双射流喷嘴破岩扩孔的实验研究

利用旋转射流破岩效率高、小水眼可钻出大孔的特点,并结合锥形喷嘴有效喷距较长的特点,设计了一种新型喷嘴——双射流喷嘴。室内试验结果表明,射流喷嘴外旋转角30°左右破岩效果最佳,破岩面积则随着角度增大而增大;双射流喷嘴最佳喷距约为当量直径的5～8倍;在短喷距情况下,双射流喷嘴与普通锥形喷嘴相比,破岩效果相近,但破岩面积约为1～3倍。     

叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究

为提高PDC钻头钻进水平段时的井底射流辅助破岩能力,开展了叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究。利用k-ε双方程标准湍流模型,对叶轮式旋转射流流场进行了数值模拟,并采用旋流强度和流量系数评价了射流破岩能力。数值模拟结果表明,叶片扭曲角为115°~140°、直柱段无因次长度为0.6~0.8、收缩角为60°~70°时,流量系数和旋流强度可取得最佳值,射流破岩能力最强。根据不同喷距下的旋转射流破岩试验结果,分析了叶轮式旋转射流喷嘴的破岩特性,结果表明,同压降下叶轮式旋转射流破岩直径是普通直射流的近3倍,且喷距在7~11倍喷嘴出口直径时破岩直径最大。研究结果表明,叶轮式旋转射流喷嘴的破岩能力优于普通直射流喷嘴,且通过优化叶轮式旋转射流喷嘴几何参数可提高其破岩能力,加强井底清岩和辅助破岩效果,提高PDC钻头的破岩效率。      

超高压射流破岩规律在钻头设计上的应用

超高压射流破岩的室内试验研究发现:射流压力越高破岩效果越好;最优喷距随着射流压力的升高而增大,200 MPa时最优喷距达到32.5倍喷嘴直径;150 MPa时破岩效率最高;喷嘴安装角度为12.5°时破岩效果最好。据此,对超高压PDC钻头的喷嘴布置进行了优化,认为普通喷嘴布置方式是不合理的,并优选出了最佳超高压喷嘴布置方式,这有利于提高超高压射流破岩效果。     

自进式旋转射流钻头破岩效果

利用有限的排量实现高效的破岩效率并尽可能增大径向水平井眼的延伸能力是实施新型径向水平井技术的关键,射流钻头的性能是该关键技术要解决的首要问题。在多孔射流钻头的基础上,设计研制了自进式旋转射流钻头,分析了其工作原理,并通过试验对自进式单孔旋转射流钻头、自进式单孔直旋混合射流钻头、自进式多孔旋转射流钻头以及自进式多孔直旋混合射流钻头随时间、射流压力和喷距的破岩钻孔规律进行了研究。研究结果表明:当喷距范围为9~12 mm、射流压力为20~35 MPa时,在相同的射流压力和喷距条件下,自进式多孔直旋混合射流钻头的破岩效果优于自进式多孔旋转射流钻头,其中1+4孔的多孔直旋混合射流钻头的破岩效果最好。设计得到的新型射流钻头可以提高径向水平井的钻进速度。     

PDC钻头超高压射流特性与喷嘴设计

运用计算流体力学方法,对PDC钻头超高压射流流场进行数值模拟研究,并对喷嘴进行设计。结果表明,超高压喷嘴自由淹没射流符合轴对称射流性质,流场与常规射流流场结构一致,分为初始段、过渡段和基本段;超高压喷嘴自由淹没射流存在等速核,等速核长度为7.5倍喷嘴直径;超高压射流喷距设计为4倍喷嘴直径,有利于提高超高压射流破岩能力。现场试验结果表明,超高压PDC钻头配合井下增压器使用可以大幅提高机械钻速。     

旋转射流流动规律研究

在前期证明导向叶轮式喷嘴所产生的旋转射流具有较强的破岩成孔能力的基础上,本文对旋转射流的运动规律进行了实验研究。结果表明:旋转射流的速度及压力分布特性明显不同于普通圆射流,在近喷嘴范围内其速度剖面、压力剖面和轴向速度剖面均呈现"M"形分布的特点,切向速度剖面呈现"N"形分布的特点;随着射流向前喷射,射流的横断面不断向外扩散,其速度和压力剖面变得越来越平缓,衰减较快;旋转射流截面最大轴向速度和切向速度与喷距的负指数成正比关系衰减。表明该旋转射流相对于普通圆射流具有较强的横向扩散能力和较弱的轴向传递能力,为合理设计和利用旋转射流提供了依据。     

星形喷嘴射流的破岩特点

在淹没和非淹没条件下对星形喷嘴射流的破岩能力进行了实验研究。结果表明，在非淹没条件下，星形喷嘴射流的破岩能力高于常规圆形喷嘴射流；在淹没条件下，当喷距小于10倍喷嘴直径时，星形喷嘴射流的破岩能力较圆形喷嘴射流弱，但是当喷距达到10～16倍喷嘴直径时，星形喷嘴射流的破岩能力明显高于圆形喷嘴射流。据此可将星形喷嘴应用于牙轮钻头，替代圆形喷嘴，以提高钻井清岩和辅助破岩效率，达到提高钻井速度的目的。     

