击力随工作压力的增加而增大,随围压和靶距的增加而减小;装置吸气量随工作压力的增加而增大,增大的速度随围压的不同而不同,并逐渐趋于稳定;启动吸气压力随围压增加而增大,且表现出一定规律性.研究结果为进一步深入研究自激吸气式脉冲射流及其在水库清淤等工程应用方面提供依据.     

淹没条件下水射流涡旋特性大涡模拟及实验研究

采用大涡模拟方法对淹没条件下水射流的涡量场进行数值模拟,分析流场中涡旋的产生与扩散机制,并通过相同条件下粒子图像测速仪测量射流的涡量场,对模拟结果和方法进行验证。模拟研究泵压和围压对淹没射流涡旋特性的影响。结果表明:在射流流场中,由喷嘴出口产生一系列涡量集中的点涡旋,随着射流的前进涡旋逐渐扩散,卷吸周围介质并传递能量,卷吸范围逐渐扩大,而卷吸能力沿射流轴向呈指数衰减;随着泵压升高,整个流场中涡旋的涡量值明显增大,涡旋扩散长度直线上升;围压对涡量基本没有影响,围压的增加会使涡旋扩散区长度直线下降,减小卷吸作用范围。     

偏转特性对自激振荡射流的影响

分析了自激振荡射流的偏转特性 ,研究了偏转特性对射流振荡脉冲压力、射流切割性能等方面的影响。实验研究表明 ,自激振荡射流的偏转角可达 9.53°,偏转特性使其振荡脉冲幅值增大 ,频率降低。偏转特性也有效地降低了“水垫效应”的影响 ,提高自激振荡射流的切割性能。     

脉冲磨料射流中球泡溃灭特性的理论

从理论上研究了脉冲磨料射流中球泡的溃灭特性，建立了脉冲磨料射流中空化球泡的动力方程，分析了磨料粒径和浓度对射流中空泡溃灭过程的影响规律。研究表明，在磨料粒度和密度较小时，粒径的变化对空泡溃灭影响不大，浓度的增加使得混合流体的粘性增大而且使渍灭空泡附近的磨粒动能增加，使得空泡溃灭过程减缓。在磨料粒度和密度较大时，粒径越小对空泡溃灭的阻滞作用越大，浓度的增加同样使得混合流体的粘性增大、溃灭空泡附近的磨粒动能增加，射流的空蚀强度减弱。     

连续管钻小井眼水平井水力学分析

水力学分析是连续管钻井的重要内容。建立了连续管钻水平井水力学计算方法并对其规律进行了分析,结果表明:连续管弯曲会增加压耗,增加幅度随排量增加而增大。推荐现场采用50.8 mm和60.3 mm直径的连续油管进行钻井。从控制环空压耗(ECD)角度考虑,建议连续管钻井设计时应使连续管外径与井径比小于0.5;偏心使环空压耗减小,环空尺寸越小,偏心的影响越明显。岩屑床使环空压耗梯度增加,岩屑床高度越大,增加幅度越大。常规钻井时随测深增加,泵压逐渐增加,而连续管钻进时泵压基本保持不变,甚至在某些情况下还会略有减小。     

水力喷射压裂中环空水力封隔全尺寸实验

多级水力喷射压裂技术依靠水力封隔实现层段间隔离。通过地面全尺寸实验,提出从环空压力变化的角度评估水力封隔效率。实验中对喷射速度、围压、喷嘴直径和射孔入口直径以及环空注液对水力封隔效率的影响进行测试。实验结果表明:射流速度和围压是影响环空压力降低的两个主要因素,环空压力降低的幅度与射流速度呈线性增长关系,与围压呈指数递减关系;水力封隔效率与射流动能和孔道入口直径的比值成正比,可通过增大喷嘴直径和减小孔道入口直径的方法提高水力封隔能力;环空注液降低水力封隔效率。     

液氮磨料射流流场特性及颗粒加速效果研究

采用计算流体力学方法,在考虑液氮物性变化以及液氮与磨料颗粒相互作用的基础上,模拟液氮磨料射流流场,并分析液氮射流对磨料颗粒的加速效果。结果表明:在相同喷嘴压降下,液氮磨料射流不仅具有比磨料水射流更高的射流速度和颗粒速度,而且能够在壁面上产生与水射流相当的射流冲击效果;液氮射流能够对颗粒产生较好的加速效果,最大颗粒速度随着喷嘴压降和喷嘴直径的增加而增大,随着颗粒直径的增加而降低;围压和颗粒初始速度对最大颗粒速度影响极小,在工程应用中可以忽略不计。     

