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。     

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。     

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。     

高压水射流破岩钻孔的实验研究

高压水射流很早就被证明是一种潜力巨大、高效及方便的破岩钻孔工具和方法。但单喷嘴普通射流的冲击破碎面积小,喷嘴旋转系统不可靠性,限制了它的实际应用。本文根据石油钻井技术发展的需要,用特殊方法设计出带有导向元件的喷嘴,调制出旋转射流,在室内进行了一系列实验。实验结果表明,该旋转射流可以产生足够大的冲击面积,钻出比喷嘴直径大40多倍的孔眼。其破若以剪切破碎为主,破岩效率是普通喷嘴的数10倍,破岩门限压力仅为普通射流的1/2左右。地面钻孔试验结果,证实了旋转射流具有破岩成孔能力。     

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。     

粒子射流耦合冲击破岩实验

为研究高速金属粒子和流体耦合冲击作用下岩石破碎的特性和规律,利用自主研制的粒子射流耦合冲击破岩实验装置,开展了射流速度、粒子直径与破岩效率实验,粒子体积分数与破岩效率实验,射流角度与破岩效率实验和粒子射流破岩与钻压比例关系等实验。研究表明：含有一定动能的高频粒子冲击更有利于提高破岩效率,粒子在钻井液中所占的体积分数直接反映了粒子破岩效果的好坏,实际钻井时可以利用单个粒子的冲击动能和单位岩石面积上受到粒子的冲击频率来确定粒子的掺入比例;研制粒子射流冲击钻头时,可以不采用0°入射角的射流喷嘴,而采用1个入射角为8°和3~4个入射角为20°喷嘴的组合设计,其更有利于提高粒子动能的利用率。     

自进式多孔射流钻头径向水平井钻进能力分析

自进式多孔射流钻头前、后向孔眼参数对径向水平井钻进能力具有重要的影响。通过室内破岩试验研究了多孔射流钻头前向孔眼参数对破岩效果的影响,建立了自进式多孔射流钻头射流反冲力计算模型,研究了后向孔眼参数对射流反冲力的影响。研究结果表明,在试验条件下,破岩体积随着前向孔眼扩散角的增大呈先增大后减小的趋势,随着前向孔眼直径的增大,破岩体积逐渐增大;在相同的后向孔眼当量直径下,射流反冲力与后向孔眼数量无关;随着后向孔眼直径的增大,射流反冲力先增大后减小,射流钻头压降逐渐减小;后向孔眼直径的选择要兼顾射流反冲力和射流钻头压降,以保证射流钻头的自进和破岩效果。     

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。      

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。     

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。
     

水平井脉冲内磨钻头的设计及水力建模

水平井钻进过程中往往因携岩不利、清岩不及时,低边堆积的岩屑床会导致托压、底部钻具组合黏托甚至卡钻等问题。为此,在分析岩屑床形成原因的基础上,基于赫姆霍兹振荡腔脉冲生成、射流泵和高压射流等理论,设计了一种新型水平井赫姆霍兹式脉冲内磨钻头——该钻头依靠高速脉冲射流辅助破岩、反向射流负压抽汲钻头底部钻屑以及内磨削结构减小钻屑粒径,实现了高效清岩破岩,减小压持效应,清除水平井岩屑床。进而分别建立了脉冲生成装置、高效破岩装置、反向抽汲装置的水力模型。模拟计算结果表明:①谐振最优流量随进给腔直径、反馈腔直径的增大而增大,随谐振腔直径的增大而减小,谐振最优流量与各因素近似呈线性关系;②反向抽汲装置的最优流量比随无量纲流量比先增大后减小,随无量纲面积比的增大而减小;③通过算例分析得到赫姆霍兹振荡腔固有频率为24.00 Hz,谐振最优流量为23.92 L/s,最优流量比为0.59,并经实例分析验证了水力模型的准确性。结论认为,该新型钻头为解决岩屑床的堆积问题提供了一种新的方案。     

倾斜射流破岩机理与规律分析

通过建立岩石、射流、空气的流固耦合模型,利用任意拉格朗日－欧拉算法（ＡＬＥ）,数值模拟研究了
倾斜水射流冲击下岩石的破坏过程,分析了倾斜射流的破岩机理及影响因素。研究结果表明,倾斜射流破岩的主
要形式为射流冲击所造成的卸载拉伸破坏及射流冲刷所产生的拉伸剪切破坏;随着倾斜射流入射角度的增大,破
岩体积先增大后减小,存在最佳射流入射角范围;破岩体积随喷距的增加而较小。研究结果表明倾斜射流的破岩
能力明显强于垂直射流。     

