自进式多孔射流钻头的自进机理及自进力影响规律

在径向水平井技术中,自进式射流钻头既要完成破岩钻孔的任务,又要对高压软管产生一定的向前自进力,才能达到连续向前钻进的目的。为此,以流体力学理论为基础,分析了自进式多孔射流钻头的自进机理,即射流反推力作用和反向射流降压效应。通过实验方法得到了流量、射流钻头正反流量比、正向喷距和井筒直径等参数对自进力的影响规律。结果表明:自进力随着流量的增大而近似线性关系的增大,随着射流钻头的正反流量比的增大而近似线性关系的减小;随着正向喷距的变化,自进力基本不变;自进力随着井筒直径的增大呈先增大后减小的趋势,当井筒直径为36~49mm时产生的自进力较大,当筒直径大于62mm后自进力已基本不变。在实验条件下,流量范围为0.71~0.99L/s时,射流钻头正反流量比范围为1/6~2/3,正向喷距范围为10~50mm,井筒直径为30~70mm时,射流钻头所产生的自进力范围为51.1~228.1N。该研究成果可为套管内转向径向水平井技术提供理论基础,还可为自进式多孔射流钻头结构设计提供依据。     

自进式多孔射流钻头结构设计与流场特性分析

为了防止钻头在钻进过程中由于射流喷嘴顶住井底而发生卡堵问题,设计了一种带支撑板的自进式多孔射流钻头,并将圆锥收敛型喷嘴的结构设计应用于前向中心喷嘴,使前向中心射流具有更长的等速核以及更高的破岩效率。对所设计射流钻头的内外流场进行了三维流动特性数值模拟分析,并研究了支撑板结构对喷嘴流场特性的影响规律。研究结果表明:带支撑板的自进式多孔射流钻头的井底速度云图上分布着4个圆状高速区域,其中中心区域的流体流速最大,射流流束直径最大,即采用了圆锥收敛型喷嘴结构的前向中心射流具有更高效的破岩能力;当自进式多孔射流钻头具有3支撑板结构时,钻头的前向孔眼采用1+3布局结构更为合适;当射流钻头采用支撑板结构时,并不会影响漫流对井底排屑的清洗作用。研究结果对于自进式多孔射流钻头的现场应用及进一步的优化设计具有一定的参考作用。     

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。     

水力喷射侧钻径向水平井眼延伸能力

径向水平井钻井技术的一个主要指标是水平井眼的延伸长度。根据水力喷射侧钻径向水平井技术的特点,基于流体力学、计算流体力学及射流动力学等理论,对射流钻头自进力进行了理论分析,建立了径向水平井眼极限延伸长度的计算模型,分析了摩擦因数、后向孔眼个数、后向孔眼直径、后向孔眼扩散角和流量等参数对径向水平井眼极限延伸长度的影响。结果表明:改变系统的后向孔眼个数、后向孔眼直径和流量,可以使径向水平井的极限延伸长度发生明显改变;改变后向孔眼扩散角,只能在一定范围内改变径向水平井的极限延伸长度。所建立的模型和得出的规律可以为径向水平井的施工设计及射流钻头结构优化等提供理论指导。     

基于CFD的自进式喷嘴参数优化

为了有效穿透井眼污染带，扩大泄油面积，提高油藏采收率，最终实现增产增注的目的。通过建立喷嘴三维模型，采用Fluent软件进行模拟，研究自进式喷头在不同前后喷嘴直径、前后喷嘴角度下的流场特性，利用流场中速度的分布规律结合公式计算出反冲力、破岩力、推进力的变化趋势。结果表明:随着后喷射角直径和前喷射角角度的增大，反冲力、推进力增大，破岩力减小；随着前喷射角直径和后喷射角度的增大，反冲力和推进力减小，破岩力增大。最终得到喷嘴的匹配方案，为实际生产提供了可靠依据。     

