连续管多孔喷嘴射流工具研制与清洗参数优化

连续管尺寸与喷嘴射流参数、泵车参数不匹配导致清洗效果较差，针对该问题，模拟了连续管、喷嘴组合及泵车水力参数的匹配关系，通过试验分析了射流速度、喷嘴直径、喷嘴数量、移动速度和除垢剂对油管清洗效果的影响，基于分析结果研制了新型多孔喷射清洗工具，并进行了清洗参数优化。研究表明，在管柱安全和管内空间允许的条件下，选择大尺寸连续管，可降低管内摩阻和提高流体返出速度；针对井深不超过3 000 m的井?73.0 mm油管除垢，选用?50.8 mm连续管，柱塞直径114.3 mm、泵冲90/min、功率580 kW的泵车，可获得最优施工排量。针对七个泉油田油管除垢，采用清水+5%盐酸+1%除垢剂，射流除垢工具安装5个?3.5 mm喷嘴，施工排量550～600 L/min，移动速度为5 m/min时，除垢效果较好。连续管射流除垢技术具有安全、环保、无污染等特点，应用前景广阔。     

大尺寸旋转水射流解堵工具的研制及特性测试

目前的自振空化旋转水射流井下解堵装置的最大使用井眼直径仅为178.0 mm,不满足现场使用要求;喷头的旋转速度随排量和驱动压力的增大而线性增大,大排量和高压条件下喷头旋转速度过快,易导致射流雾化。为此,设计了一种适用于244.5 mm井筒的大尺寸旋转水射流解堵工具,并通过地面试验研究了工具的旋转特性和冲击压力特性。该工具结构简单,易于机加工,既可用于水力解堵,也可用于酸洗解堵,喷嘴数量可根据地面设备情况自由组合。试验结果表明,在泵压一定的情况下,随着喷距的增大,射流冲击压力逐渐减弱,在所试验的驱动压力下,射流处理深度可达700 mm;在相同的驱动压力下,径向解堵喷嘴使喷头旋转速度降低,有利于延长径向喷嘴清洗炮眼的作用时间,增强处理效果。     

连续管旋转射流油管除垢技术研究和应用

为了对油套管内壁进行全方位的清洗除垢,同时克服射流清洗除垢方式的不足,提出了连续管旋转射流除垢技术。该技术通过减少喷嘴数量和降低排量,提高喷嘴的射流速度,利用喷射反力和旋转接头使喷嘴旋转对油管内壁实施全方位除垢。旋转射流工具包括限速旋转接头和喷嘴,对喷嘴流道和射流流体进行了优化,通过地面试验对限速旋转喷射工具的性能和参数选择的合理性进行了验证,同时对该技术进行了现场应用。地面试验结果表明,油管除垢的喷嘴射流速度要在150 m/s以上,这样才能完全清除油套管内壁的杂质,达到恢复井筒通径的目的。     

水平井旋转射流冲砂洗井水力参数设计方法

水平井旋转射流冲砂洗井,是通过旋转射流清洗工具在井筒内产生射流冲击作用和环空旋流效应来洗井,不仅能有效解决油田冲砂作业中存在的砂卡问题,还能在一定程度上解除井筒近井地带的污染,降低表皮系数。但是,目前国内冲砂洗井的各种水力参数往往是根据直井冲砂经验确定的,喷嘴也没有经过专门设计,没有形成完善的工艺,给现场应用带来了很大困难。从水平井旋转射流冲砂洗井机理入手,建立了水力参数优化设计方法:首先计算出水平井不同井段所需要的最小工作排量,再根据最小工作排量求出循环压耗、喷嘴压降和射流冲击力等参数;以最大射流冲击力为目标函数,以最小排量为起点,设一个排量基数,在最小排量基础上逐渐增加排量基数,在满足泵压和泵功率的条件下,选择最大射流冲击力下的排量为最优排量。水力参数设计方法在长庆油田元东平6井等3口井进行了现场应用。应用结果表明,设计的排量既能满足各个井段的冲砂洗井要求,又获得了最大的射流冲击力,节省了冲砂洗井作业时间,降低了作业成本,经济效益明显。      

水平井防砂管内旋转射流冲砂解堵机理与试验

随着水平井数量的增加，对水平井段防砂管进行高效的冲砂解堵日益重要。论述了一种旋转射流水平井段防砂管冲砂解堵技术。作业时用油管下入该井下装置，利用作业机带动油管上下移动，由于喷头可按照既定速度旋转，返回流体在水平段由常规的平稳轴向流动变为旋转流动，既可实现对防砂管的全方位解堵，又能避免砂粒沉积；高效喷嘴产生的射流直接对着防砂管冲击，能量集中；工作介质为清水（或注气水），不会对地层带来二次污染。现场应用了4口井，成功率100％，具有良好的经济和社会效益。     

