井底反向射流辅助破岩机理分析

采用有限元方法模拟分析了井底反向射流辅助破岩的机理,分析结果表明,反向射流抽汲井底流体,降低了作用于井底的压力,使得岩石易于破碎,岩屑的净化效果改善,而且抽汲作用在井底诱使流体定向流动,也强化了井底岩屑的启动,使新的岩石破坏面暴露,钻头的破岩钻进效率提高。随着反向射流速度、射流轴线速度与井底平面间夹角和喷嘴直径的增大、喷嘴数量的增多以及井眼直径的减小,反向射流对井底流体的抽汲作用逐渐增强,作用于井底负压的绝对值逐渐增大,也越有利于提高钻井速度。研究结果为实际应用提供了理论依据。     

超高压辅助钻井高压喷嘴侧倾角模拟研究

利用超高压射流在井底圆周上切割出一圆形切槽, 改变井底待破碎岩石应力状态, 辅助提高机械破岩效率, 为此, 通过建立井底流场计算域, 运用数值模拟的手段, 在 Ｋ－ε两方程数学模型基础上计算封闭的 Ｎ－Ｓ方程, 对简化的三牙轮钻头超高压淹没射流在高压喷嘴不同侧倾角情况下的井底流场进行模拟。模拟发现随着超高压喷嘴侧倾角的减小, 井底平面上高速流体的漫流速度增加, 过流面积增加, 等速核的长度增大, 直射点的最大静压力增大。分析认为超高压喷嘴侧倾角的减小有助于井底岩屑的及时清洗; 在喷射速度、 喷距、 喷嘴直径一定的情况下, 针对不同门限压力值的岩石, 存在一个最大的超高压喷嘴侧倾角角度, 侧倾角角度小于等于 ８ ° 时, 超高压射流对于大部分岩石都适用。     

装有脉冲喷嘴的PDC钻头井底流场模拟

脉冲射流具有流体脉动特性,应用在钻井作业中,能起到较常规射流更为明显的辅助破碎岩石和清洗井底岩屑的作用。运用计算流体动力学技术,采用雷诺平均Navier-Stokes方程和κ-ε湍流模型,对装有脉冲喷嘴的PDC钻头进行井底流场数值模拟,分析脉冲射流压力波动变化、脉冲射流辅助破碎井底岩石性能以及在PDC刀翼上流体湍流运动的力学性质和脉动情况。模拟结果表明,脉冲射流作用于PDC钻头,能够在一定程度上增强射流辅助破碎岩石、井底岩屑运移和PDC切屑齿的清洗、冷却效果。该项研究成果可为装有自激励振荡脉冲喷嘴的全尺寸PDC钻头进行井底流场的水力特性室内及现场试验提供一定的参考。     

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。      

新型PDC钻头井底流场数值模拟与优化

为了提高在某些硬岩和研磨性地层钻进效率,减少井底岩屑堆积,基于传统PDC（ 聚晶金刚石复合片）钻头进行了结构调整,无中心喷嘴,设置三个轴向夹角为20°的斜喷嘴孔, 改变六刀翼分布。利用数值模拟分析方法,采用SST k-ω模型,对PDC钻头射流流场特性进行研究,分别对井底、喷嘴、刀翼表面射流流速和压力梯度进行了数值分析。在此基础上,对其水利参数再次优化,并对不同参数的PDC 钻头井底流场进行分析对比。 结果表明,钻头喷嘴直径越小,直射点速度越大,越利于破岩,但水力能量过于集中,高速漫流无法充分覆盖井底,不利于清洗岩屑;轴向夹角度数在20°～30°时,钻头喷嘴轴向夹角度数变大,直射点速度变化不大,但钻头肩部涡旋减少,上返区域速度提高,有利于岩屑快速排出井底,刀翼表面不易产生泥包;当钻头喷嘴直径在24 ~ 28 mm,喷嘴轴向夹角度数在25° ~ 30°时,该PDC钻头水力情况最佳。     

