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。     

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%。     

PDC切削齿破岩受力的试验研究

试验模拟了切削面积、接触弧长、切削面形状、切削齿后倾角和岩石性能对PDC切削齿破岩受力的影响。结果表明,采用接触弧长、切削面积和岩石可钻性表征切削面的几何形状和岩石性能与PDC切削齿破岩的实质相符。PDC切削齿单位切削面积上的切向力和正压力随着接触弧长、切削面积、切削齿后倾角和岩石可钻性级值的增大而增大,并与切削面积与接触弧长的乘积呈显著的线性关系。当后倾角小于10°时,切削齿受力较小。根据试验结果,建立了PDC切削齿破岩的受力模型。     

旋转水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型模拟了旋转水射流作用下岩石的损伤破坏过程，其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。同时还对旋转水射流的破岩机理进行了分析。模拟计算结果与前期的试验结果一致，均显示旋转射流具有较强的破岩能力，其原因在于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。     

低压脉冲射流的调制机理及调制器振动模拟

介绍和分析了钻井液主流阻断式调制射流产生低压脉冲的机理和可行性。初步设计出全尺寸低压脉冲调制器，利用MATLAB环境下的Simulink系统建立了调制器液压振动力学运动的计算机仿真模型。对调制器的液压控制过程及阀系运动进行了初步模拟，显示出调制器主阀和控制阀协调振动工作的可行性。仿真计算结果表明，调制器振动的频率、主阀启闭时间以及在下止点关闭主流的时间等重要工作性能指标基本符合射流低压脉冲的要求，这说明调制器的结构参数基本合理。调制器的实际工作性能、指标以及模型仿真的可靠性还有待于实验验证。     

旋转水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型模拟了旋转水射流作用下岩石的损伤破坏过程 ,其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。同时还对旋转水射流的破岩机理进行了分析。模拟计算结果与前期的试验结果一致 ,均显示旋转射流具有较强的破岩能力 ,其原因在于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。     

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。     

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。     

锥形旋转水射流的试验研究

研究出一种圆锥形水射流喷嘴，并对其结构特点及压力分布进行了分析，从理论和试验结果论述了影响喷嘴射流扩散角的结构因素，包括叶轮叶片的出口角和射流截面压力分布，文中引入喷嘴的几何特征数Ω来表征喷嘴的旋转强度，可用于衡量喷嘴的质量。     

围压对旋转射流破岩钻孔效率的影响

根据现场径向水平钻井技术的需要 ,在前期常压条件下研究的基础上 ,对围压条件下旋转射流的破岩钻孔效率进行了试验研究。结果表明 ,在围压条件下 ,随着射流压力的增加 ,旋转射流破岩效率呈现出线性增加的趋势。随着喷距的增加 ,破碎效率呈现出先增加后减小的趋势 ,即存在最优喷距。在围压低于 5MPa时 ,破碎红砂岩的最优无因次喷距为 2～ 2 .5 ;随着围压的增加 ,破岩效率呈指数下降趋势 ,最优喷距随围压的增加而减小。在同压差条件下 ,围压比射流压力对破碎效果的影响更大。