随钻堵漏工具旋流喷嘴优化设计及应用

随钻堵漏工具利用射流对井壁合理的冲击作用,使堵漏钻井液能够迅速进入漏层,在井壁形成低渗、承压能力较高的泥饼,达到防漏堵漏的目的。在分析随钻堵漏工具工作原理的基础上,设计了随钻堵漏工具旋流喷嘴,并利用COMSOL软件分析了其叶片数、喷嘴出口直径、喷嘴安装角度等结构参数对侧向旋转射流的影响规律。根据分析结果,三叶片叶轮、喷嘴出口直径7~8 mm、安装角度为0°时形成的旋转射流效果最优。大港滨海区块2口井的现场试验表明,随钻堵漏工具可大大提高堵漏地层的承压能力,防漏堵漏效果明显提高。     

高压水射流清洗油管旋转喷头的设计及应用

针对目前现场使用高压水射流技术清洗油管存在的问题,结合设计理论,研制出一种新型旋转喷头。该喷头由上部套体、心轴、下部套体、轴承、喷头体和喷嘴等组成,内部设有间隙密封和阻尼限速机构;喷头可在30~80 MPa压力下工作,转速稳定在140~300 r/min,可方便地清洗固定油管的内壁。前后3批清洗4.78万m油管的试验应用表明,旋转喷头清洗效果好,效率高,工作状况稳定,满足油管清洗作业线的需要。     

基于旋转射流的侧向水力工具在大位移井中的应用

利用侧向水力工具的旋转射流冲击沉积的岩屑床破坏其"稳定"状态,并对井底流场进行扰动,增大环空内泥浆的紊流度,可以达到增强环空钻井液携岩能力的目的。在K-ε方程数学模型的基础上模拟计算了使用侧向水力工具旋转射流时的流场,得出了其流场速度分布矢量图;模拟结果表明,旋转射流的冲击作用明显;在实际环空返速下,侧向射流受到的干扰较小,与理论分析结果偏差不大;而最好的喷射角度为与环空返速呈75°。     

旋转射流联合沉砂筒解堵工艺关键参数研究

部分油气井因井漏失返而无法建立全井循环,传统解堵工艺难以解决此类油气井的堵塞,为此开展了旋转射流联合沉砂筒解堵工艺研究.旋转射流联合沉砂筒解堵工艺是利用油管将高压水输送至旋转喷头形成旋转射流,破碎井底堵塞物,堵塞物被上返液运送至一定高度,在环空液柱升高漏失量增大或停泵等因素影响下,堵塞物沉积在旋转喷头上方的沉砂筒内,随着沉砂筒起出带至地面.利用固液两相流体力学对堵塞物进行了受力分析,推导出不同类型的堵塞物上返所需流速的计算公式,并根据力矩平衡原理推导出了旋转喷头正向喷嘴水力参数计算公式.卧51井采用旋转射流联合沉沙筒解堵工艺进行冲砂解堵,15 min冲砂进尺达9.98 m,解堵效果良好,表明该工艺可以较好地解决低压油气井堵塞的问题,为油气井解堵提供了新思路.      

径向水平井多孔自旋射流喷嘴设计及应用

为了解决目前常规射流喷嘴无法同时实现钻大孔和钻深孔的问题,设计了一种结构简单的多孔自旋射流喷嘴,并利用SIMPLEC算法对其流场进行数值模拟计算,分析了喷嘴的外流场特性,通过室内破岩实验研究了喷嘴的破岩机理,优选了喷嘴的结构参数。结果表明:多孔自旋射流喷嘴的无因次冲击区面积随定位圆半径的增大而增大,随倾斜角的增大而减小,随切向角的增大呈现出先增大后减小的规律。在倾斜角一定的条件下,切向角为16°时,无因次冲击区面积达最大值;在切向角一定的条件下,倾斜角为6°时,射流在冲击壁面形成较大的冲击区和速度较高的漫流区。定位圆半径4 mm、倾斜角6°、切向角16°的多孔自旋射流喷嘴可实现钻大直径深孔的目标,并取得了较好的现场应用效果,可作为一种新型高效的径向水平井射流喷嘴进行推广应用。     

