水力脉冲空化射流发生器参数优化试验研究

为优化水力脉冲空化射流发生器的参数,采用设计的试验模拟工具及相应的试验台架进行了室内试验。着重研究了叶轮叶片数量、排量对压力波动效果的影响。试验结果表明,随着排量的增加,经过水力脉冲空化射流发生器的流体平均压力增大,压力波动振幅增大;在试验条件下,排量为13.67L/s时,采用3片叶轮,平均压力为1.25MPa,产生的脉冲效果明显,压力波动振幅为1.1MPa。     

围压工况下附壁脉冲射流喷嘴性能研究

附壁脉冲射流喷嘴可用于井下切割和破岩等工艺。为分析脉冲喷嘴在深井环境下的工作性能,在30 MPa高围压条件下,对喷嘴内流场进行了数值模拟,分析了不同结构和运行参数下的射流压力脉动性能。研究结果表明:喷嘴射流脉冲频率随着反馈通道直径增大而增大,压力脉动幅值呈现先增加后下降,最大压力脉动幅值为0. 154 MPa;喷嘴射流的压力脉动幅值随着附壁夹角增大而增大,但脉冲频率先增加后基本保持稳定;随着出口直径增加,脉冲频率先基本保持不变再减小,后又基本保持不变,压力脉动幅值不断减小,最大压力脉动幅值为0. 332 MPa;雷诺数在2. 3×10~5～5. 6×10~5时,脉冲频率随雷诺数的增加呈线性增加;斯特劳哈尔数呈现略微下降趋势,但总体变化不大;附壁脉冲射流喷嘴流量与脉冲频率成正比。研究结果可为脉冲射流喷嘴的发展和现场应用提供一定的指导。     

小井眼水力脉冲射流提速研究及应用

在深井中采用小井眼钻井技术可以有效降低钻井成本,但也面临着机械钻速低以及水力参数设计困难等问题。为此,将脉冲射流钻井技术与小井眼钻井技术相结合,设计了小井眼水力脉冲射流发生器。通过数值模拟和试验分析了小井眼水力脉冲射流发生器的压耗、脉冲射流频率随排量变化的关系,同时对小井眼水力脉冲工具进行了现场试验。试验结果表明,与采用常规钻井方式的邻井相比,在钻进参数变化不大的情况下,水力脉冲射流钻井方式的机械钻速提高了15%~30%,并且钻井过程中各参数稳定,没有发生井下异常,钻具起出后,小井眼水力脉冲发生器和钻头结构完好,钻头新度在80%以上,可以继续使用。     

水力脉冲射流旋流流场数值模拟

为研究水力脉冲射流流场内旋流流场的变化特性,通过建立井底边界条件下单喷嘴脉冲射流冲击流场物理模型,对脉冲射流旋流流场进行了数值模拟研究。结果表明,非稳态旋流是脉冲射流流场的一个显著特征,对脉冲射流钻井提速起到重要作用,旋流速度和范围具有周期性变化且不随脉冲频率发生改变;在单周期内,旋流强度与脉冲射流速度变化具有一致性,旋流影响范围由前期的快速扩大到后期的缓慢扩大,一直保持增大趋势;旋流作用强于射流动能是脉冲射流产生局部脉动负压的主要原因,有利于降低压持效应;旋流流场改变钻头表面的压力分布,有利于提高钻头清洗效果。研究结果对指导脉冲射流提速技术具有一定的参考价值。     

水力喷射孔内射流增压规律数值模拟研究

水力喷射压裂过程中,高压射流会使水力射孔孔道内压力高于环空压力,形成孔内射流增压.孔内射流增压值是进行地面泵压预测和套管压力控制的基础.由于受到实验条件的限制,地面很难获得实际工况下的孔内射流增压值,因此,文章采用计算流体力学(CFD)方法,建立了二维水力喷射流场物理模型,模拟得到了实际 工况下水力喷射孔内射流增压值以及喷嘴压降、环空围压和入口面积比对孔内射流增压的影响规律.结果表明,在实际施工参数条件下,孔内射流增压值可达10.7～12.5 MPa;喷嘴压降和入口面积比是影响孔内射流增压的两个主要因素,而环空围压对孔内射流增压没有影响.     