超高压射流钻头破岩实验研究

超高压水射流技术在石油工程中的应用越来越广泛,目前超高压射流联合机械破岩是提高钻井速度最具潜力和最具可行性的方法。通过室内实验和现场试验研究了淹没条件下超高压水射流破碎岩石的主要规律,探寻影响破岩效果的主要因素及其规律,为超高压射流联合机械破岩及超高压PDC钻头的进一步研究奠定了基础。研究发现,影响超高压射流破岩的主要因素有压力、喷距、喷嘴移动速度和喷射角度等,射流压力越高破岩效果越好,最优喷距随着压力的升高而增大,200 MPa时最优喷距达到32.5倍喷嘴直径。实验条件下,150 MPa时破岩效率最高,喷射角为14°破岩效果最好。根据实验结果,对钻头切削齿和喷嘴布置进行了优化,设计制造了专用设备和工具,现场试验取得了较好的效果,可进一步推广应用。     

组合射流PDC钻头试验研究

为了将不同射流方式应用于PDC钻头以改变井底流场,并给钻头提供设计依据,通过数值模拟和室内试验分析了反向射流对井底流场的影响规律,并对旋转射流的破岩能力进行了评价。结果表明:PDC钻头加装反向射流喷嘴之后,钻头破岩部位压力降低,并且压降随着反向射流喷嘴距钻头底部距离的增大而减小,随反向射流流量的增大而增大,上部钻井液液柱压力对压降影响不大;在相同压降或排量下,旋转射流较普通直射流有更好的破岩能力。根据试验结论研制出了反向射流与旋转射流组合的PDC钻头,并在坨747井进行现场试验。结果表明,坨747井采用组合射流PDC钻头后,与采用普通PDC钻头的邻井相比,钻速提高40%以上。这表明,将反向射流和旋转射流组合应用于PDC钻头,可以明显提高机械钻速。      

新型组合式双射流喷嘴结构优化设计

为了研究新型组合式双射流喷嘴的螺旋槽个数、收缩角、中心孔圆柱端直径、长径比对射流效果的影响规律,建立湍流有限元模型,根据现场实际工况对不同设计参数进行了数值模拟分析。分析结果表明,在50 MPa工作压力下,螺旋槽数为3时,中心孔和边缘孔射流速度将达到最佳破岩效果;根据中心孔圆柱端射流速度,选取最优收缩角为20°,最佳中心孔直径0.4mm;考虑湍动能的影响,选取最佳长径比为5。这些关键设计参数的优化为进一步提高新型组合式双射流喷嘴的破岩效率具有重要意义。     

淹没条件下锥形喷嘴射流破岩效率实验研究

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,其性能直接影响到射流的质量。用入口为圆锥形的带有喷嘴套的喷嘴产生的淹没射流冲蚀砂岩的实验证明射流破碎岩石存在两个最优喷距,且第二个最优喷距破碎岩石体积较大;锥形喷嘴入口角为30°破岩效果最佳;喷嘴套为扩展型最佳。     

切向导入式旋流喷嘴辅助PDC钻头破岩实验

为了提高PDC钻头在研磨性地层中的机械钻速,延长使用寿命,采用室内实验和现场验证的研究方法,设计了一种切向导入式旋流喷嘴。文中对旋流喷嘴的关键结构参数进行了优化,与普通圆喷嘴进行了破岩效果对比,并将旋流喷嘴应用到PDC钻头上,进行了现场验证试验。相同条件下,非对称切向导入口喷嘴的破岩效果比对称切向导入口喷嘴的破岩效果好,当切向导入口数量为3个、角度为30°和圆锥收缩角度为20°时,旋流喷嘴的破岩效果最好。切向导入式旋流喷嘴产生的破碎坑冲蚀体积是普通圆射流的4.00~5.60倍。现场应用结果表明,旋流PDC钻头的机械钻速比普通PDC钻头提高了51%~67%,并且延长了钻头使用寿命。     

自进式多孔射流钻头结构设计与流场特性分析

为了防止钻头在钻进过程中由于射流喷嘴顶住井底而发生卡堵问题,设计了一种带支撑板的自进式多孔射流钻头,并将圆锥收敛型喷嘴的结构设计应用于前向中心喷嘴,使前向中心射流具有更长的等速核以及更高的破岩效率。对所设计射流钻头的内外流场进行了三维流动特性数值模拟分析,并研究了支撑板结构对喷嘴流场特性的影响规律。研究结果表明:带支撑板的自进式多孔射流钻头的井底速度云图上分布着4个圆状高速区域,其中中心区域的流体流速最大,射流流束直径最大,即采用了圆锥收敛型喷嘴结构的前向中心射流具有更高效的破岩能力;当自进式多孔射流钻头具有3支撑板结构时,钻头的前向孔眼采用1+3布局结构更为合适;当射流钻头采用支撑板结构时,并不会影响漫流对井底排屑的清洗作用。研究结果对于自进式多孔射流钻头的现场应用及进一步的优化设计具有一定的参考作用。     

