Experimental Study On Rotary Abrasive Jet Drilling

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。     

煤矿巷道磨料射流泄压增透新方法初探

针对坚硬煤层纯水射流冲孔泄压破岩效率低、施工操作复杂等难题，依据磨料射流高效破岩机理和石油工程钻采工艺，提出了煤矿巷道井下磨料射流深穿透泄压增透技术和连续送进磨料射流径向钻孔泄压增透技术2种新方法，并结合理论分析和试验研究等方法探讨了工艺的可行性，通过自主搭建的高压磨料射流试验系统，开展了旋转磨料射流破岩室内试验。试验结果表明：旋转磨料射流在坚固性系数为2的煤层及顶板致密砂岩中均可高效破岩钻孔；在喷射压力为30 MPa的条件下，可形成直径为50～60 mm的孔眼，且孔壁光滑、形状规则、孔眼结构稳定；层理对煤岩的成孔特征和破坏模式影响较为显著。研究结果可为坚硬煤层水力冲孔高效泄压提供新思路。     

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.     

高分子添加剂射流破岩钻孔的试验研究

针对径向水平钻井技术的特点和水射流直接破岩钻孔的需要,试验研究了高分子聚合物添加剂聚丙烯酰胺(分子量大于1000万)对射流破岩钻孔效果的影响。试验是在常压实验架上进行的,由XZ型三柱塞泵提供动力,岩心采用灰砂比1:1.5的自制岩心。为了试验的可比性,聚丙烯酰胺溶液均一次性使用。结果表明:在合适的浓度范围内,高分子添加剂的加入有利于射流破碎岩石;高分子添加剂对旋转射流破岩效果的提高在小喷距条件下尤为突出;高分子添加剂能增大圆射流破岩的最优喷距;在小喷距范围内,添加剂旋转射流的破岩效果仍要优于圆射流。破岩效果表明,对于高分子添加剂射流存在有最优添加剂浓度。     

高压水射流理论及其在石油工程中应用研究进展

近年来新型水射流理论研究及其在石油工程中的应用进展主要包括：①自激振荡射流调制机理研究，创制了新型高效自振空化射流，发明了自激振荡射流钻头，首创了自振旋转射流处理近井地层解堵增产增注技术和自激波动注水技术。②机械及水力联合破岩理论研究，揭示了在钻井压入与旋转双向应力作用下，岩石裂纹形成和发展规律，建立了联合破岩钻头设计理论。③旋转射流理论和破岩机理研究，研制了径向水平钻井技术。①磨料射流特性和参数影响规律研究，优化了水力喷砂射孔参数设计，发展和完善了水力喷砂射孔技术。⑤高压水射液深穿透水力射孔及辅助压裂可行性研究，不仅可以提高射孔和压裂效率，而且为油田(特别是低渗透油藏)增产增注提供了一种有效方法。⑥双射流理论及其特性研究，双射流有利于形成大而深的破岩孔道，避免孔眼凸底的形成。可以提高射流破岩钻孔效率。⑦探索超高压射流辅助破岩理论及辅助钻井新方法，建立了超高压射流辅助破岩的三维PDC钻头模型。参18     

高压水射流破岩钻孔的实验研究

高压水射流很早就被证明是一种潜力巨大、高效及方便的破岩钻孔工具和方法。但单喷嘴普通射流的冲击破碎面积小,喷嘴旋转系统不可靠性,限制了它的实际应用。本文根据石油钻井技术发展的需要,用特殊方法设计出带有导向元件的喷嘴,调制出旋转射流,在室内进行了一系列实验。实验结果表明,该旋转射流可以产生足够大的冲击面积,钻出比喷嘴直径大40多倍的孔眼。其破若以剪切破碎为主,破岩效率是普通喷嘴的数10倍,破岩门限压力仅为普通射流的1/2左右。地面钻孔试验结果,证实了旋转射流具有破岩成孔能力。     

