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。      

超高压射流破岩规律在钻头设计上的应用

超高压射流破岩的室内试验研究发现:射流压力越高破岩效果越好;最优喷距随着射流压力的升高而增大,200 MPa时最优喷距达到32.5倍喷嘴直径;150 MPa时破岩效率最高;喷嘴安装角度为12.5°时破岩效果最好。据此,对超高压PDC钻头的喷嘴布置进行了优化,认为普通喷嘴布置方式是不合理的,并优选出了最佳超高压喷嘴布置方式,这有利于提高超高压射流破岩效果。     

PDC钻头超高压射流特性与喷嘴设计

运用计算流体力学方法,对PDC钻头超高压射流流场进行数值模拟研究,并对喷嘴进行设计。结果表明,超高压喷嘴自由淹没射流符合轴对称射流性质,流场与常规射流流场结构一致,分为初始段、过渡段和基本段;超高压喷嘴自由淹没射流存在等速核,等速核长度为7.5倍喷嘴直径;超高压射流喷距设计为4倍喷嘴直径,有利于提高超高压射流破岩能力。现场试验结果表明,超高压PDC钻头配合井下增压器使用可以大幅提高机械钻速。     

星形喷嘴射流的破岩特点

在淹没和非淹没条件下对星形喷嘴射流的破岩能力进行了实验研究。结果表明，在非淹没条件下，星形喷嘴射流的破岩能力高于常规圆形喷嘴射流；在淹没条件下，当喷距小于10倍喷嘴直径时，星形喷嘴射流的破岩能力较圆形喷嘴射流弱，但是当喷距达到10～16倍喷嘴直径时，星形喷嘴射流的破岩能力明显高于圆形喷嘴射流。据此可将星形喷嘴应用于牙轮钻头，替代圆形喷嘴，以提高钻井清岩和辅助破岩效率，达到提高钻井速度的目的。     

双射流喷嘴破岩扩孔的实验研究

利用旋转射流破岩效率高、小水眼可钻出大孔的特点,并结合锥形喷嘴有效喷距较长的特点,设计了一种新型喷嘴——双射流喷嘴。室内试验结果表明,射流喷嘴外旋转角30°左右破岩效果最佳,破岩面积则随着角度增大而增大;双射流喷嘴最佳喷距约为当量直径的5～8倍;在短喷距情况下,双射流喷嘴与普通锥形喷嘴相比,破岩效果相近,但破岩面积约为1～3倍。     

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。
     

切向导入式旋流喷嘴辅助PDC钻头破岩实验

为了提高PDC钻头在研磨性地层中的机械钻速,延长使用寿命,采用室内实验和现场验证的研究方法,设计了一种切向导入式旋流喷嘴。文中对旋流喷嘴的关键结构参数进行了优化,与普通圆喷嘴进行了破岩效果对比,并将旋流喷嘴应用到PDC钻头上,进行了现场验证试验。相同条件下,非对称切向导入口喷嘴的破岩效果比对称切向导入口喷嘴的破岩效果好,当切向导入口数量为3个、角度为30°和圆锥收缩角度为20°时,旋流喷嘴的破岩效果最好。切向导入式旋流喷嘴产生的破碎坑冲蚀体积是普通圆射流的4.00~5.60倍。现场应用结果表明,旋流PDC钻头的机械钻速比普通PDC钻头提高了51%~67%,并且延长了钻头使用寿命。     

超高压射流钻头破岩实验研究

超高压水射流技术在石油工程中的应用越来越广泛,目前超高压射流联合机械破岩是提高钻井速度最具潜力和最具可行性的方法。通过室内实验和现场试验研究了淹没条件下超高压水射流破碎岩石的主要规律,探寻影响破岩效果的主要因素及其规律,为超高压射流联合机械破岩及超高压PDC钻头的进一步研究奠定了基础。研究发现,影响超高压射流破岩的主要因素有压力、喷距、喷嘴移动速度和喷射角度等,射流压力越高破岩效果越好,最优喷距随着压力的升高而增大,200 MPa时最优喷距达到32.5倍喷嘴直径。实验条件下,150 MPa时破岩效率最高,喷射角为14°破岩效果最好。根据实验结果,对钻头切削齿和喷嘴布置进行了优化,设计制造了专用设备和工具,现场试验取得了较好的效果,可进一步推广应用。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

井底围压对高压水射流的影响规律研究

随着油气资源开发的不断深入,井底围压对高压水射流的影响问题越来越突出.为了对比研究井下围压及地面模拟围压条件下高压水射流破岩性能,通过试验研究了高压水射流在井下真实围压条件与3种地面模拟条件下的破岩能力,并研究了锥形喷嘴、直旋混合喷嘴和空化射流喷嘴的破岩效率.研究结果表明:在650 m深的井底,围压约6.45 MPa,...     

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。     

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。     

叶轮式井底盘阀脉冲射流钻井工具性能分析与优化

为进一步提高钻井效率,基于井底不对称流场在清岩与辅助破岩等方面所具有的良好效果,设计了一种以小型水动力叶轮为驱动力来源的叶轮式井底盘阀脉冲射流钻井工具,并通过数值模拟及试验对水动力叶轮与该射流工具进行了优化设计。利用计算流体力学软件Pumplinx对叶轮区域进行了全工况数值模拟,通过分析内部流场的压力、速度以及湍动能的分布特性,总结了叶轮转速与阻力扭矩及轴向力之间的响应关系;通过在该射流工具进口段布置导流块、对叶片轮毂端进行光顺处理以及选取合适的叶片包角等优化措施,让叶轮进口流场得到改善的同时,提高了叶轮的水动力特性并消除了部分轴向力。模拟结果显示,初始叶轮在75 r/min转速下可克服的自然负载阻力扭矩从1.07 N·m提高到3.93 N·m。研究结果表明,所述优化方案能大幅提高叶轮式井底盘阀脉冲射流工具的脉冲性能,优化效果十分显著。      

A swirling jet from a nozzle with tangential inlets and its characteristics in breaking-up rocks

In order to apply a swirling jet to a PDC drill bit, the nozzle performance influenced by nozzle inlet geometric parameters and rock breaking tests under submerged conditions were studied. Numerical simulation was used to study the influence of the nozzle structure on the swirling intensity and nozzle discharge coefficient. Simulation results indicate that spreading angle of the swirling jet is greater than that of the non-swirling jet, and the swirling intensity of the jet is strongly influenced by the length of the nozzle body but weakly by the number of tangential inlets. Rock breaking tests were conducted to evaluate the performance of the swirling jet. It is found that the swirling jet shows a lower threshold pressure to break the rock samples and could break rock more efficiently compared with the non-swirling jet.     

旋转磨料射流破岩钻孔试验研究

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