高温高压下气体声学性质的实验研究

高温、高压下气体的声学性质对于特殊条件下混合气体的识别，以及石油化工、石油测井、汽缸检测、天然气行业以及工程热物理学等有着重要作用。为此，在实验室内对N₂、CO₂、CH₄等气体在高温（20 ~120 ℃）、高压（0~40 MPa）条件下进行了声学性质测量，得到了各种气体在不同温度、压力下声波波速的计算关系式，同时得到了各气体比热容比值随温度的变化规律。通过研究得出结论：通过不同温度、压力下的声波波速计算关系式，可以对温度在0 ~120 ℃之间、压力为0~40 MPa条件下的任意温度、压力状态的声波波速进行估算，计算得到的气体比热容比值可以满足工程要求。     

基于CFD的排屑管路弯头局部冲蚀磨损研究

排屑管路弯头磨损失效是气体钻井中的常见问题,严重影响钻进效率。为深入研究弯头磨损机理,采用计算流体动力学CFD软件对弯头内气固两相流场进行了数值模拟研究。研究结果表明,高速气流携带岩屑经过弯头时,受惯性力作用,岩屑颗粒在外壁面一侧汇聚,造成管壁冲蚀磨损,磨损区域位于弯头30°⁶0°转角位置,弯管磨损速率的最大值远高于其平均值,说明弯管局部刺漏要远早于弯管的整体磨损失效。根据弯头磨损分布特点,对排屑管路弯头进行结构改进,在壁面主要磨损位置设置挡板。现场试验结果表明,连续钻进80 m,弯管没有刺漏,钻进效果显著提高。     

多场耦合作用下泥页岩地层强度分析

研究多场耦合作用下井眼围岩的强度变化问题。在石油钻井环境中，钻井液中存在多种化学成分，钻井液时刻与井壁发生作用，导致井眼周围岩石力学参数为时间的函数。在实验基础上得到岩石强度参数与含水量的关系，基于渗流力学理论，建立孔隙压力与岩石黏聚力及内摩擦角的关系，为研究化学作用对强度参数的影响提供前提，进而进行多孔介质多场耦合作用下的应力分析，建立化学作用对岩石强度参数影响的关系模型。所得结论可深化对泥页岩井壁稳定性的认识，具有一定的工程实用价值。     

利用岩屑测量泥页岩物理化学参数

泥页岩渗透率和膜效率是泥页岩井壁稳定力学化学耦合分析中极其重要的参数。对岩屑测量泥页岩渗透率和膜效率的方法进行了试验研究,研制了岩屑测量泥页岩渗透率和膜效率的仪器,给出了计算泥页岩渗透率和膜效率的新方法。利用研制的仪器和给出的计算方法进行了岩屑渗透率和膜效率的试验测量,并与岩心测量结果进行了对比分析。通过对比分析得知,利用岩屑测量泥页岩的渗透率和膜效率是可行的,所测得的泥页岩的渗透率和膜效率是可靠的,而且利用岩屑测量泥页岩渗透率和膜效率具有方便、快捷、准确的特点,适合于现场应用。      

主方向差应变地应力测量方法

常规差应变法测量地应力的实验难度较大。针对这一难题, 在常规差应变分析法的基础上, 首次将岩石波速各向异性特征与地应力方向相关原理引入到差应变分析实验中, 提出了一套简易可行的室内地应力测量新方法——主方向差应变分析法。该方法利用岩心波速各向异性特性确定水平主应力的方向, 按照该方向来制备差应变实验岩样并进行实验。将该方法的测量结果与目前广泛使用的精度较高的水压致裂法的测量结果进行比较, 二者吻合较好。实践证明: 主方向差应变分析法测量精度较高, 并较之常规差应变分析法降低了实验难度及工作量。     

反循环钻头底喷孔轴心距研究

为提高反循环钻井取样能力,增强反循环效果,采用理论分析和计算流体动力学方法研究底喷孔轴心距不同时的井底压力场和速度场,探讨轴心距变化与反循环效果间的相关规律,为优化设计反循环钻头结构提供理论依据.根据数值模拟分析可知,在特定钻井条件下,设计钻具时应尽可能增大底喷孔轴心距,底喷孔轴心距越大越有利于形成稳定的反循环效果.为便于分析数值模拟结果,引入反循环质量系数x,随着轴心距参数增大,反循环质量系数减小.     

多场耦合作用下泥页岩地层钻井液安全密度窗口预测

在建立流-固-化耦合作用下泥页岩井壁稳定分析模型的基础上，开发了流固-化耦合作用下泥页岩地层钻井液安全密度窗口预测软件，并进行了实际应用。通过对5种钻井液的压力传递实验结果进行分析，对钻井液进行了优选，得出聚合醇钻井液最有利于稳定井壁，其次是硅酸盐钻井液。利用预测软件对W12—1N油田涠二段泥页岩进行了流-固-化耦合作用下的钻井液安全密度窗口预测。研究发现：对于钻井液水活度大于地层水活度的情况，考虑化学作用时钻井液密度窗口明显小于不考虑化学作用情况下的钻井液密度窗口；对于钻井液水活度小于地层水活度的情况，考虑化学作用时钻井液密度窗口明显大于不考虑化学作用情况下的钻井液密度窗口。     

围压对井内爆炸压裂损伤破坏尺度影响的数值模拟研究

针对当前因条件所限而无法通过开展大规模井内爆炸压裂试验来研究围压对井内爆炸压裂损伤破坏尺度的影响规律这一问题,借助LS-DYNA有限元分析模块,结合前期开展的室内爆炸压裂试验,建立了井内爆炸压裂数值计算模型。该模型主要由围岩损伤力学模型、炸药爆炸力学模型和耦合介质模型3部分构成。在对模型准确性进行验证的基础上,进行了爆炸压裂作用下围压对井壁围岩损伤破坏尺度的数值模拟,并通过岩石损伤力学理论,对模拟结果进行了分析。结果表明:在确保诸如炸药量、岩性和装药结构等其他条件不变的情况下,随着围压的增大,围岩损伤衰减速度加快,损伤破坏范围减小;对于围岩内部同一位置,其损伤破坏程度随围压增大而降低。      

海洋平台射流辅助沉桩试验研究

为探寻海洋石油平台桩基高效的建设方法,针对停锤后打桩困难甚至出现拒锤现象,提出高压水射流辅助沉桩的技术设想,并设计了海洋平台射流辅助沉桩模型试验装置,测试了6种不同形状喷嘴产生的射流对土塞表面的作用力。同时,通过对土体内应力分布状态进行数值模拟,得到6种喷嘴射流作用下土塞内的最大应力和最小应力,验证了模型试验结果。结果表明海洋平台桩基建设过程中,采用高压水射流辅助沉桩提高桩基建设效率是完全可行的,且6种喷嘴中等变速型喷嘴有限喷距最长,作用在土塞表面中心处的压力也最大。研究结果为海洋平台射流辅助沉桩原理样机采用等变速喷嘴试制提供了重要依据。