旋转水射流破岩钻孔机理研究

基于水射流破岩钻孔过程中影响因素和流固耦合作用的分析,运用连续损伤力学和细观损伤力学理论,建立了适用于水射流破岩全过程的岩石损伤模型。依据所建立的损伤模型,利用非线性动力有限元方法,对旋转水射流破岩钻孔过程的过程进行了模拟,其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。计算结果与试验一致,表明旋转射流具有较强的破岩能力,其原因是旋转射流的质点具有三维速度,破岩时以倾斜冲击为主,易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏,回流的干扰较少。破岩过程首先是形成一环形破碎带,然后沿径向和轴向发展,所形成的破碎坑呈内凸锥状。旋转射流破岩的优势在于破碎面积大、效率高、破岩比能低,因而旋转水射流能够钻出大直径的岩石孔眼。     

单个磨料颗粒冲击岩石过程的数值模拟研究

根据连续介质力学和有限元理论,给出了磨料水射流破岩系统中磨料颗粒和岩石的控制方程及相应的有限元列式,建立了适用于磨料水射流破岩全过程分析的岩石损伤模型.数值计算的结果较真实地反映了磨料水射流破岩过程中岩石动态响应特性的演化过程,普通磨料水射流破碎岩石的主要形式是磨料颗粒冲击压力波所产生的拉伸破坏.数值计算与相关试验结果基本吻合,表明该分析方法是可行的,可用来指导磨料水射流破岩理论的进一步研究及应用.     

高压液氮射流提高深井钻速机理

针对深部油气及地热钻探中岩石温度及强度高、钻速普遍偏低等问题,采用花岗岩、页岩和砂岩3种岩样,开展了高温岩石液氮冷却后的力学特性测量实验与液氮射流破岩实验,解析了液氮喷射破岩的宏观特征与微观机理、液氮-岩石的传热特征、岩石内热应力的演化规律,进而提出了高压液氮射流辅助钻井的新方法。研究表明,液氮冷冲击可显著降低岩石的单轴压缩强度及弹性模量,岩石温度越高,力学弱化程度越高,冷冲击对岩石的损伤程度越强;液氮射流破岩以大块体积破碎为主要破岩特征,具有破岩效率高、破岩门限低的特点,岩石温度越高,液氮射流破岩效果越强;液氮喷射作用下花岗岩的损伤程度最高,该方法对高温花岗岩地层具有更好的适用性,应用于深层干热岩储集层钻井提速,具有良好的前景。图13表2参19     

高压射流冲击破碎岩石的有限元计算

高压射流冲击破岩是一个复杂的非线性问题。通过MSC．Marc建立模型，分别使用动态接触作为非线性冲击载荷模拟高压水射流冲击岩石。通过动力计算分析，根据岩石内部应力的变化使用Hoffman失效准则研究了岩石的破碎过程。分析表明，增加射流冲击速度可以提高射流破碎岩石的效率，当射流速度迭到某一临界值时，射流水锤作用使得岩石发生大块破碎。     

高压水射流破岩钻孔的实验研究

高压水射流很早就被证明是一种潜力巨大、高效及方便的破岩钻孔工具和方法。但单喷嘴普通射流的冲击破碎面积小,喷嘴旋转系统不可靠性,限制了它的实际应用。本文根据石油钻井技术发展的需要,用特殊方法设计出带有导向元件的喷嘴,调制出旋转射流,在室内进行了一系列实验。实验结果表明,该旋转射流可以产生足够大的冲击面积,钻出比喷嘴直径大40多倍的孔眼。其破若以剪切破碎为主,破岩效率是普通喷嘴的数10倍,破岩门限压力仅为普通射流的1/2左右。地面钻孔试验结果,证实了旋转射流具有破岩成孔能力。     

高压水射流凿岩过程的理论研究

基于高压水射流凿岩试验结果、岩石内孔隙流体的运动规律以及水射流凿岩过程中能量分布变化趋势的分析,对高压水射流凿岩过程进行了系统的研究。研究结果表明,在水射流凿岩过程中射流和岩石的相互作用以界面耦合为主,水射流的冲击载荷在岩石内产生的应力波和射流准静态压力的共同作用使得岩石破碎,其中应力波的作用占主导地位。高压水射流凿岩过程可分为两个阶段,初期以应力波作用为主,形成岩石损伤破坏的主体;后期主要是射流的准静态压力使得岩石内已有的微孔隙、微裂纹等损伤继续扩展,并汇聚形成宏观破坏,从而使岩石孔眼的直径扩大。     

