超高压射流辅助钻井技术研究进展

近年来,中国石油大学(北京)针对射流式井下增压器和超高压双流道PDC钻头先后开展了相关理论研究,并取得了突破性进展.综述了截止目前研究中重要的研究成果,包括射流式井下增压器增压原理和公式、射流换向元件水力结构特性(附壁特性和切换特性)、超高压双流道PDC超高压喷嘴结构设计、超高压射流辅助机械齿联合破岩机理,上述四项研究成果丰富和发展了超高压射流理论和PDC钻头超高压射流破岩机理理论,为射流式井下增压器今后的研究和优化奠定了重要的理论基础.     

低压脉冲空化射流复合钻井技术

低压脉冲空化射流复合钻井技术是在钻头与钻具组合之间安装一个低压脉冲空化射流调制装置,通过其对射流进行调制,产生脉动低压改变井底岩石的受力状态,降低抗破碎强度,提高钻头机械破岩效率,同时变常规连续射流为空化射流,增加井底水力破岩和清岩效率,进一步提高深井钻井速度。塔河油田现场实验结果分析表明,实验井段5349～6162m,纯钻时间为129．36～136．63h,低压脉冲空化射流调制器工作正常,与临井相同井段对比,机械钻速平均提高40．6％～85．1％。     

井底高压射流辅助钻井技术

在现有钻井条件不变的情况下,提高机械钻速较理想的方式是充分利用井底射流能量来提高破岩能力。在井底产生射流的方法很多,重点阐述了机械阻断式水力脉冲射流钻井和井底增压超高压射流钻井技术,并详细分析了其技术原理、国内外发展现状及存在的问题,还进一步介绍了水力脉冲钻井工具和国外井下增压器技术的最新进展,最后就该技术提出了相关建议。     

高压水射流理论及其在石油工程中应用研究进展

近年来新型水射流理论研究及其在石油工程中的应用进展主要包括：①自激振荡射流调制机理研究，创制了新型高效自振空化射流，发明了自激振荡射流钻头，首创了自振旋转射流处理近井地层解堵增产增注技术和自激波动注水技术。②机械及水力联合破岩理论研究，揭示了在钻井压入与旋转双向应力作用下，岩石裂纹形成和发展规律，建立了联合破岩钻头设计理论。③旋转射流理论和破岩机理研究，研制了径向水平钻井技术。①磨料射流特性和参数影响规律研究，优化了水力喷砂射孔参数设计，发展和完善了水力喷砂射孔技术。⑤高压水射液深穿透水力射孔及辅助压裂可行性研究，不仅可以提高射孔和压裂效率，而且为油田(特别是低渗透油藏)增产增注提供了一种有效方法。⑥双射流理论及其特性研究，双射流有利于形成大而深的破岩孔道，避免孔眼凸底的形成。可以提高射流破岩钻孔效率。⑦探索超高压射流辅助破岩理论及辅助钻井新方法，建立了超高压射流辅助破岩的三维PDC钻头模型。参18     

自激振荡式旋转冲击钻井工具在胜利油田的应用

摘要 :自激振荡式旋转冲击钻井工具安装于钻头上部 , 钻井液高速流经自激振荡器,形成水力脉冲作用于冲击传递杆,产生低幅高频机械冲击力传递至钻头,提高钻头破岩效果;所产生的水力脉冲再向下传递,经钻头水眼喷出形成脉冲射流,改善井底流场,提高井底净化和清岩效率,同时井底瞬时负压脉冲产生局部瞬时欠平衡,改变井底岩面破岩应力状态,可明显提高机械钻速。在胜利油田沙三和沙四段地层进行了钻井试验,无论是牙轮钻头还是 PDC钻头都有明显的提速效果,试验井段的机械钻速都提高了 30%以上,可成为钻井提速的新途径。     