喷嘴直径匹配对PDC钻头流场特性影响

在石油钻井过程中,PDC钻头利用水力射流的能量进行破岩和清岩,而中心喷嘴与外围喷嘴直径的变化将直接影响井底流场特性。文章利用三维建模和数值模拟软件,建立了PDC钻头实体模型,并将其导入数模软件,分析215.9 mm PDC钻头喷嘴直径对井底流场的影响规律。模拟结果表明,当中心喷嘴直径为12.70 mm时,外围喷嘴直径为8.74~11.13 mm能使PDC钻头井底流场最优。而当外围喷嘴直径为11.13 mm时,中心喷嘴的直径应大于或等于11.13 mm才适合PDC钻头流场。利用该研究结论,可以辅助PDC钻头设计,提高钻头水力能量的利用率进而提高机械钻速。     

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。      

超高压淹没射流井底流场特性模拟分析

超高压淹没非自由射流井底流场特性研究是超高压喷射钻头设计的关键技术之一,是延长钻头寿命、提高钻井速度、实现优快钻井的保障。目前关于高低压喷嘴联合作用下的井底流场特性的研究还不完善,文章通过建立井底流场计算域,运用数值模拟手段,在K-ε两方程数学模型基础上计算封闭的N-ε方程,对Ф15．9mm三牙轮超高压淹没射流的井底流场进行模拟。随着超高压喷嘴侧倾角从10°减小到8°,超高压射流流体上扬趋势变缓;超高压射流井底流场高低压区分区明显。分析认为超高压喷嘴射流能量大部分集中在高压喷嘴直径范围内,高低压喷嘴射流之间的相互干扰不大;超高压喷嘴射流直射井底与井壁交界处产生的流场特性有利于钻屑的运移和井底的清洗,且其产生的扩径率符合工程要求;喷嘴直径、喷射压力、喷射角度、喷距等对井底流场特性有影响。此方法为延长钻头寿命、提高钻井速度、实现优快钻井提供了保障。     

井底脉冲式不对称流场钻井工具的研制及应用

常规钻井作业中井底水力能量利用率较低,水力辅助破岩和清岩能力下降,导致井底岩屑不能及时清理而造成岩屑的重复破碎,甚至形成钻头泥包,使得钻井速度降低。鉴于此,研制了与钻头配套使用的JSXMC型井底脉冲式不对称流场钻井工具。该工具产生的脉冲射流直接通过钻头喷嘴作用于井底,在井底产生不对称流场,不仅具有降低井底压持效应、产生负压脉冲和空化辅助破岩等功能,还具有脉冲效果更强、工具长度短和辅助冲击钻井等特点,从而大幅提高机械钻速。现场应用结果表明:在钻具组合相同和钻进参数基本相同的情况下,该工具的平均机械钻速比邻井提高30%,同时还具有保护钻头的作用。该工具的研制成功可为钻井现场合理有效地利用井底的水力能量并提高机械钻速提供参考。     

基于CFD的双流道钻头井底流场数值模拟

针对高低压双流道钻头的井底流场建立了二维模型,利用CFD及有限元方法对模型进行网格划分、设置边界条件并进行计算。通过分析喷嘴压力、井底流场压力及流体速度等数据表明:增加双流道钻头高压喷嘴的射流压力,在井底形成高压喷射可以降低井底流场的静压力,能够释放地层压力,提高PDC钻头的切削破岩能力,从而提高机械钻速。     

潜孔钻头结构参数与井底流场关系研究

在勘探钻井过程中，QF-Ⅱ型潜孔钻头井底流场分布不合理，存在排屑能力差，对井壁冲蚀破坏严重等缺点，制约了该潜孔钻头在现场的应用。为此，以QF-Ⅱ型潜孔钻头为原型，充分考虑了钻头排屑槽和切削齿对井底流场的影响，建立了与实际相接近的潜孔钻头井底流场物理模型。在计算流体力学软件Fluent中将CAD模型转换为相应的CFD井底流场模型，运用k-ε两方程模型，对钻头喷嘴不同位置、不同直径、不同倾角时的井底流场进行了数值模拟研究。这些结构参数直接影响井底流场分布及流体的排屑能力，在研究中把这些参数作为钻头结构优化设计的重点，找到了钻头喷嘴不同结构参数条件下对井底流场的影响机理，为合理进行潜孔钻头的结构设计及水力设计提供了依据和校验方法。     

