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。     

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。     

超高压PDC钻头超高压喷嘴布置实验研究

通过实验研究与理论分析相结合,提出了超高压喷嘴布置方案。实验结果表明,在射流压力低于150MPa时,随着射流压力升高,单位功率下的岩石冲蚀体积迅速增大,但当射流压力达到150MPa并进一步升高时,单位功率下的岩石冲蚀体积略有下降,150MPa时破岩效率最高;超高压喷嘴按前进的方式移动,破岩效果最佳;喷嘴移动速度小于2.9mm/s时对岩石的冲蚀效果影响不大,超过此值后,冲蚀效果明显降低。从实验结果可以看出,喷嘴在钻头上的布置直接影响破岩效果。     

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。     

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。     

淹没条件下锥形喷嘴射流破岩效率实验研究

喷嘴是水射流技术应用中获得高能量利用率的关键因素之一,其性能直接影响到射流的质量。用入口为圆锥形的带有喷嘴套的喷嘴产生的淹没射流冲蚀砂岩的实验证明射流破碎岩石存在两个最优喷距,且第二个最优喷距破碎岩石体积较大;锥形喷嘴入口角为30°破岩效果最佳;喷嘴套为扩展型最佳。     

常压下淹没自激空化喷嘴的试验研究

本文概述了自激空化射流的原理和自激喷嘴的设计方法;并在常压下进行了淹没自激空化水射流冲蚀人造岩芯的试验研究。重点研究了风琴管喷嘴的腔室底部形状、出口喉部厚度和出口扩散角对射流冲蚀性能的影响,得出了有规律性的结果。同时在不同泵压、不同喷距的条件下对所设计的喷嘴射流轴心压力脉动作了测量。结果表明,风琴管喷嘴的射流压力脉动大于锥形喷嘴的射流压力脉动,且压力脉动的规律和破岩规律有密切的关系。     

基于神经网络的高压水射流冲蚀破碎预测模型的研究

在室内高压水射流冲蚀破岩试验结果的基础上，利用人工神经网络的基本特征．建立了高压水射流冲蚀破碎体积与射流压力、围压和喷距之间的数学模型，将其用人工神经网络的连接权值矩阵和节点阈值向量分布式表达出来，并应用人工神经网络进行了射流冲蚀破碎预测，预测结果与试验结果十分吻合，说明应用人工神经网络所建立的描述高压水射流冲蚀破碎体积与射流压力、围压、喷距之间关系的模型是可靠的。     

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。     

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。     

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。     

自进式高压水射流破岩数值模拟分析

针对应用于开发低渗透性、裂缝性和薄储层等油气藏的高压水射流技术,基于推导的水射流破岩的临界速度,设计了一种用于油田井下破岩的自进式高压水射流喷头,并应用湍流模型对喷头内部的水射流流场进行数值模拟分析,应用动力学模型对水射流破岩过程进行数值模拟分析。结果表明,入口压力30MPa时,喷头产生的水射流达到了破岩所需速度,能够实现破岩,并且破岩产生的破碎坑的内切圆直径大于喷头的最大外径,可实现自进式破岩,而且破岩过程中水射流速度是"脉动下降"的。这也说明所设计的喷头用于破岩是可行的,这种设计方法、建模方法和数值模拟方法在分析高压水射流破岩方面是可行的。     

井下增压装置提高钻速机理与适用性

利用井 下增压装置产生高压射流辅助钻头机械破岩是提高机械钻速的有效手段之一,现有井下增压装置可分为利用钻井液水力能量和钻柱振动能量2种增压方式。针对不同地层对井下增压装置输出压力要求和不同增压方式适用井深条件等问题,通过数值模拟和现场试验分析等手段,研究了地层岩石力学参数对增压射流破岩的压力要求,探讨了2种井下增压方式的适用条件。结果表明,在地层岩石的摩擦角为20°~50°、内聚力小于60 MPa、当井下增压装置输出射流压力达到100 MPa以上、喷距不超过10倍当量喷嘴直径时,增压射流具备直接破岩能力。钻柱减振增压集钻柱减振和井底钻井液增压为一体设计新思路,装 置活动部件少,受井深、钻井液性能参数等影响小,井下最长工作时间已达230 h以上,比利用钻井液水力能量的增压方式具有更宽的适用范围。     

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,...     

射流式水力降压实验研究

采用研制的射流式水力降压模拟工具及其相应的试验台架,对一种在常规钻井方式下有效降低井底压力的射流式水力降压方式进行了实验研究。着重研究了工具喷嘴直径、排量及安装位置距钻头距离对降压效果的影响。研究得出如下结论:(1)射流式水力降压工具的降压效果随排量的增加而增加,在排量为9 L/s,工具距钻头距离L=0,喷嘴直径N=2.5 mm情况下,井底环空产生最大压差为0.45 MPa,当L=6 m,N=3.5 mm,工具吸入口处产生最大压差0.58MPa,该处压差平均降低17.74%;(2)工具降压效果与工具安装位置及喷嘴尺寸选择有关,工具安装在近钻头处,降压效果最明显,过于远离井底,降压效果波及不到井底,L>2 m时对井底环空压降趋近于0;(3)射流式水力降压工具可以有效地解决窄密度窗口地层的涌、漏等故障。     

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。      

射流式水力降压钻井机理与参数研究

窄密度窗口是钻井工程设计中的一个难点。为解决这一问题，提出了一种射流式水力降压原理，利用高速射流产生 的抽吸力降低井底压力（循环当量密度），并介绍了工具设计的基本思路。射流式水力降压工具由主副流道组成，副流道流体 在喷嘴处的高速低压区对环空产生抽吸作用。通过计算，降压效果随无量纲面积比、排量和喷嘴直径的增大而增大，随钻井速 度的增大而降低。在分流量5%、钻井液密度1.25 g/cm3 时，最大能降低井底压力1.5 MPa。该研究为射流式水力降压钻井应用 打下了基础。