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。      

水力脉冲空化射流欠平衡钻井提高钻速技术

研究了水力脉冲空化射流欠平衡钻井破岩、清岩、提高机械钻速机理,并在准噶尔盆地金龙3井进行了水力脉冲空化射流欠平衡钻井现场试验。研究结果表明,井底欠平衡状态下产生水力脉冲、空化冲蚀和局部负压效应,可改善井底流场,降低岩石的破碎强度,促进井底已破碎岩石及时脱离井底,减少反复切削及压持效应,从而达到提高机械钻速的目的。金龙3井相邻井段机械钻速对比表明,在钻井参数基本不变的情况下,采用牙轮钻头+水力脉冲空化射流发生器欠平衡钻井方式钻2 590~2 655 m井段和采用牙轮钻头+水力脉冲空化射流发生器+螺杆钻具欠平衡钻井方式钻2 655~2 759 m井段的机械钻速分别比采用欠平衡钻井方式钻2 485~2 590 m井段的平均机械钻速提高19.8%和87.1%。图5表2参14     

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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。     

超高压射流辅助钻井技术研究进展

超高压射流辅助机械破岩钻井是提高深井钻井速度的一项前沿技术，关键技术包括井下增压器、超高压射流辅助破岩机理和钻头、超高压射流钻井参数和工艺等。主要介绍了超高压射流破岩机理、井底流场和辅助破岩钻头研究进展，在此基础上提出了超高压水射流辅助钻井技术的研究方向。     

新型射流提高机械钻速机理及研究进展

在油气井钻井中，喷射钻井技术能够较大幅度地提高钻井速度，其实质是喷嘴射流辅助钻井破岩，提高了井底破岩效率。为此，文章在如何向井底输送能量和充分利用井下水力能量研究的基础上，进行了多种新型射流的研究与应用。文章对断续射流、自激振荡脉冲射流、自振空化射流和它激振荡脉冲射流4种形成新型射流的理论和方法，提高机械钻速机理进行了分析。现场应用结果表明，新型射流能够较大幅度地提高机械钻速，具有广泛的研究和开发应用前景。     

喷嘴结构对高压射流特性影响研究

自20世纪70年代以来,高压水射流技术已在各工业领域逐渐得到了广泛应用,但迄今仍未能大规模采用,原因是还存在一些有待解决的问题,其中最为迫切的就是如何提高喷嘴射流效率、充分利用其能量的问题。喷嘴是水射流技术应用中获得高能量利用率的关键因素之一,其结构好坏直接影响射流质量。为充分发挥喷嘴最大效率,最大限度地利用水力能量,国内外有关专家从理论分析、数值计算和实验研究3个方面对喷嘴结构与高压射流特性的关系进行了研究分析,结果表明喷嘴结构对射流流动特性、冲蚀性能、空化现象等产生重要影响,指出提高喷嘴效率应当着眼于以下几个方面:加强基础研究;改变射流作用方式、将连续射流调制成脉动射流;充分利用空化空泡破裂压力,研制开发优质喷嘴,以期对拓宽水射流技术在工业中的应用有所帮助。     

高压水射流与化学复合解堵工艺应用研究

高压水射流与化学复合解堵工艺是把高压水射流技术与化学方法油层处理技术有机融合 ,通过物理、化学的双重作用 ,综合改造欠注层的一项新技术。介绍了该工艺的原理、选井条件、设计原则以及施工工艺。该工艺在东辛油田应用取得了明显的经济效益和社会效益。     

水射流射孔对套管冲击压力的数值模拟

为了进一步认识水力喷砂射孔过程及射孔成孔的形态,分析了靶距、砂粒体积分数和喷射速度对套管射孔压力的影响。采用射流理论、材料冲蚀理论和计算流体力学,利用计算机仿真软件,对不同靶距、砂粒体积分数和射流速度下的喷砂射孔进行数值研究。研究结果表明,随着靶距的减少,套管壁上的射孔压力增加; 随着靶距的增加,套管壁上产生的射孔压力面积增加; 射孔压力随着砂粒浓度和喷射速度的增加而增加。该研究结果可为水力喷砂射孔及套管射开孔型的优化研究提供参考。     

