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。      

粒子射流冲击破岩喷嘴的参数优化与试验研究

在粒子射流冲击破岩过程中,喷嘴作为粒子和水射流的核心加速装置,其加速能力决定了破岩效果的好坏。针对锥直型、等变速型和流线型喷嘴,建立了粒子和水射流在喷嘴中的加速模型、压降模型以及能量转换效率数学模型,通过数值模拟分析了不同喷嘴对粒子水射流加速能力的影响,对喷嘴的流道类型及尺寸进行了优化,依据优化结果对研制的喷嘴进行了破岩试验和流场仿真。分析结果表明:收缩段长度为15 mm的等变速型喷嘴具有较高的加速能力和能量转换效率;研制的喷嘴可应用于粒子冲击钻井破岩工艺。所得结论可为粒子射流冲击破岩装置的现场应用提供参考。     

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。     

非淹没自由旋转射流流场数值模拟

对非淹没旋转射流外流流场的模拟结果显示,非淹没自由旋转射流流场中速度衰减比较慢,旋转射流由于有切向速度导致射流受到离心力的作用而发散使得打击面积比较大,且具有切向打击作用;而旋转射流卷吸作用强更加有利于空气的混合,使射流中产生空泡.当打在物体表面时,则会产生类似空化射流的效果,这些显著特点使得非淹没自由旋转射流的清洗效率高于其他形式的射流.     

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。     

超临界CO2钻井水平井段携岩能力数值模拟

超临界CO2流体的密度较大,与液体接近;其黏度较低,接近干气体.为了研究水平段钻井过程中超临界CO2的携岩能力;建立了描述超临界CO2流体在水平偏心环空中携带岩屑过程的数学模型,同时根据水平偏心环空的特点建立了物理模型.利用CFD数值模拟软件,对不同黏度、不同密度超临界CO2流体在水平井段的携岩规律进行了模拟.计算结果...     

岩性对旋转射流破岩成孔影响规律的研究

在研究旋转射流结构特性及流动特性的基础上,分析了岩性对旋转射流破岩钻孔的影响规律,同时进行了旋转射流与普通圆射流破岩效果的对比试验,为旋转射流合理地应用于径向水平钻井中奠定了理论基础.     

旋转射流冲蚀天然气水合物试验及数值模拟研究

为探究适合南海天然气水合物特点的高效开发模式,对比分析了淹没围压条件下锥形射流和旋转射流冲蚀天然气水合物沉积物的成孔规律。首先,利用 LS-DYNA软件,建立了旋转/锥形射流冲蚀天然气水合物沉积物的拉格朗日–欧拉（ALE）流固耦合模型,分析了淹没、围压条件对旋转/锥形射流冲蚀天然气水合物沉积物效率的影响;然后,利用自主设计研制的天然气水合物生成及射流冲蚀可视试验装置,进行了天然气水合物沉积物生成及冲蚀试验,天然气水合物二次生成后,在冲蚀坑中注石膏,测量冲蚀孔孔深及孔径。对比分析数值模拟和室内试验结果发现:围压在增强天然气水合物沉积物强度的同时,抑制了射流扩散能力,降低了射流冲蚀天然气水合物沉积物的效率;在无围压和围压5 MPa条件下,旋转射流冲蚀天然气水合物沉积物体积分别是锥形射流的1.8和1.7倍。研究结果表明,对于泥质粉砂储层天然气水合物沉积物,旋转射流在保证冲蚀孔孔深的同时,具有比锥形射流更强的扩孔能力,这为固态流化法开采天然气水合物提供了依据。      

旋转磨料射流破岩钻孔试验研究

针对径向水平井钻井技术中旋转水射流在硬地层和深井中破岩能力低的不足,利用磨料射流破岩能力强的优势,对旋转磨料射流进行了试验研究。结果表明,旋转磨料射流破岩具有钻孔直径大和破岩效率高的双重优点,并随泵压增加,钻孔直径也增加。与非旋转磨料射流相比,同样条件下旋转磨料射流钻孔直径和破岩体积都比前者高出多倍。该试验研究为磨料旋转射流应用于径向水平钻井提供了基础     

基于SPH方法的组合射流破岩模拟研究

在利用组合射流开采页岩油气资源的过程中,射流参数的变化对组合射流破岩效果有着较大影响。为揭示参数变化对组合射流破岩能力的影响,利用光滑粒子流体动力学(SPH)方法构建组合射流冲蚀岩石的数值模型,通过模拟组合射流冲击岩体问题,并与已有结果进行对比,验证了所建模型的有效性。在此模型的基础上,研究了不同射流喷距、射流直径和射流轴向倾角下组合射流破岩的动态损伤过程。研究结果表明：随着射流喷距的增大,岩石破损坑纵截面面积先增大后减小,这说明喷距存在最佳值;射流直径的改变会直接影响岩石破损坑的形状,射流直径越大,岩石破损坑纵截面面积越大,破损坑底部的凸台越小;岩石表面破损坑径随着射流轴向倾角的增大而增大,但其纵截面面积变化较小。研究结果可为组合射流在喷射压裂作业中的应用提供理论支撑。     