径向钻井倾斜井底高压水射流流场分析

为了对径向钻井倾斜井底高压水射流的流场进行研究,建立了三维单喷嘴水射流井底模型,采用Fluent软件对模型的流场结构进行了数值模拟分析。分析结果表明,径向钻井高压水射流喷嘴外部流场中存在"负压效应"和"水垫现象",负压的存在有利于射流从喷嘴内部流出,水垫会对喷头的推进产生阻碍作用;当径向钻井临时井底倾斜角度为0°时,射流到达井底后沿井底壁面中心向外对称流动,但随着井底墙壁倾斜角度的增大,由于倾斜井底的引流作用,大部分流体会沿着井底倾斜的方向流动,并且沿倾斜方向的流速较大;径向钻井中,如果井底是倾斜的,则沿着井底倾斜方向的压力比井底另一侧高。     

基于CFD的输气管道射流清管器喷嘴类型优选

天然气管输过程中粉尘等污垢易附着在管内壁,导致管输效率降低,影响生产运行。应用射流清管器射流吹扫作用可有效清除管内污垢,保障流动安全。为进一步评价射流清管器不同喷嘴类型的管内壁吹扫能力,以D273 mm×10 mm的天然气管道为例,基于计算流体力学基本原理,应用Fluent软件模拟不同类型喷嘴的射流流场。基于数值计算结果,分析了不同类型喷嘴射流流速及湍流动能在下游管道中的变化规律,分析结果表明:轴心喷嘴射流轴向速度较高,但管壁处吹扫速度很低,对管内壁几乎无吹扫作用;支状喷嘴可对管道内壁进行有效冲刷,但仅能形成局部的射流吹扫;环状喷嘴对管内壁均匀吹扫且吹扫范围最大,相较于支状喷嘴,其速度分布更均匀,对管内壁附着污垢的吹扫及粉尘携带效果最佳,并有利于药剂的均匀敷设。研究结果可为射流清管器的结构优化设计提供理论依据。     

高压水射流油管清洗生产线及关键参数优化

针对传统的油管清洗方法存在工艺技术及设备落后 ,能源浪费大 ,工作环境污染严重及成本高等问题 ,开发了高压水射流油管清洗生产线。阐述了生产线的基本组成 ,并对射流距离、工作压力与流速、油管的递进速度与转速等关键参数进行了优化。新开发的清洗生产线与传统工艺相比较 ,油管清洗费用由平均 1 4 1元 /m降为 0 32元 /m ,按年清洗 12 0万m计 ,每年可节约 130 0 8万元。同时还具有工艺技术先进、能耗低及环境污染小等优点     

定向喷嘴布置对PDC钻头齿清洗能力的影响

PDC钻头齿的清洗能力对PDC钻头破岩和清岩影响很大,定向喷嘴则有利于钻头齿的清岩,研究定向喷嘴的布置具有重要意义。使用数值模拟的方法研究了定向喷嘴数量、孔径、喷速等因素对PDC钻头齿清洗效果的影响。研究结果表明,5喷嘴的PDC钻头齿清洗能力较强;钻头齿清洗能力随喷嘴孔径增大而增强;喷射角小的喷嘴射流流场不利于流体向上举升岩屑。将定向喷嘴优化并配合常规水力结构设计可以在PDC钻头预防和清除泥包方面发挥自身的优势,最终达到提高机械钻速的目的。     

催化裂化再生器树枝状气体分布器射流作用区的床层压力脉动特性

在催化裂化装置中再生器底部通常设置有树枝状气体分布器,通过分布器上的喷嘴分布气体。分布器射流区的压力信号可以很好地反应分布器的流场特性,为减小磨损进行结构改进提供理论依据。为此,在二维床实验装置上针对分布器射流区压力分布及压力脉动进行了实验研究,结果表明：分支管间床层压力沿床层轴向高度逐渐减小,随喷射角度增大而减小,随喷嘴出口气速和静床高度增大而增大,由测点以上的物料量决定,可用来判断不同操作工况;当喷射角度为0°和22.5°时,分支管间处于密相区,压力脉动先增后减,对应着气泡的产生、聚并和破碎的规律;当喷射角度为45.0°和67.5°时,分支管间由射流形成稀相区,压力脉动由气流湍流度决定,高于密相区,随喷嘴出口气速和静床高度增大而增大,可为减小分支管外部磨损提供依据;影响喷嘴射流压力脉动的因素为相邻喷嘴射流冲击和颗粒的作用,喷射角度为22.5°时的射流压力脉动存在临界气速,取决于是否受到相邻射流的冲击,可以为喷嘴射流稳定性及工业上减小分布器的内部和外部冲蚀磨损提供理论依据。     