气环对水射流流场影响的数值模拟分析

为从理论上证明周围气环具有抑制中间水射流衰减的作用,选取现场试验中效果良好的典型水气喷嘴组合进行分析,得出在有无气体保护下,处于水淹没环境中的水射流流场中动压力的分布状况,绘制出不同时刻流场的动压力分布云图、水喷嘴中轴线上的动压力沿流线的分布图。从反映水射流衰减的动压力分布规律得出气环保护能提高水射流的射流能力,并分析了气环减缓水射流衰减的原因。     

涡轮钻具内部流场的三元流计算与研究

根据叶轮机械三元流动的普遍理论和涡轮钻具叶轮具体边界问题，建立了三元流动计算的数学模型，推导出了适用于叶轮机械三元流动计算的流函数方程，将三元流动计算流函数法成功地运用于涡轮钻具叶栅的数值计算。编制了计算SI流面（叶片到叶片间回转面）速度分布的计算机程序，并对几种涡轮钻具实例进行了数值计算和流动分析，同时进行了涡轮钻具台架性能试验。通过对理论计算和试验结果对比分析，指出了几种涡轮钻具叶片的不足。     

水力喷射泵举升稠油掺稀比影响因素研究

水力喷射泵开采稠油油藏时,常掺入稀油进行井筒降黏开采。在优化喷嘴,喉管组合的基础上,通过优化计算软件分析油井井底流压、含水率、油井产量等变化对水力喷射泵开采过程中掺稀比的影响。计算结果表明：井底流压下降,或含水率上升时,掺稀比呈上升趋势;油井产量增加时,掺稀比先增大,后降低,但地面注入压力一直呈增大之势。     

径向钻井高压水射流喷嘴内外流场分析

径向钻井高压水射流技术目前在国内外得到了广泛应用。对射流喷嘴内、外流场进行数值模拟分析将为选择合理的喷嘴结构以及为高压水射流破岩的进一步研究奠定基础。根据射流动力学原理,建立了单喷嘴轴对称淹没射流破岩的物理模型和数学模型,运用Fluent软件对径向钻井高压水射流喷嘴内、外流场进行了数值模拟,并分析了在不同喷距和入口流量下喷嘴内、外流场的规律。分析结果表明,射流轴线上存在速度衰减性、圆柱段速度保持性和最大速度偏移性;当射流冲击到径向井底后,在井底壁面上产生水垫,对喷头的推进产生阻碍作用;在径向钻井高压水射流中会产生滞止现象,将不利于钻井过程中岩屑的快速移运。     

射流泵降低井底压差工具研究现状及性能分析

钻探实践表明,降低井底压差,减小岩屑的压持效应,并尽量实现井底的欠平衡条件,可以显著提高机械钻速。在介绍射流降压技术原理的基础上,综述了环空射流泵、射流降压短节和射流泵钻头等射流泵降压工具的结构特点、降压效果和研究应用现状,并分析了影响各种降压工具降压性能的关键因素。环空射流泵采用单独的动力液驱动射流泵动作,井筒环空压力可降低当量钻井液密度0.16~0.52 kg/L;射流降压短节降压范围有限,当射流泵出口距离井底2 m时,对井底环空几乎没有降压效果;井壁间隙是射流泵钻头降压能力的关键,当井壁间隙为1 mm时,射流泵钻头可使井底压力降低1.86 MPa;当井壁间隙增大到3 mm以上时,射流泵钻头几乎没有降压效果。研究结果为射流泵降压工具的研发提供了理论指导。      

轴对称淹没水射流流场的数值模拟

根据轴对称淹没水射流破岩条件建立了流场的物理模型和数学模型 ,采用计算流体动力学的有限元软件ANSYS ,对紊动射流流场进行了数值模拟 ,说明轴对称淹没冲击射流流场结构包括射流区、漫流区、涡流区和冲击区 ;在离冲击面较远的区域内 ,射流区呈一定锥角线性扩展 ,与自由射流结构相同。射流在靠近被冲击面处有明显的收缩趋势 ,射流的上半段表现出自由射流的结构特征。被冲击表面上的滞止压力随着喷距和冲击半径的增大而迅速衰减。射流流场数值模拟结果与前人的实验结果吻合。