基于灰色关联度的超临界二氧化碳直旋射流参数敏感性

超临界CO2直旋射流综合了超临界CO2流体破岩门限压力低、直射流能量汇聚能力强以及旋转射流受效面积大等优势,是高效开发非常规油气资源射孔作业的新方法.通过自主设计研发的超临界CO2射流破岩系统和直旋混合射流喷嘴,基于灰色关联度的分析方法研究了射流参数和喷嘴结构参数对破岩效果的敏感性.结果表明:破岩深度的最优敏感性排序从高到低依次为射流压力、混合腔长度、叶轮中心孔直径、叶轮长度、喷射距离,随着射流压力逐渐增大破岩深度逐渐增大;随着混合腔长度的增大,破岩深度呈先增大后减小趋势;破岩孔径的最优敏感性排序从高到低依次为射流压力、叶轮中心孔直径、混合腔长度、叶轮长度、喷射距离,随着射流压力的增大,破岩直径的增大趋势逐渐减小,叶轮中心孔直径的增大会导致射流破岩直径的逐渐减小.研究结果应用到超临界CO2直旋混合射流参数的设计中,满足了现场作业中对非常规天然气储层保护性开采的高要求,实现了科学、绿色开发非常规油气资源.     

组合射流PDC钻头试验研究

为了将不同射流方式应用于PDC钻头以改变井底流场,并给钻头提供设计依据,通过数值模拟和室内试验分析了反向射流对井底流场的影响规律,并对旋转射流的破岩能力进行了评价。结果表明:PDC钻头加装反向射流喷嘴之后,钻头破岩部位压力降低,并且压降随着反向射流喷嘴距钻头底部距离的增大而减小,随反向射流流量的增大而增大,上部钻井液液柱压力对压降影响不大;在相同压降或排量下,旋转射流较普通直射流有更好的破岩能力。根据试验结论研制出了反向射流与旋转射流组合的PDC钻头,并在坨747井进行现场试验。结果表明,坨747井采用组合射流PDC钻头后,与采用普通PDC钻头的邻井相比,钻速提高40%以上。这表明,将反向射流和旋转射流组合应用于PDC钻头,可以明显提高机械钻速。      

自进式喷嘴自进能力影响因素分析

超短半径径向水平井技术是一种提高油气采收率的有效手段,自进式喷嘴的性能是其关键技术之一。本文基于多孔射流喷嘴的结构及工作原理,对其动力和阻力两方面的理论进行了分析,并基于伯努利方程和牛顿定律等理论基础,建立了多孔喷嘴自进力计算模型,最后通过实例计算分析了流量、射流钻头正反流量比及喷嘴数目对自进力的影响规律,结果表明:射流钻头自进力随着流量的增大呈近似线性增大,随着正反流量比的增大而减小,随着正向喷嘴数目增大而减小,随着反向喷嘴数目增大而增大。研究结果对自进式喷嘴结构的优化设计有一定的指导意义。     

粒子射流冲击破岩效果影响因素试验研究

为了更准确地分析粒子射流冲击破岩规律,从而有效指导粒子冲击钻井工艺参数的优选,通过粒子射流冲击破岩正交试验,确定了粒子射流各因素影响破岩效果的重要程度,然后根据单因素粒子射流冲击破岩试验,分析了粒子体积分数、粒子直径、喷射角度等主要因素对破岩效果的影响规律,并优选了粒子冲击参数。试验得出,粒子射流各因素对破岩效果的影响程度由大到小依次为喷射时间、粒子体积分数、粒子直径、喷射角度和喷距,最优粒子体积分数为2.0%,最优粒子直径为1.5 mm,最优喷射角度为15°。研究结果表明,岩石破碎孔眼深度与粒子体积分数和粒子直径均成二次函数关系,与喷射角度成四次函数关系;孔眼体积与粒子体积分数、粒子直径和喷射角度均成三次函数关系。该研究结果可为粒子冲击钻井技术的推广应用提供理论支撑。      

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。