脉冲式增压器增压特性研究

由于深井、超深井数量的增加,传统机械式钻头破岩钻井已无法满足钻井效率需求。为此设计了脉冲式增压器用以提高深井、超深井钻井效率,降低钻井成本。基于所设计的增压器的结构和工作原理,考虑螺杆转速、高压喷嘴直径、钻井液密度和冲程等因素对增压效果的影响,建立数学模型。在此基础之上,考虑脉冲式增压器不发生自锁的条件,并分别分析转速、钻井液密度、高压喷嘴直径和冲程对增压频率、喷嘴流速和增压压力的影响。得到增压器各影响因素与增压特性之间的关系。旨在为设计的增压器提供理论支撑与优化依据。结论认为:高压喷嘴流速和增压压力随着螺杆转速、冲程的增大而增大,并且增压特性较好。随着高压喷嘴直径的增大出口流速和增压压力明显降低,增压能力明显变弱。随着钻井液密度增大,出口流速和增压压力稍微增大,其对增压特性影响不明显。喷嘴高压射流频率仅受转速影响,随着转速增大而增大。要想获得较好增压特性,螺杆转速应不低于100 r/min,活塞行程不低于25 mm,高压喷嘴直径不大于1.4 mm。     

超临界二氧化碳射流破岩试验

采用超临界二氧化碳射流进行破岩钻井是一种极具潜力的非常规油气藏钻采方法。依据石油钻完井的特点和超临界二氧化碳流体的特性,研制超临界二氧化碳钻完井试验系统,并进行超临界二氧化碳射流破岩试验。结果表明:超临界二氧化碳射流比高压水射流破岩具有显著优势;喷嘴直径、喷距、射流压力和岩石性能对超临界二氧化碳射流与高压水射流破岩的影响规律基本一致;井底环境温度对超临界二氧化碳射流破岩效果影响显著,在向超临界态转变的过程中,射流破岩效果随着温度的升高急剧增强,当温度超过临界值后,温度升高对射流破岩效果的改善趋缓。     

牙轮钻头自激振荡脉冲喷嘴的实验研究

在理论和实验研究的基础上,设计了几种用于牙轮钻头的自激振荡脉冲喷嘴,在常压下进行了射流脉冲压力测试和冲蚀天然红砂岩的实验。实验结果表明,所设计的风琴管自激脉冲喷嘴和亥姆霍兹振荡腔脉冲喷嘴具有很强的脉冲效果,其冲蚀岩石能力大大高于普通锥形喷嘴,其中风琴管自激脉冲喷嘴的脉冲效果和破岩能力最强。实验还表明,自激振荡脉冲喷嘴射流存在最优喷距,最优喷距的大小为喷嘴出口直径的7～14倍。自激振荡脉冲喷嘴可直接应用在钻头上,能提高钻井速度,降低钻井成本。     

水平井段脉冲携岩数值模拟研究

水平井钻井技术已成为现代油气勘探开发的重要手段,水平井段岩屑运移不畅造成钻井过程中的高摩阻和扭矩、卡钻和憋泵等情况,影响钻具的使用寿命和钻进安全,特别是使用现有的常规携岩方法无法解决,为此,提出脉冲携岩方法。在现有水力脉冲的基础上,根据分流继能机理,建立小井眼水平井岩屑运移的流场模型,采用RNG k-ε模型、幂律模式及二次开发子程序进行数值计算,确定脉冲携岩合理的脉冲周期、占空比等参数,并研究水力脉冲条件下钻井液排量、偏心度、岩屑粒径等参数对偏心环空岩屑运移的影响,得到环空岩屑运移速度和浓度的分布规律。研究表明,在同等条件下,脉冲携岩效率更高,破坏岩屑床效果更好,降低岩屑床浓度约40%。     

欠平衡钻井地层出气量对环空压力影响分析

采用欠平衡钻井技术钻遇裂缝、溶洞或高气油比油气藏时,地层气体会在重力置换作用和压差作用下进入井筒,对环空压力剖面产生影响。出气量不同对环空压力的影响不同。建立了环空气液两相流动模型并采用Mathcad编制程序求解模型、实例分析了出气量对流型、环空含气率、密度及环空压力的影响。分析结果表明:环空不同井段流态不同,随着出气量的增加,环空依次会出现搅动流和环雾流,对携岩不利;随着出气量的增大,环空含气率增大,密度减小,且出气量对含气率和密度的影响程度井口比井底大得多;井底压力随出气量基本呈线性规律变化。     

喷动流化床射流穿透度智能拟合

在三维冷态试验台架上对喷动流化床射流穿透度进行了实验研究,得出了射流穿透度随喷口尺寸、载气密度、喷动气速的增大而增大,随静止床高、颗粒尺寸、颗粒密度、流化气率、载气黏度的增大而减小的结论.在实验研究的基础上利用最小二乘支持向量机对射流穿透度与喷动流化床主要设计参数之间的数值关系进行了智能拟合,并利用自适应遗传算法优化了最小二乘支持向量机的初始参数.通过15个预测样本的检验,最小二乘支持向量机模型的预测平均相对误差减小至4.0%,其性能大大优于常用的经验公式以及神经网络.