井底岩屑磨料脉冲射流室内实验研究

提高深部复杂地层机械钻速，迫切需要发展新型高效破岩钻井技术。在分析现有技术的基础上，指出发展新型复合射流钻井技术是提高深部地层石油钻探效率的一个重要途径。提出了井底岩屑磨料脉冲射流钻井的技术构想，设计了相关的工具，分析了井底岩屑磨料脉冲射流破岩、辅助破岩的机理，进行了后混合磨料脉冲射流破岩室内实验研究。结果表明:冲蚀体积随泵压增大而增加，存在破岩的最佳喷距、磨料浓度和磨料粒径；在较低浓度下，后混合磨料脉冲射流的冲蚀性能较接近于前混合磨料脉冲射流；引入外部流体后射流的动压力增大了7%，脉冲幅值提高了1.5倍。研究结果为井底岩屑磨料脉冲射流钻井工具的研制和相关技术的开发提供了依据。     

旋转水射流破岩钻孔机理研究

基于水射流破岩钻孔过程中影响因素和流固耦合作用的分析,运用连续损伤力学和细观损伤力学理论,建立了适用于水射流破岩全过程的岩石损伤模型。依据所建立的损伤模型,利用非线性动力有限元方法,对旋转水射流破岩钻孔过程的过程进行了模拟,其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。计算结果与试验一致,表明旋转射流具有较强的破岩能力,其原因是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、破岩比能低,因而旋转水射流能够钻出大直径的岩石孔眼。     

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。      

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。     

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.     

水力喷射径向水平井钻井关键技术研究

水力喷射径向水平井技术可在垂直井眼内沿径向钻出呈辐射状分布的一口或多口水平井眼,从而增大与储层的接触面积,建立高导流通道,是一种经济高效的油田挖潜和增产增注技术,其关键技术包括射流破岩钻孔能力、水力参数计算、射流钻头自进与井眼延伸能力、井眼轨迹测量与控制等。针对上述关键技术开展了深入系统的研究:分析了目前应用于径向水平井钻井的各类型射流钻头的基本原理,建立了射流破岩比能模型,通过对比分析认为旋转多孔射流钻头综合破岩效果最佳;建立了径向水平井喷射钻进系统压耗计算模型,对比分析了不同直径连续油管的循环压耗,分析了相关参数对系统压耗的影响规律,为水力参数设计提供了依据;建立了旋转多孔射流钻头自进力计算模型与径向水平井延伸极限计算模型,对比了不同作业条件下径向水平井的延伸极限,为装备优选和径向井眼设计提供了依据;探讨了微机电惯性元件测量径向井眼轨迹的方法原理,为径向井眼轨迹测量提供了一种可行的方法。该研究成果可为形成水力喷射径向水平井技术体系与推广应用奠定基础。      

超临界CO_2径向水平井钻井技术应用前景分析

超临界CO2钻井技术具有破岩门限压力低和破岩速度快等特点,并能有效控制井底压力、保护储层、提高渗透率,进而提高采收率。通过对微小井眼径向水平井钻井系统特点的分析,结合超临界CO2能够降低管内摩阻、可以注入压力以及在井底超临界CO2状态摩阻下易于在地层内前行等特点,分析了超临界CO2微小井眼径向水平井钻井技术的可行性、技术优势及应用前景。分析结果表明,微小井眼径向水平井钻井技术可使死井复活,能扩大泄油面积,提高单井油气产量,降低钻井成本;超临界CO2微小井眼径向水平井钻井技术不仅可以提高钻井速度,而且能够降低破岩所需的喷射压力,是未来钻井技术重要的发展方向。     

煤层水力自旋转射流钻头设计

高压旋转水射流技术在钻大井径、长连续孔方面具有明显优势，在煤层中钻井又具有高效、节能、钻孔大、成孔规则、破岩效率高等优点，因此在煤层气地面径向水平井技术和井下采空区钻长直井技术中广为应用。主要从理论上分析了旋转射流和射流旋转各自的流动规律、破岩过程及破岩机理，并在此基础上分析了旋转射流钻头各设计参数的取值范围，结合已有的经验值，优化设计了可控外壳旋转内导叶轮、可控中心轴旋转内导叶轮、偏置可控外壳自旋转、偏置可控中心轴自旋转等4种水力旋转式钻扩孔射流钻头。这些钻头适用于在煤层中钻孔及安全排放瓦斯气体。     