气体钻井携岩关键点多相流动规律研究

气体钻井环空井径的扩大与缩小、部分泥包、变径截面等对环空流场和岩屑运移的影响很大。建立了气体钻井携岩关键点多相流动物理模型、数学模型，采用室内大型流动实验、CFD数值模拟和现场实例验证的手段，对携岩关键点进行多相流动分析发现，变径截面─钻铤与钻杆过渡点、套管井段与裸眼井段的过渡点、井径的扩大与缩小井段，钻杆某处的泥包点，这些点由于边界层分离而形成的尾涡回流区，岩屑在这些回流区容易滞留、堆积，在这些回流区容易导致携岩不畅。气体流经钻杆与钻铤交接面处，气体的压力、速度都相应减小，在此处的气体携岩动能最小，环空岩屑浓度最大。最小气量的选择应该以携岩关键点处所需的最小能量为一个参考依据。     

旋转钻头射流方式对井底流场影响的数值剖析

为研究射流方式对旋转钻头井底流场的影响,对三维、旋转、非对称布置多个喷嘴的钻头进行了多种射流方式的数值对比模拟,并进行了详细的数据分析和讨论。模拟结果表明,射流方式对漫流层厚度影响不大但对井底的清岩能力有明显影响,同角度倾斜射流产生的井底结构在计算范围内比其它射流方式要好。     

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。     

地层出水后的气体钻井携岩携水机理研究

近年来,由于气体钻井技术在某些方面有着常规钻井液钻井不可比拟的优势而在国内得以大范围地推广应用。但是,作为一项新技术,本身具有一定局限性,其实用范围尚不是完全清楚,因此,在实际应用过程中已经暴露出不少问题,地层出水后的携岩携水规律就是其中最为重要的关键技术难题之一。气体钻井过程中,地层出水将导致气体携岩规律复杂化,需要的最小注气量也会相应增加;当地层出水量继续上升时,可能会严重影响携岩效率,最终导致发生卡钻等井下复杂情况。文章对气体钻井过程中地层出水后的携岩携水基本规律和有关理论计算方法进行了研究,建立起相应的计算方法;并结合实际工程地质特征,对川西特殊复杂地区气体钻井过程中地层出水后的携岩携水规律进行计算分析,分析结果与现场施工情况基本吻合,表明文章给出的评价方法是可靠的。     

旋转磨料射流套管开窗技术研究

径向水平井套管开小窗技术是油气开发领域的一项热点技术,提出了利用旋转磨料射流进行套管开窗的思想,并针对工程需求,在淹没条件下进行了套管开窗的实验研究。结果表明,喷嘴压降的增加导致开窗深度变大,而对开窗直径基本无影响;叶片数、叶片出口角以及喷距的变大导致开窗直径变大、深度减小;喷嘴直径增大导致开窗直径与深度均变大;围压增加则导致开窗直径与深度均迅速减小;并通过实验优选出了适用于开窗作业的叶轮参数、喷嘴参数与工作参数,能够为现场应用提供一定的指导。     

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。     

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。     

旋转导向钻井PDC钻头破岩数值模拟研究

常规P DC钻头配合旋转导向工具使用时,易出现造斜率不足和稳定性差等问题,严重影响旋转导向钻井系统正常工作.为了揭示旋转导向工具配套P DC钻头关键结构参数对造斜率的影响规律,基于Ls-dyna数值模拟软件,建立了?215.9 mm PDC钻头配合推靠式旋转导向工具全尺寸破岩模型,明确了钻进过程中造斜率与钻头侧向受力的...     

径向水平井旋转磨料射流套管开窗技术研究

针对旋转磨料射流套管开窗的工程需求,进行了套管开窗室内实验。结果表明,磨料参数对开窗直径的影响很小,但对开窗深度有着较大影响。在喷嘴压降25MPa,喷嘴直径3mm,喷距21mm条件下,最优磨料体积分数应控制在 10%～15%之间,磨料粒径应控制在0.4～0.8 mm之间,铁砂的开窗效果最好,而石榴石具有最高性价比。在淹没条件下,冲蚀 14min 即可在壁厚9.17mm、139.7mm 的N80套管上开出直径35mm的圆形窗口,体现了旋转磨料射流套管开窗技术的优势。     

旋转磨料射流冲蚀套管的实验研究

针对磨料射流用于油井射孔存在的射孔直径小、深度浅的问题,利用旋转射流射孔直径大的优点,对旋转磨料射流冲蚀套管进行了实验研究。结果表明,在射流压力28MPa,喷嘴直径φ2.8mm,5－8d喷距,磨料重量17%,淹没和非淹没的条件下,冲蚀2.0-2.5min,即可将壁厚为9.17mm的φ177.8mmN80套管穿透,孔眼直径可达喷嘴直径的7倍多。