围压对射流破岩特性影响的试验研究

围压是石油工程中影响射流动力学特性的重要参数之一。应用高压井筒模拟试验装置进行了围压对常规连续射流、空化射流和磨料射流破岩效果影响的试验，最高围压达到20MPa。试验结果表明，围压对常规连续射流和空化射流破岩效果影响明显，破碎体积随围压的增大而减小，减小的速度随围压增大逐渐变缓；而对获得最大破碎体积的最优喷距影响不大，为3～5倍喷嘴直径，说明围压对射流基本结构特性影响不明显。当围压小于15MPa时，磨料射流射孔深度随围压的增大而近似呈线性减小。该试验可为射流参数的优选提供依据。     

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。     

钻头喷嘴的新发展

射流对提高的钻速、改善钻井作业经济性方面的重大作用普遍受到重视。采用喷射式钻头便是显著的例证。随对射流清洗井底和辅助破岩机理的认识不断深化,射流在井底的新型配置方案和新型射流喷嘴陆续开发了出来。若新型射流喷嘴最终能在井内实用化。继喷射钻井之后,深井钻速将再次上一个台阶。     

催化裂化再生器树枝状气体分布器射流作用区的床层压力脉动特性

在催化裂化装置中再生器底部通常设置有树枝状气体分布器,通过分布器上的喷嘴分布气体。分布器射流区的压力信号可以很好地反应分布器的流场特性,为减小磨损进行结构改进提供理论依据。为此,在二维床实验装置上针对分布器射流区压力分布及压力脉动进行了实验研究,结果表明：分支管间床层压力沿床层轴向高度逐渐减小,随喷射角度增大而减小,随喷嘴出口气速和静床高度增大而增大,由测点以上的物料量决定,可用来判断不同操作工况;当喷射角度为0°和22.5°时,分支管间处于密相区,压力脉动先增后减,对应着气泡的产生、聚并和破碎的规律;当喷射角度为45.0°和67.5°时,分支管间由射流形成稀相区,压力脉动由气流湍流度决定,高于密相区,随喷嘴出口气速和静床高度增大而增大,可为减小分支管外部磨损提供依据;影响喷嘴射流压力脉动的因素为相邻喷嘴射流冲击和颗粒的作用,喷射角度为22.5°时的射流压力脉动存在临界气速,取决于是否受到相邻射流的冲击,可以为喷嘴射流稳定性及工业上减小分布器的内部和外部冲蚀磨损提供理论依据。     

脉冲射流式液动冲击工具的研制及现场应用

目前,对于水力脉冲射流的研究主要集中在脉冲流场及其作用效果等方面,而在液动冲击与脉冲射流协同破岩方面则还是空白。为此,基于脉冲射流相关理论,将液动冲击提速与脉冲射流协同破岩有效结合起来,分析其工作原理与实现条件,研制了脉冲射流式液动冲击钻井工具,并通过室内试验和现场实验验证了该工具的破岩能力。结果表明:(1)冲击体质量小于60 kg时,该工具能够运行;(2)液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合破岩能力明显优于其他钻具组合的破岩能力,在水平钻进过程中,其提速效果更明显;(3)冲击效果由冲击体的质量和冲击频率决定,质量为30 kg的冲击体的冲击效果更好;(4)脉冲射流越大,其破岩能力越强,减小工具喷嘴的直径能够增大脉冲射流;(5)液动冲击对高硬度岩石的破碎具有更明显的加速效果,对于胶结程度较差的岩石,通过增大脉冲射流,可更大幅度地提高破岩速度。现场应用效果表明,液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合的机械钻速为2.52 m/h,较之于常规钻具组合,该工具平均提速可达72.5%。结论认为,该工具为解决深井与水平井钻进速度慢、压持效应明显与岩屑清理困难等问题提供了新的思路。     

随钻堵漏工具旋流喷嘴优化设计及应用

随钻堵漏工具利用射流对井壁合理的冲击作用,使堵漏钻井液能够迅速进入漏层,在井壁形成低渗、承压能力较高的泥饼,达到防漏堵漏的目的。在分析随钻堵漏工具工作原理的基础上,设计了随钻堵漏工具旋流喷嘴,并利用COMSOL软件分析了其叶片数、喷嘴出口直径、喷嘴安装角度等结构参数对侧向旋转射流的影响规律。根据分析结果,三叶片叶轮、喷嘴出口直径7~8 mm、安装角度为0°时形成的旋转射流效果最优。大港滨海区块2口井的现场试验表明,随钻堵漏工具可大大提高堵漏地层的承压能力,防漏堵漏效果明显提高。     

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。