自激振荡式旋转冲击钻井工具水力元件性能分析与优化

基于提高水力能量的利用效率可有效提高钻速的认识,提出了自激振荡式旋转冲击钻井方法。采用大涡模拟的方法分析了自激振荡式旋转冲击钻井工具水力元件的工作机制。采用正交试验方案设计法,对水力元件的结构参数进行了数值模拟优化,并据优化结果研制了自激振荡式旋转冲击钻井工具。现场试验结果显示,优化后的自激振荡式旋转冲击钻井工具的提速效果明显优于优化前,表明所采用的分析和优化方法正确可行。研究结果为自激振荡式旋转冲击钻井技术的发展提供了依据。     

用于软硬交互地层钻进的孕镶钻头

孕镶钻头通常仅用于坚硬、研磨性砂岩地层 ,而PDC钻头则用于相对软且非研磨性地层。在软硬交互地层钻时时 ,无论三牙轮钻头还是PDC钻头 ,钻井机械钻速和钻头寿命均不理想。休斯克里斯坦森公司研制的HedgeHog金刚石孕镶钻头在软硬交互地层钻进时取得了非常好的效果     

脉冲射流破岩规律的数值试验

利用非线性动力有限元方法和岩石的动态损伤模型,系统研究了脉冲射流的速度、长度、频率以及脉冲的数量等参数对破岩效果的影响,并用试验进行了验证。研究结果表明,脉冲射流的速度、长度和脉冲数量增大时,岩石的破碎效率迅速增大;射流的破岩效果随脉冲频率的增大,呈现先增大后减小的趋势,存在一个最优频率范围。在此基础上分析了脉冲射流的破岩机理,所得结论为脉冲射流的设计提供了依据。     

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。
     

脉冲水射流破岩的数值模拟研究

根据连续介质力学理论，导出了脉冲水射流破岩系统的控制方程。并运用瞬时最小势能原理，建立了脉冲水射流破岩的有限元基本列式和离散方程。数值计算的结果较为真实地反映了脉冲射流破岩过程中岩石的动态响应的演化过程，揭示了射流破岩过程中的机理。所得结论与相关试验规律吻合良好，探索了一种研究水射流破岩规律的有效方法，对脉冲水射流破岩的深入研究和应用具有重要的意义。     

轴扭复合冲击工具的研制与应用

为提高PDC钻头破岩效率并减小钻具的粘滑振动,研制了一种轴扭复合冲击工具。该工具以自激振荡脉冲射流为能量来源,通过螺旋面结构将轴向冲击力转换为轴扭复合冲击力进行破岩,具有结构简单和轴向、扭向冲击力同步作用的特点。现场应用结果表明:与常规钻具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了95.2%～193.8%,单只钻头进尺增加了46.4%～229.2%;与螺杆钻具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了71.0%;与轴向冲击工具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了66.3%,单只钻头进尺增加了194.0%;与扭向冲击工具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了30.2%～46.8%,单只钻头进尺增加了17.2%～191.8%。研究表明,轴扭复合冲击工具可以提高破岩效率,减小硬地层的粘滑振动,破岩提速效果显著,具有推广应用价值。      

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。     

超宽带双脊魔T的研制

优化设计并研制了由渐变双脊波导、匹配块、销钉等构成的双脊波导魔T,在18GHz～40GHz范围内实现了功率等分,E、H臂隔离度低于-30 dB,驻波系数小于1.7,等分臂功率差值小于0.2 dB.该超宽带双脊波导魔T具有用于雷达、电子对抗系统、超宽带接收系统等的实用价值,可促进整机小型化发展、提高系统性能.     

多维冲击提高PDC钻头破岩效率的机理研究

在一维冲击辅助破岩技术基础上发展出了更加高效的多维冲击破岩技术,但相应的破岩机理研究却不够深入。为揭示多维冲击提高PDC钻头破岩效率的机理,建立了冲击-切削破岩分析模型,模型将一维和多维冲击作用视为不同角度的单齿冲击问题,通过有限单元法探讨了轴向、扭向和多维冲击作用下岩石的损伤演化和岩屑形成过程,并进一步计算和分析了冲击角度范围为0°~90°的破岩比功,通过现场试验对模拟结果进行了验证。结果表明:一维与多维冲击的岩石破碎机理不同,多维冲击破岩过程同时受到挤压和剪切裂纹的影响;不同冲击速度矢量存在不同的最优冲击角度使破岩比功最低;多维冲击器提速幅度高于一维冲击钻井工具;研究结果有助于传统冲击钻井工具与结构优化的技术升级。     

Dynamical analysis of high-pressure supercritical carbon dioxide jet in well drilling

This paper presents the design of an experimental setup and mathematical and physical models to determine the dynamical characteristics of the high-pressure supercritical carbon dioxide (SC-CO2) jet with a highly potential applications in the well drilling. The effects of three major factors on the wellbore dynamical characteristics of the high-pressure SC-CO2 jet, i.e., the nozzle diameter, the standoff distance and the jet pressure are determined. It is indicated that the pressure of CO2 reduces severely in the SC-CO2 jet impact process. It is also found that the bottom-hole pressure and the temperature increase as the nozzle diameter increases but decrease with the increase of the standoff distance. The higher the jet pressure at the wellbore inlet is, the higher the pressure and the lower the temperature at the bottom-hole will be.