基于Fluent的径向水平井旋转射流钻头内外流场数值模拟

运用Fluent软件对径向水平井旋转射流钻头的内外部流场进行数值模拟,提出了利用数值模拟手段计算旋流强度和流量系数的方法。结果表明：流体经导流叶轮加旋后成为强旋流,流经喷嘴收缩段时,速度增加,旋流强度减小,至喷嘴出口时变为弱旋流;叶轮的流量系数小于喷嘴。该分析为旋转射流钻头的结构优化设计和提高破岩效率提供了理论基础。     

淹没条件下超高压水射流冲蚀切割破岩实验研究

运用超高压射流数控自动万能切割机进行了淹没条件下水射流冲蚀切割破岩实验，选取了5档驱动压力和3种岩样，研究了水射流驱动压力、喷距、喷嘴横移速度和喷射角对破岩效果的影响。实验表明，淹没条件下超高压水射流冲蚀切割破岩存在最优喷距，最优喷距随压力的增加而增加；100 MPa时最优喷距约为15倍喷嘴直径，200 MPa时约为20倍喷嘴直径；喷嘴移动速度越小，冲蚀体积越大，随着移动速度的增加，开始时冲蚀体积下降明显，但移动速度进一步增加时，冲蚀体积减小并不明显,岩石的主要破坏发生在毫秒量级；最优冲蚀破岩效果的喷射角范围为12°~14°。     

旋转钻头井底流场的初步数值研究

将三维、旋转、非对称多个喷嘴射流等多种因素全面考虑 ,对旋转钻头井底流场进行了数值模拟 ,并详细分析了井底和钻头间各面上的数据 ,指出井底流场的拓扑结构与单喷嘴旋转射流产生的结构很相近 ;喷嘴倾斜射流能更好地加强井底流体的携带能力 ,有利于清除滞流或回流 ;按本文布置的非对称分布的 4个喷嘴射流相对于对称喷嘴射流 ,能明显改善井底流动 ,对钻头设计有直接指导意义。     

脉冲射流提速配套PDC钻头流场数值模拟研究

为了最大限度地发挥脉冲式井底交变流场提速工具的性能,采用数值模拟的方法对与提速工具配套的PDC钻头进行研究,模拟钻井液通过其产生的井底交变流场,研究了钻头刀翼类型、刀翼数量和喷嘴数量对钻井液井底冲击力和井底清岩效果的影响,并对钻头结构进行了优选。研究结果表明:螺旋刀翼、7喷嘴、6刀翼钻头产生的脉冲射流具有较高的平均静压冲击力和井底冲击力振幅; 6直刀翼6喷嘴钻头对应的井底动压冲击力波动最大,达到7. 0 kN以上,5直刀翼7喷嘴钻头对应的井底静压冲击力波动最大,为2. 8 k N; 5直刀翼5喷嘴钻头的清岩效果最好,其产生的井底最小岩屑质量浓度和平均岩屑质量浓度最低,且井底岩屑质量浓度的波动幅值最大,达到1. 6 kg/m~3;对于软到中硬地层,配合使用脉冲式井底交变流场提速工具,选择5直刀翼5喷嘴PDC钻头清岩和携岩效果较好;对于硬地层,选用6直刀翼6喷嘴PDC钻头提速效果较好。所得结论可为脉冲射流钻井提速工具配套PDC钻头结构设计及应用提供参考。     

粒子冲击钻井钻头设计与流场测试

粒子冲击钻井(PID)钻头是粒子冲击钻井系统的重要组成部分,PID钻头的优化设计及井底粒子的流动规律研究对于粒子冲击钻井技术的现场应用效果至关重要。为了优化PID钻头结构,提高粒子冲击钻井的破岩效率和岩屑返排效率,开展了PID钻头设计与流场测试研究。文中设计了2种规格的PID钻头和4种型号的喷嘴,通过室内流场测试得出了2种钻头在不同泵压和喷距条件下的粒子喷射特性和环空上返情况;探讨了不同喷嘴的加速性能和射流收敛性,得出了粒子冲击钻井的井底流场流动规律,优化了PID钻头和喷嘴结构,为后续PID钻头的研制与应用提供了必要的室内实验支持。     

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。     

自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头流场数值模拟

为了解决超短半径径向水平井水力钻头破岩效率低的问题,将膛线引入水力学中,利用膛线的螺旋切割产生直旋混合射流,同时根据磨料射流高效破碎靶件的特点,利用岩屑产生磨料射流的优势,设计了A、B 2种结构的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头,并利用数值模拟方法分析了钻头的流场分布规律。分析结果表明,钻头的螺旋切槽能够形成旋转射流,磨料漏斗均能吸入岩屑形成磨料射流;钻头的扩展段和井底两侧均能产生涡漩,该涡漩可以促进岩屑翻滚,进而提高清岩效果,轴向速度分布规律与常规喷嘴圆形射流规律相似;自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头设计时应优选A型。