倾斜射流破岩机理与规律分析

通过建立岩石、射流、空气的流固耦合模型,利用任意拉格朗日－欧拉算法（ＡＬＥ）,数值模拟研究了
倾斜水射流冲击下岩石的破坏过程,分析了倾斜射流的破岩机理及影响因素。研究结果表明,倾斜射流破岩的主
要形式为射流冲击所造成的卸载拉伸破坏及射流冲刷所产生的拉伸剪切破坏;随着倾斜射流入射角度的增大,破
岩体积先增大后减小,存在最佳射流入射角范围;破岩体积随喷距的增加而较小。研究结果表明倾斜射流的破岩
能力明显强于垂直射流。     

高压水射流破岩比能演化机理研究

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型，在对高压水射流破岩过程模拟分析的基础上，进行了射流破岩比能演化机理的研究。研究结果表明，在脉冲射流载荷的衰减阶段，由于岩石卸载的阻力较小，卸载过程中所释放的能量利用较为充分，使得脉冲射流的破岩比能明显小于连续射流；因为旋转射流的每一质点均具有三维速度，易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏，且回流的干扰较少，提高了射流的能量利用率，使得破岩比能也明显低于连续射流，且随着切向速度与轴向速度比值的增大，旋转射流破岩比能逐渐减小。     

锥形齿旋冲及扭冲的破岩过程与破岩效率分析

为了解锥形齿在旋转冲击和扭转冲击载荷作用下的破岩过程和破岩效率,采用数值模拟和试验数据验证的方法,研究了2种破岩方式下不同冲击幅值和冲击频率对应的岩石内部应力变化、岩石损伤特征、岩石破碎体积和破碎深度、破岩比功。数值模拟分析结果表明,锥形齿在旋转冲击和扭转冲击破岩过程中均表现为切削齿侵入岩石、岩石损伤贯通裂纹萌生、岩石损伤贯通裂纹扩展、裂缝贯通岩屑崩落4个阶段,拉应力是引起岩石内部到表面贯通裂缝产生的主要原因,压剪应力是岩石内部出现损伤和形成微裂纹的主要原因。随着冲击幅值和冲击频率增大,旋转冲击和扭转冲击破岩方式下,锥形齿破碎岩石的体积都会增大,但当冲击幅值和冲击频率增加到一定值时,岩石破碎体积的增加趋势趋于平缓;锥形齿旋转冲击破岩方式下的最大破碎体积高于扭转冲击破岩方式。常规切削、旋转冲击和扭转冲击3种破岩方式下,锥形齿常规切削的破岩比功最大,不同冲击幅值和冲击频率条件下,锥形齿扭转冲击破岩方式下的破岩比功普遍比旋转冲击破岩方式低。      

基于SPH算法的高压水射流破岩机理数值模拟

应用ANSYS/LS-DYNA软件,采用SPH算法模拟了高压水射流破岩的三维非线性冲击动力学问题,得到了破岩过程中能量转化关系和射流冲击力时程曲线,同时也获得了水射流破碎岩石的时序演化过程,较好地反映了水射流破岩的真实物理过程,证明了该仿真方法的可行性,所得结论将为水力参数优选以及钻头喷嘴设计提供一定的参考。     

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。     

磨料射流射孔增产技术研究与应用

介绍了磨料射流射孔机理、参数影响规律室内试验和油井射孔现场试验结果。研究表明，磨料射流射孔过程可分为脆性和延展性材料切割两个不同阶段，并得出了主要参数(包括压力、排量、磨料类别、磨料粒度、磨料体积分数、围压和岩石性质等)对射孔深度的影响规律和合理的参数范围。在地面模拟试验井，24～27MPa压力条件下射孔和割缝深度达0.50m以上；10口井11井次现场施工证明，磨料射流射孔工艺技术降低破裂压力5～10MPa，油井增产效果明显。     