井底岩屑磨料脉冲射流钻井技术磨损实验研究

采用自行研制的井底岩屑磨料脉冲射流工具及模拟井筒实验装置,通过磨料脉冲射流破岩实验,研究了磨料介质(岩屑、石英砂及钢珠)、自激振荡腔内碰撞壁以及喷嘴的磨损情况。结果表明,岩屑磨料在对岩石冲击磨削的同时,其自身强度也在衰减;石英砂的尖锐棱角被磨平,颗粒变得圆滑;钢珠质量在破岩实验的0～60min内减少比较明显,在60min之后减少的幅度降低,同时,其外表面和球度也发生改变,但未见明显的裂缝等微观特征;冲蚀严重的位置位于井底岩屑磨料脉冲射流调制工具自激振荡腔内的碰撞壁、喷嘴以及流道等处。     

基于CFX的PDC钻头水力结构优化方法研究

应用CFD仿真软件CFX对PDC钻头的井底流场进行了模拟,并对该流场进行了流道流量分配及压力、速度等方面的分析,结果表明现有钻头模型水力结构存在一定的缺陷。根据PDC钻头水力结构优化原则,对现有钻头模型喷嘴的位置、喷射角度进行了调整,并将调整后的PDC钻头井底流场与原始钻头模型的井底流场进行了对比。结果表明,调整后PDC钻头的井底流场已经得到明显的改善。     

射流磨钻头流场特性及其外排屑槽影响的数值模拟

在油气田开发中,水平井钻进时携岩困难、托压严重、机械钻速慢等问题严重影响生产效益。射流磨钻头既能降低井底压差实现欠平衡提速,又能粉碎岩屑实现岩屑悬浮运移,为水平井安全高效钻井作业提供技术支撑。研究基于计算流体力学方法,建立了射流磨钻头流场的数值仿真,并采用标准k-ε双方程模型对其流场特性及其外排屑槽尺寸的影响进行了模拟研究。结果表明,无外排屑槽时射流磨钻头的降压效果最好,井底低压区和中压区呈现一降一升的趋势;井底压力沿钻头直径方向分布极不均匀,高压与低压交错出现;在开外部排屑槽的情况下,内排屑孔的总体积流量占比达100%以上,随单个外排屑槽宽度的增大,内排屑孔的总体积流量占比增加,且外排屑槽存在钻井液回流的现象,回流体积流量占比4%以内。研究结果为射流磨钻头的优化设计与应用提供理论依据。     

PDC钻头井下流动可视化实验研究与冲蚀分析

在自行开发设计的PDC井下射流实验平台上, 通过丝线法和高速摄影手段进行了PDC钻头井下流场结构的可视化实验。发现井下多股射流的流场为不稳定场, 在靠近钻头肩部的流道附近存在强烈的漩涡; 对流场的可视化研究表明破坏钻头的主要因素可能是随漩涡而冲击钻头壁面的岩屑和气相的溃灭冲蚀以及水力设计不合理而造成流道堵塞; 破坏出现的主要位置应是钻头头部多喷嘴之间的区域、喷嘴本身及其周围区域和筋板及流道的逆压力梯度区。因此, 有必要在多喷嘴射流的钻头上加设一中心喷嘴打破井下的涡结构, 以减轻对钻头中心部位的破坏。     

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。     

钻头腔内转子调制式脉冲钻井工具

研制了一种钻头腔内转子调制式脉冲钻井工具,其原理是将一个直径与钻头腔内径接近、表面加工有螺旋流道的圆柱形转子置人钻头腔内,钻井液通过螺旋流道时驱动转子旋转,随着转子的旋转,其流道内的钻井液被周 期性分配到钻头不同的喷嘴中,形成脉冲射流作用于井底。以射流轴心压力脉动的幅值和射流破岩效果为优化目标,试验确定了转子的结构参数。现场试验结果表明,所研制的工具原理正确、参数合理、结构可靠,可显著提高机械钻速,具有广阔的现场应用前景。