超临界二氧化碳射流中的颗粒跟随及影响因素

超临界二氧化碳射流具有破岩速度高、门限压力低等优势,加入磨料颗粒形成超临界二氧化碳磨料射流,将取得更高的冲蚀切割效率。为研究超临界二氧化碳磨料射流可行性,采用数值模拟方法,对比分析了单个颗粒在超临界二氧化碳等流体射流中的运动特征,揭示了流体温度、磨料粒径对颗粒跟随运动的影响规律。结果表明,与相同条件下在水与压裂液射流中相比,磨料颗粒在超临界二氧化碳射流中运动规律相似,但初始滑脱速度较大、跟随能力较弱,获得的喷射速度与撞击靶件壁面速度较高,表明超临界二氧化碳具有良好的颗粒携带能力;流体温度升高、磨料粒径增大均会使颗粒滑脱速度增大、削弱跟随运动效率,但同时也降低了喷嘴外流场中颗粒所受运动阻力,显著提高了喷射速度与撞击壁面速度。由此可知,对于石英、陶粒等常用磨料材质,在常规储层温度(60~140℃)与粒径范围(20~70目)内,超临界二氧化碳磨料射流可有效形成并进行高效冲蚀切割作业。     

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钻井工程作业要破碎厚达数千米厚的岩石，其破岩效率的主要影响因素是井下地层岩石性质、破岩工具和方法。文章对岩石性质进行了基本分析，进行了喷嘴射流水力冲蚀辅助破岩门限压力的实验研究。提出了在现有旋转钻井方式下，钻头的机械破岩、喷嘴射流的水力辅助破岩和降低井底压差是提高钻井破岩效率的三个重要途径。分别阐述了它们能够提高钻井速度的机理、方法、关键技术和研究方向。同时介绍了激光钻井和电热能钻井新方法的研究与发展趋势。     

射流冲击器配合PDC钻头在超深井中的应用

射流冲击器配合PDC钻头在超深井中应用可有效提高机械钻速。在简要介绍旋冲钻井破岩机理和射流冲击器的工作原理与性能特点之后,对应用于新疆塔河工区的YSC-178射流冲击器的技术参数进行了优化,选择冲击器活塞行程15 mm,冲锤质量45 kg,分流孔直径13 mm,确定冲击功193～268 J,冲击频率6～19 Hz,压耗1～3 MPa。最后对YSC-178射流冲击器在S116-3井的应用情况进行了详细分析,指出该型射流冲击器与PDC钻头配合进行超深井钻井提速是可行的,应用井例的机械钻速较邻井显著提高。     

旋转冲击破岩实验装置的设计与应用

旋转冲击钻井技术是深井、超深井钻井常用的提速措施之一。实践表明,钻压、钻头转速、冲击力与冲击频率是影响旋冲钻井破岩效率的关键参数,优选旋冲钻井参数有助于提高冲击器的破岩提速效果。设计了一种新型旋转冲击破岩实验装置,利用齿形振套的碰撞产生冲击载荷,用地质钻机带动钻头破岩。测量实验表明该装置冲击载荷受弹簧压缩量影响,冲击频率为冲击振套齿数与钻机转速的乘积,冲击过程稳定高效,冲击参数与现场多种旋冲钻井工况有较好的对应。旋冲破岩实验表明旋冲钻井技术可以显著提高钻头破岩速率;提高冲击载荷幅值,能够提高钻头破岩速率。旋冲钻井技术存在最适宜钻压,使用不同类型冲击器钻进不同地层时需要对钻压进行优选。利用该实验装置研究旋冲钻井参数对破岩速率的影响规律,有助于旋冲工具性能参数的设计和优选。