超深井水力脉冲空化射流钻井试验研究

在分析超深井水力脉冲空化射流钻井机理的基础上,在塔里木油田中古区块的2口超深井上进行了水力脉冲空化射流钻井现场试验.试验表明:水力脉冲空化射流在不改变原有钻具组合和钻井参数的情况下可以有效提高超深井机械钻速,并且对延长钻头寿命有一定的作用;水力脉冲空化射流发生器性能稳定,使用寿命长,完全可以满足现场需要.     

页岩气井中水力脉冲空化射流钻井试验研究

为了提高页岩气钻井施工中的机械钻速、缩短钻井周期,在分析水力脉冲空化射流钻井机理及关键技术的基础上,在宣页1井中进行了多井次现场试验,并将试验井段的机械钻速与同井相邻井段进行对比。试验结果表明,在钻进地层相同、相近工况下试验井段比同井相邻井段机械钻速平均提高105.3%;水力脉冲空化射流技术可有效提高页岩气钻井施工的机械钻速。建议进行多区块、多井次现场试验,以验证水力脉冲空化射流技术在页岩气钻井施工中的适应性。     

水力脉冲空化射流与无线随钻测量技术提高钻速研究

在定向井或易井斜直井的钻井过程中,通常会使用无线随钻测量技术进行实时监测钻井参数.为了提高机械钻速,降低定向服务成本,在二连盆地首次采用水力脉冲空化射流发生器配合无线随钻测量技术和单弯螺杆(弯外壳马达)进行了两口井的现场试验.试验结果表明,无线随钻测量技术的参数测量和数据传输正常,不受水力脉冲空化射流发生器的影响,并在必要时可通过单弯螺杆定向作业有效地控制井斜角.与邻井相比,水力脉冲空化射流钻井使两口试验井的平均机械钻速分别提高25.5％、71.0％.水力脉冲空化射流钻井技术与无线随钻测量技术配合钻进有很好的适用性,减少了钻井时间,降低了定向服务成本和钻井成本,为油田效益的提高做出了贡献.     

脉冲射流水力共振系统参数优化

脉冲射流水力共振系统各参数的优化组合是提高射流功效的关键因素之一。介绍了Matlab直接搜索算法,并利用其不需要目标函数梯度信息的特点,对脉冲射流系统的6个主要参数进行了优化求解。对比优化前后的喷嘴压力峰值,结果表明:优化前,喷嘴压力幅度提高不到1%,而优化后脉冲射流水力系统喷嘴处的压力峰值提高了40.9%,脉冲射流系统性能得到了较大的改善。     

基于响应面分析的附壁脉冲射流喷嘴优化设计

为了提高附壁脉冲射流喷嘴结构的可靠性,针对某一超深油井井下附壁射流喷嘴,采用中心复合响应面设计与数值模拟方法,以反馈通道直径、附壁夹角和出口直径为优化变量,以射流的压力脉动幅值为优化目标,开展了喷嘴结构的优化设计。通过试验与数值模拟结果对比,验证了数值模拟方法的可靠性。对响应面结果的拟合回归方程、三维立体图和等高线进行了分析,分析结果表明,出口直径的变化对响应值压力脉动幅值的影响最为明显,较小的出口直径能够获得更大的压力脉动幅值。基于响应面分析结果,得到了优化的附壁脉冲射流喷嘴结构。对优化得到的附壁脉冲射流喷嘴内流场开展数值模拟分析,得到其脉动幅值为0.308 MPa,与响应面模型预测值非常接近,进一步验证了采用中心复合响应面法优化得到的附壁脉冲射流喷嘴结构的可靠性。研究方法与结果可为类似结构的优化设计提供参考。     