围压对射流破岩特性影响的试验研究

围压是石油工程中影响射流动力学特性的重要参数之一。应用高压井筒模拟试验装置进行了围压对常规连续射流、空化射流和磨料射流破岩效果影响的试验，最高围压达到20MPa。试验结果表明，围压对常规连续射流和空化射流破岩效果影响明显，破碎体积随围压的增大而减小，减小的速度随围压增大逐渐变缓；而对获得最大破碎体积的最优喷距影响不大，为3～5倍喷嘴直径，说明围压对射流基本结构特性影响不明显。当围压小于15MPa时，磨料射流射孔深度随围压的增大而近似呈线性减小。该试验可为射流参数的优选提供依据。     

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现代旋转钻井破碎岩石是以机械破岩为主导方式，射流辅助机械破岩的目的是提高机械钻速。文章论述了牙轮钻头与岩石相互作用过程及岩石剪切破坏的内在规律；重点研究了射流的水楔作用对岩石裂纹产生、扩展、贯通及破坏的机理。实验结果表明，射流辅助钻井的门限压力是岩石抗拉强度的4.1倍，是抗压强度的26%；还与井底压差及其它岩石物理力学性质有关。同时指出，超高压射流的研究与应用是辅助钻井高效破岩的重要发展趋势。     

高压水射流井底切槽应力卸载特性

深井/超深井岩石应力大造成的岩石强度升高是导致钻头磨损快、钻井效率低的主要原因之一。高压水射流技术由于可以大幅度提高机械钻速而被广泛应用于钻井工程领域。传统高压水射流破岩理论认为水射流能够起到清岩和辅助破岩的作用,但水射流形成的凹槽对井底岩石应力状态分布的影响一直没有引起足够的重视。结合钻头与高压水射流联合破岩过程,提出了高压水射流井底切槽应力卸载方法。基于Biot多孔弹性力学理论,建立了深部岩层物理模型,分析了不同井深、地应力状态、井底压差条件下岩石有效应力的分布形态和切槽应力的卸载程度;结合不同围压条件下花岗岩的力学特性,使用自定义岩石抗压强度函数分析了井底切槽对岩石强度分布特征的影响规律。研究结果表明:随着井深的增加,应力卸载效率不断升高,井底轴线处有效应力卸载效率在70 %以上,井底周围有效应力卸载效率约为50 %;钻井液压力的升高减小了应力卸载效率,且井底轴线处应力卸载效率受钻井液压力的影响较大;水射流切槽显著降低了井底轴线处岩石的强度,卸载效率达50 %以上,井底周围岩石强度卸载效率约为30 %;井底凹槽的存在释放了岩石的有效应力,并将井底岩石应力集中于区域推离切削面,从而降低了钻头作用区域的应力值,在一定程度上降低了岩石的强度,进而提高机械钻速。     

水力喷砂射孔参数实验研究

通过室内模拟实验，对影响水力喷砂射孔能力的7个参数（射流压力，射流排量，射流磨料性质，磨料体积分数，磨料粒度。岩性和围压）进行了系统研究。初步得出了各参数对射流破岩能力的影响规律，实验表明，水力喷砂射孔能力随压力和排量的增加而增加；磨料粒度和体积分数都存在着一个最优值。磨料体积分数为6%-8%，磨料粒度为0.4-0.6mm；磨料的性质对水力喷砂射孔能力有一定的影响；岩石的性质和围压对射孔能力有很大影响；固定条件下存在着最大射孔深度和最优喷射时间。     

自进式高压水射流破岩数值模拟分析

针对应用于开发低渗透性、裂缝性和薄储层等油气藏的高压水射流技术,基于推导的水射流破岩的临界速度,设计了一种用于油田井下破岩的自进式高压水射流喷头,并应用湍流模型对喷头内部的水射流流场进行数值模拟分析,应用动力学模型对水射流破岩过程进行数值模拟分析。结果表明,入口压力30MPa时,喷头产生的水射流达到了破岩所需速度,能够实现破岩,并且破岩产生的破碎坑的内切圆直径大于喷头的最大外径,可实现自进式破岩,而且破岩过程中水射流速度是"脉动下降"的。这也说明所设计的喷头用于破岩是可行的,这种设计方法、建模方法和数值模拟方法在分析高压水射流破岩方面是可行的。