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。     

旋转钻头井底流场的初步数值研究

将三维、旋转、非对称多个喷嘴射流等多种因素全面考虑 ,对旋转钻头井底流场进行了数值模拟 ,并详细分析了井底和钻头间各面上的数据 ,指出井底流场的拓扑结构与单喷嘴旋转射流产生的结构很相近 ;喷嘴倾斜射流能更好地加强井底流体的携带能力 ,有利于清除滞流或回流 ;按本文布置的非对称分布的 4个喷嘴射流相对于对称喷嘴射流 ,能明显改善井底流动 ,对钻头设计有直接指导意义。     

非对称多喷嘴平底钻头井底三维流场数值模拟

全面考虑三维、旋转、非对称多个喷嘴射流等多种因素,对垂直和倾斜射流分别进行了数值模拟,并详细分析了井底和钻头间各面上的数据。布置了非对称分布的4个喷嘴射流,明显地改善了井底流动状况。喷嘴倾斜射流能更好地加强井底流体的携带能力,彻底清除滞流或回流。但须注意在钻头表面上布齿时要避开涡,以减少流体对齿的冲蚀.     

非对称多喷嘴平底钻头井底三维流场数值模拟

全面考虑三维、旋转、非对称多个喷嘴射流等多种因素,对垂直和倾斜射流分别进行了数值模拟,并详细分析了井底和钻头间各面上的数据。布置了非对称分布的4个喷嘴射流,明显地改善了井底流动状况。喷嘴倾斜射流能更好地加强井底流体的携带能力,彻底清除滞流或回流。但须注意在钻头表面上布齿时要避开涡,以减少流体对齿的冲蚀.     

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从钻井泵经过钻柱内部输送到钻头喷嘴的流体是瞬态流动，存在着压力行波，使从普通喷嘴射出的流体有一定程度的脉动。当这种流体经过自激振荡喷嘴轴对称空腔后，初始振荡的频率与腔内扰动波的频率相接近时，整个流体的振荡被迭加、放大，最后在腔室出口处产生被调制了的振荡射流。文章按波动理论原理，建立自激振荡射流腔室内流体压力和速度的数学模型，并采用接近钻头实际喷嘴直径和增大喷嘴金尺寸，进行扩大振荡腔室的射流实验研究。     

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。     

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。      

切向注入式旋转射流喷嘴携岩能力研究

鉴于优化井底水力特性能有效地提高钻头破岩钻进速度的认识,提出了将旋转射流引入到钻头的技术设想,并设计了切向注入式旋转射流喷嘴。基于较少假设,采用标准k-ε模型,对切向注入式旋转射流喷嘴流场进行了数值模拟研究,并以射流冲砂携岩试验进行了验证。研究结果表明,切向注入式旋转射流喷嘴的携岩能力优于直射流喷嘴;切向注入式旋转射流喷嘴存在最佳携岩喷距和切向注入孔个数,该实验中最佳喷距为5～8L／d,最佳切入孔个数为3个。研究结果为钻头的设计和使用提供了依据。
     

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。      

新式双射流喷嘴

ProDril服务有限公司开发出一种新式专有水力学技术──双射流喷嘴，它采用了一个两股射流的组件。其外部液流路径产生快速旋转液流，并依次在旋转液流内产生一个低压区。轴线射流液流进入这个低压柱，产生一个组合射流，可以有效地利用钻杆内的静水头部分，提高通过轴向射流孔的压降，以较高的轴向速度在钻头上产生较高的马力。与普通喷嘴相当的总液流面积相比，这些喷嘴可提高钻头马力30％～80％，对地层产生较高的冲击力。这种两股射流组合吸入和利用了更多的周围液流来搅动和稀释岩屑，以便从钻头上带走岩屑。两个独立的液流提供了较大…     

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。     

E—138烟气轮机节能技术探讨

介绍了中石化股份有限公司高桥分公司炼油厂3号重油催化裂化装置的E—138烟气轮机(简称烟机)的实际运行状况,阐述了烟机运行在烟气能量回收中的作用及影响烟机运行质量的几个因素。针对这些因素采取相应的措施：改善烟机用冷却蒸汽品质、提高蒸汽过热度;消除烟机轮盘催化剂堆积;严格控制和定期检测烟气固体含量;提高临界喷嘴运行的可靠性;加强烟机运行状态的监测,获得较明显节能效果。但在硬件配置上还存在一些问题。     

旋转喷头射流工具水力参数优化及结构参数优选

旋转喷头射流工具能产生高速射流，并且在射流反冲力作用下推动喷头旋转，形成复杂的旋转射流，可实现油管和套管高效清洗。以7 000 m井深条件下?73 mm油管为例，设计了与?44.5 mm连续管配套的?54 mm系列旋转喷头射流工具，开展了旋转喷头射流工具水力参数优化，并利用计算流体力学方法对工具结构参数进行优选。研究表明:当排量为270 L/min时旋转喷头射流工具的射流速度约为170 m/s，系统总压耗约为42 MPa，可以满足清洗要求；随着侧向喷嘴偏移半径增加，侧向喷嘴产生的反冲击力矩近似线性增加，其对壁面冲击压力先降低后升高；随着倾斜角度的增加，倾斜喷嘴对油管内壁冲击压力增加；转速在60~360 r/min内，倾斜喷嘴对壁面冲击压力变化不大；最优的结构参数组合为侧向喷嘴偏移半径12 mm、倾斜喷嘴倾斜角度75°、前倾喷嘴角度15°。该研究可为旋转喷头射流工具现场施工和参数优化提供指导。     