筛管解堵工艺技术研究与应用

大港油田非注聚区细粉砂油藏采用精密复合筛管进行防砂,会遇到筛管堵塞影响油井产量的问题,常规的酸洗、冲砂作业解堵效果不明显。研发了集酸洗解堵和水射流解堵为一体的筛管解堵工艺,通过酸洗使地层堵塞物松动、脱落、溶解,通过水射流工具对筛管内壁进行有效清洗。对筛管水射流解堵工具喷嘴的自激振荡脉冲射流机理进行分析; 运用数值分析软件Fluent建立了脉冲射流解堵数值模型,采用Standard k-ε两方程湍流模型,对筛管脉冲水射流解堵过程进行了数值模拟仿真。结果显示,在泵压相同时,设计的自激振荡喷嘴较普通射流喷嘴具有更大的射流速度和冲击力。对筛管解堵施工时需要的工作液及泵注程序进行了设计。室内试验证明,所设计的水射流工具达到解堵要求。该筛管解堵技术在现场应用中取得了良好的效果。     

旋转钻头喷嘴内流体运动规律理论研究

从热力学第一定律出发,在绝对坐标系和相对坐标系下,分别分析了旋转钻头喷嘴内流体的运动规律,得出相对坐标系下喷嘴出口射流速度的计算公式。分析公式表明,喷嘴随钻头旋转时,旋转角速度、喷嘴在钻头上的位置及喷嘴内流体压差都对喷嘴射流速度有直接影响。设计钻头时要得到较高的喷嘴射流速度,应考虑增大喷嘴进出口相对钻头轴心线的距离以及提高喷嘴内部压力差。推导的公式与流体性质无关,故既适合于牛顿流体,也适合于钻井液等非牛顿流体。     

Flow structure and rock-breaking feature of the self-rotating nozzle for radial jet drilling

For improving the hole-enlarging capability, roundness and rock-breaking efficiency of the nozzle in radial jet drilling, a new structure of self-rotating nozzle was put forward. The flow structure and rock-breaking features of the self-rotating nozzle were investigated with sliding mesh model and labortary tests and also compared with the straight and the swirling integrated nozzle and multi-orifice nozzle which have been applied in radial jet drilling. The results show that the self-rotating jet is energy concentrated, has longer effective distance, better hole-enlarging capability and roundness and impacts larger circular area at the bottom of the drilling hole, compared with the other two nozzles. Forward jet flow generated from the nozzle is peak shaped, and the jet velocity attenuates slowly at the outer edge. Due to periodic rotary percussion, the pressure fluctuates periodically on rock surface, improving shear and tensile failures on the rock matrix and thereby enhancing rock-breaking efficiency. The numerical simulation results of the flow structure of the nozzle are consistent with the experiments. This study provides an innovative approach for radial jet drilling technology in the petroleum industry.     

水射流对PDC钻头齿纵向清洗力的实验研究

讨论了不同水力结构及参数下水射流对模拟ＰＤＣ钻头齿纵向清洗力的影响。通过对实验数据的多元统计分析，得出了各钻头齿受纵向清洗力随水力结构及喷速变化的关系式。结果表明，清洗力随喷速的增大而增大；要提高清洗力，应使喷嘴适当靠近并以一定的方位角和较大的倾角指向所清洗的刀翼。     

An Experimental Investigation of Hydraulic Jet Fracturing Technology with Coiled Tubing

To solve the increasingly serious problem of "many wells,but low productivity"in China,the hydraulic jetting fracturing technology with coiled tubing,as a new measure for effectively improving the production rate of individual well and enhancing oil and gas recovery,merits much attention nowadays.On the basis of study of the hydraulic jetting fracturing mechanism with coiled tubing and numerical simulation of pressure distribution inside the pores,the mechanism of pressure rise inside the pores caused by the pressure boost action within the jetting pore and the hydraulic isolation action is examined,and the influence of main parameters on the pressure distribution inside the pores is analyzed.3 kinds of operating methods of hydraulic jetting fracturing with coiled tubing are raised with the tubular diameter of coiled tubing as an important feature parameter.According to the experimental study,the fracturing mechanism and computational results of numerical simulation are both examined.It is considered that under the same pressure drop of jet nozzle,the pressure inside the pores increases with the confining pressure nearly at a linear state.When the vertical depth of the borehole is rather big and the rupture pressure of the formation is higher,it is recommended to use higher pressure drop of jet nozzle for achieving better pressure boost and hydraulic isolation effect.For the hydraulic jetting fracturing with coiled tubing,the coiled tubing with tubular diameter not less than 50.8 mm(2 in.) is usually used.