磨料浆体旋转射流破岩钻孔特性实验研究

聚丙烯酰胺作浆体添加剂,由高压罐在高压管路中加入磨料形成磨料浆体,通过定点冲蚀岩石实验研究磨料浆体旋转射流的破岩钻孔特点。实验表明,磨料浆体旋转射流冲蚀岩石形成的破碎坑呈"V"形。与非旋射流相比,相同水力参数下磨料浆体旋转射流的钻孔直径增加1.2倍左右,破岩体积提高约4倍。添加剂聚丙烯酰胺的含量增加对提高射流的破岩钻孔深度有明显地促进作用。     

固液两相流粒子冲蚀钻头内流道磨损

针对固液两相流粒子冲蚀钻头内流道磨损机制,应用固液两相流离散相模型(discrete phase model,DPM),建立钻头内流道冲蚀磨损的物理模型,获得粒子参数对内流道磨损的影响规律,并进行室内实验,验证DPM模型的有效性。研究结果表明:粒子对钻头内流道冲蚀磨损主要分布在内流道收缩面,越靠近钻头中心轴线,磨损率越大;随粒子入口速度的增大,内流道平均磨损率增大;随粒子直径的增大,内流道平均磨损率先减小后增大,最后趋于稳定,当直径为2.0 mm时平均磨损率最小;随粒子体积分数的增大,内流道平均磨损率近似呈直线增加;当粒子入口角度为50°时,内流道平均磨损率最大;压力对于内流道磨损影响较小;进行100 h磨损实验后,钻头内流道的磨损率减小了0.80%。     

自吸环空流体式自激振荡脉冲粒子射流调制机制分析

基于现有技术分析,提出利用环空水力能量在井下调制脉冲粒子射流用于硬地层钻井提速的技术设想。模拟分析所提出的自吸环空流体式自激振荡脉冲射流调制元件吸入环空粒子,并振荡加速形成脉冲粒子射流的机制。结果表明:随着围压、粒径、粒子密度和泵压的增大,粒子在自激振荡腔室内的停留时间逐渐缩短,运行轨迹趋于简化;粒子出口速度随着围压、粒径和泵压的增大而增大,随着粒子密度的增大呈先增大后减小的趋势,存在最优粒子密度。研究结果证实了井下调制式脉冲粒子射流钻井方法的原理可行,为实际钻井技术的发展提供了重要依据。     

基于密度测井资料计算上覆岩层压力的不确定性分析

上覆岩层压力准确计算是地层孔隙压力预测的基础.应用不确定度理论,考虑密度测井仪器误差、测量井筒环境、地层横向变化、数据缺失以及函数拟合初值选择等因素,建立基于Taylor级数的上覆岩层压力估计的不确定度计算模型,以川东北探区某区块上覆岩层压力梯度为例进行不确定度评价.结果表明:研究区基于密度测井资料计算的上覆岩层压力梯度的相对不确定度为5.2%～16.3%,上覆岩层压力梯度的不确定性对地层压力预测精度的影响不可忽略;该评价方法为上覆岩层压力不确定度的计算与控制提供了一种分析方法和手段.     

竖直气液两相管流中空隙率波及其不稳定性分析

对竖直气液两相管流中的空隙率波进行了测量和分析。结果表明 ,不同流型的空隙率波其传播速度不同 ,并随含气率的升高而增大 ,泡状流“失稳”前后空隙率波的相速度与群速度不相等 ,属于色散波。利用扰动方法研究了空隙率波的不稳定性 ,发现某些频率的扰动能使空隙率波的波速和相速度有所提高。非线性分析结果表明 ,泡状流“失稳”时是一个混沌动力系统。空隙率波的增长系数求解结果表明 ,泡状流向弹帽泡状流转化时 ,空隙率波对有限扰动是不稳定的 ,并对扰动的频率有所选择。当扰动频率与空隙率波的主控频率相近时 ,空隙率波呈最大增长状态。     