牙轮-PDC复合钻头井底流场CFD模拟研究

牙轮-PDC复合钻头是对硬地层采用碾压与刮切相结合破岩的一种新型钻头,随着其结构形式及破岩方法的改变,需要对其井底流场进行研究并提出新的水力结构设计。运用计算流体动力学理论,采用标准κ-ε模型以及封闭N-S湍流方程对某型复合钻头的井底流场进行了数值模拟计算,并分析了井底压力及流速、PDC刀翼齿面和牙轮体表面流速。研究结果表明,复合钻头设计原型的水力结构存在一定缺陷,可通过合理设计钻头体中心位置结构、调整中心喷嘴射流角度以及调整2个边喷嘴的设计来加以改进。     

高压水射流PDC钻头结构参数数值模拟研究

以中硬细砂岩为岩石材料,应用动态有限元法对高压水射流PDC钻头参数做了数值模拟研究。得出如下结论:(1)高压射流入射角对不同岩层存在最优值,对于中硬地层细砂岩最优入射角为40°;(2)PDC钻头钻进中钻齿所受扭矩随作用半径增大成指数规律增长,在硬地层钻进钻齿前倾角为-15°时破岩效果最佳;(3)采用直径1.8mm的高压小喷嘴射流能显著改善PDC钻头钻齿受力,避免钻齿冲击破坏,延长钻头寿命;(4)高压水射流与机械齿联合破岩时,喷嘴与钻齿相对位置对破岩效果有显著影响,喷嘴处于钻头外锥时,可均化钻齿受力,提高破岩效率。     

淹没条件下星形喷嘴射流流动特点的实验研究

对近期清洗行业出现的星形喷嘴射流进行了淹没条件下的实验研究。利用粒子成像速度场仪对星形喷嘴射流的速度场进行了测量,分析了星形喷嘴的射流衰减机理。实验发现,星形喷嘴射流与普通圆射流相比,其射流初始段较短,但基本段内速度随喷距衰减的速率较低。在7倍于喷嘴直径的喷距以内,星形喷嘴射流的速度低于圆射流速度。随着喷距的进一步增加,星形喷嘴射流的速度高于圆射流速度。在10～12倍于喷嘴直径的喷距范围内,星形喷嘴射流的最大速度和最大动压力分别提高了约20%和44%。该项研究为星形喷嘴射流在石油钻井工程中的应用提供了依据。     

煤层气水平井扇形磨料射流造穴喷嘴结构设计

现有煤层气开发直井采用水力造穴方式不能确定造穴的几何尺寸和形态,采用机械造穴方式刀杆容易变形、易使工具落入井内,水力-机械复合造穴技术操作复杂、成本高。为此,提出煤层气水平井扇形磨料射流喷射造穴的新思路。采用室内试验和数值模拟相结合的方法,优选和优化了扇形喷嘴的几何结构参数,分析了磨料颗粒在流场中的运动轨迹及加速特性,探索了射流参数和磨料参数对颗粒运动速度的影响规律。研究结果表明:椭圆形出口的扇形喷嘴适用于煤层气水平井喷射造穴;扇形磨料射流的颗粒加速区域主要集中在喷嘴收缩段和射流等速核区域内;流体的速度矢量场特征和磨料的运动轨迹特性表明,喷射造穴的主要作用机理是切割煤体的同时冲击破碎煤块;优化布置不同喷射角度的扇形喷嘴组合、提高喷嘴压降及合理控制砂比,可收到“网格式”切割破碎煤岩的效果,从而达到大范围应力释放的目的。所得结论可为煤层气水平井喷射造穴提供理论基础和设计参考。     

粒子冲击钻井钻头喷嘴流场数值模拟研究

为了考察粒子冲击钻井过程中,粒子流经钻头喷嘴的加速过程和流场分布规律,应用Fluent对粒子进入喷嘴后的流动进行数值模拟研究。运用标准κ-ε双方程模型,对双锥度喷嘴粒子射流流场进行仿真模拟,分析了射流压力、围压、粒子直径和粒子质量浓度等因素对粒子射流流场的影响。结果表明,粒子射流加速主要发生在喷嘴收缩段,在等速核前缘速度达到最大。粒子喷射速度和单位时间内通过喷嘴的粒子动能随射流压力增大而增加;粒子浓度越大,单位时间内通过喷嘴的粒子动能越大,破岩效率升高,但粒子浓度过大会导致其流动性差,反而不利于破岩。因此,粒子浓度对其冲击破岩效率的影响主要取决于破岩过程中哪种因素起主要作用。     

牙轮钻头球轴承设计应考虑的两个问题

为保证钻头轴承设计更加可靠,在球轴承设计中,应考虑球轴承的工作状态对整个钻头轴承系统的影响和轴承系统在使用过程中的磨损量对球轴承工作状态的影响。由于球轴承工作状态不同,正确设计和确定轴承结构参数与游隙至关重要。游隙过小或过大都将影响轴承系统的正常工作。据此,应先进行球轴承无游隙设计计算,然后通过对无游隙计算值的修正,来保证球轴承游隙既能满足轴承系统对间隙的要求,同时消除轴承系统磨损量造成的不利影响,又使游隙的最大值尽可能小,以防轴承内部的碰撞冲击导致轴承的损坏。为此给出了相关的算式和算例。