水力破岩最优射流压力实验研究

通过对淹没射流破岩的实验研究，得到了以比能作为目标函数的水力破岩最优射流压力条件，可用于指导现场钻井水力参数设计。     

水力脉冲空化射流钻进机理及现场应用

水力脉冲空化射流钻进是将水力脉冲与空化射流耦合的一种新型钻进方式,通过流体脉冲扰动和自振空化效应耦合,使进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动,在井底有限井段形成低压区,减小压持效应,避免重复切屑,同时改变井底岩石的受力形态,产生疲劳破坏,降低破岩荷载,提高机械钻速。对水力脉冲空化射流钻进在塔河油田超深井进行了应用分析,发现与常规钻进相同地层岩性的机械钻速对比,在砂岩及粉砂质泥岩段有很大提高,但在水敏性泥岩段不明显。总体上在塔河油田水力脉冲空化射流钻进具有较大的推广应用价值。     

塔河油田深井脉冲空化射流钻井试验研究

塔河油田深井钻井水力能量利用效率低、机械钻速低、钻井成本高,严重制约了勘探开发速度。针对该油田钻井实际情况,结合二开φ241.3 mm井眼地层、钻具组合和水力参数,利用水力脉冲空化射流钻井技术提高机械钻速。该技术配合常规钻具和复合钻井钻具组合使用,脉冲空化射流发生器耦合脉冲射流和自振空化射流,改善井底流场及岩面应力状态,提高钻速。该技术在塔河油田进行了4口井5井次的现场试验,在常规泵压、排量、钻井液密度等参数条件下试验井深达6 162 m,试验井段与邻井相近井段在相近工况下机械钻速平均提高33.3%~74.3%,单套钻具纯钻时间超过260.0 h。试验结果表明,塔河油田二开井段砂岩、泥岩等地层配合PDC钻头应用水力脉冲空化射流钻井技术,能够很好地提高机械钻速。      

高效脉冲喷嘴在喷射钻井中的实验研究

基于水声学和流体动力学原理，分析了自激振荡射流中碰撞剪切流动压力扰动波的传播速度及其对射流振荡频率的影响规律，建立了振荡腔内脉冲射流频率的数学模型，得出了声压、流体密度以及模态数是影响射流频率的关键因素。为获得更为有效的冲击压力和破岩效率,从提高脉冲射流瞬时峰值出发，研究射流频率和射流压力峰值的实际影响因素。实验采用SD150测试系统主要研究了泵压和自激振荡腔长对射流频率的影响。实验结果表明：泵压升高，射流频率增加；腔长增大,射流频率降低。另外，存在一个最佳腔长使脉冲射流压力峰值达到最大。实验结果与理论分析一致。     

水力纠偏射流压力损失理论建模与数字计算

以全新的煤层气增产技术（近水平孔水力纠偏技术）为基础，根据流体力学理论的连续性方程、伯努利方程，对其钻具设计与施工中关键的压力损失问题进行了深入探讨和分析；建立了从钻具至钻头的射流压力损失模型，并使用可视化编程软件VB6.0编写了该模型的计算程序，部分参数取值采用了精度比较高的抛物线插值法；最后通过工程实例对模型及其数字计算程序进行了验证。依据射流压力损失公式和程序进行设计计算与施工，获得了最优的水力纠偏效果。     

水力喷射径向钻井高压喷头优化设计

微井眼水力喷射径向钻井技术的关键技术高压喷头设计在国内还相对空白。为此,通过对现有喷头的参数优化,运用理论分析与实践验证的方式,结合公式计算与有限元分析,对高压喷头的结构数据进行了优化设计。对应不同的地层制作了不同参数的喷头,通过试验验证,喷头试验效果良好。高压喷头优化设计能根据不同的地层特性设计制作不同的高压喷头,在保证正常破岩钻进的基础上,尽量降低高压软管摩擦压降,使水动力最大程度作用到喷头上,保证喷头良好的作业效果。采用该优化设计方法和高压喷头可满足不同地层的钻进需要,可在更大范围内推广应用。     

水力喷射压裂技术

水力喷射压裂技术综合了水力喷射射孔、水力压裂、封隔及其流体泵入等多种技术,具有准确实现定向射孔造缝,无需封隔,降低地层污染,节省作业费用和时间等优点.中原油田水力喷射压裂技术现场应用效果明显.水力喷射器不足之处在于喷嘴耐磨性较差,使用寿命较短,在后续研发中需对喷嘴结构和耐磨性进行优化设计.