超临界二氧化碳粒子射流破岩性能分析

由于页岩和致密砂岩等非常规储层岩石的破岩门限压力大,为充分发挥超临界二氧化碳在开发非常规资源方面的技术优势,提出引入粒子后形成超临界二氧化碳粒子射流,提高射流的破岩效率。在优化超临界二氧化碳射流破岩实验流程的基础上,研制超临界二氧化碳粒子射流破岩实验装置,分析超临界二氧化碳粒子射流的破岩性能。结果表明:相对于纯超临界二氧化碳射流,加入石英砂30 s后超临界二氧化碳粒子射流的破岩性能得到大幅度增强,破岩体积提高了66.67%;超临界二氧化碳粒子射流的破岩性能随着喷嘴直径和喷距的增大先增强后减弱;本试验条件下最优喷嘴直径为3 mm、喷距为6 mm,粒径为0.3～0.5 mm;压力和温度越高,射流的破岩性能越强,但增强的趋势逐渐变缓。     

推靠式旋转导向系统底部钻具组合动态安全评价方法

推靠式旋转导向钻进时巴掌对井壁的间歇性推靠致使钻柱处于非线性阻尼激励的复杂工作状态,剧烈的振动易引发钻柱的疲劳失效。建立考虑巴掌与井壁的接触碰撞及动态激励的底部钻具组合动应力计算模型,分析钻柱转速对钻柱动应力和钻头侧向力的影响。结果表明:钻井过程中底部钻具组合动应力和钻头侧向力处于剧烈波动状态,尤其在临界转速下运动的钻柱将产生剧烈的振动及较高水平的动应力,导致钻柱出现疲劳破坏;通过调节钻柱转速至两阶相邻转速中间值,可显著降低钻柱的振动加速度。现场试验验证了通过调节钻柱转速提高底部钻具组合动态安全的可行性,为推靠式旋转导向及同类工具安全钻进参数的优化设计提供了依据。     

旋转射流流线分析及旋流强度的计算

为了研究旋转射流的流动特性以及喷嘴和叶轮的几何形状对旋转流体流强度的影响，对旋转射流的流动及旋流强度进行了理论分析及计算。结果表明，在理想情况下，旋转于流的流线为一条对数螺旋线。     

刀翼式PDC钻头的侧向力平衡设计

聚晶金刚石(PDC)钻头的侧向不平衡力是造成钻头涡动的主要原因之一，而侧向不平衡力取决于钻头的布齿结构，通过合理的布齿结构设计，可有效地控制侧向不平衡力的大小。在对POC钻头进行受力分析的基础上，建立了POC钻头受力计算模型，提出了通过调整刀翼周向位置使钻头的侧向不平衡力达到最小的优化设计方法。利用该方法进行了实例计算，结果表明，该设计方法能将POC钻头的侧向不平衡力控制在钻压的1％以内。     

喷嘴内液固两相射流流场的数值模拟

基于连续介质理论，考虑了液固两相间的相互作用，给出了喷嘴流道内液固两相射流的控制方程，利用标准的k-ε两方程模型对磨料射流喷嘴内流场进行了数值模拟研究，并对模型中的主要参数进行了优选。研究结果表明，水与磨料颗粒之间存在速度滑移，在相间力的作用下磨料颗粒一直作加速运动，颗粒速度逐渐趋向水的速度；进入喷嘴收缩段后，水与磨料颗粒同时得到加速，但由于惯性力的作用，达到相同速度磨料颗粒的加速过程要长；进入直柱段后，液相速度继续增加至最大速度，此后缓慢降低，而磨料颗粒在整个直柱段内一直加速，液固两相的速度差逐渐减小，直至从喷嘴喷出；喷嘴出口处液固两相的速度剖面近似为抛物线形，在喷嘴截面中心处速度最大，沿径向逐渐减小，离壁面越近，速度降低的幅度越明显。与前人的研究结果对比发现，模拟所得的结果是正确的。