射流式脉冲短节设计及测试研究

射流式脉冲短节是射流式水力振荡器主要部件，射流式脉冲短节设计对射流式水力振荡器研制具有重要意义。文章针对射流式脉冲短节结构与工作原理，建立了活塞杆力学分析模型，推导了射流式脉冲短节动阻比公式，进行了122mm射流式脉冲短节结构参数设计室内测试。研究结果表明，活塞杆下冲程受到射流元件驱动力和节流盘负载驱动双重作用，可以稳定下行；活塞杆上冲程射流元件驱动力与节流盘负载作用力方向相反，射流驱动力需要大于节流盘负载阻力才能稳定上行；通过优化活塞杆与节流盘结构参数，122mm射流式脉冲短节在射流喷速50 m/s下即可稳定工作，脉冲幅值提高1～3 MPa，工具压降保持在3 MPa以内。     

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。      

泥浆脉冲发生器活塞压力平衡装置的研究与优化设计

通过分析泥浆脉冲发生器活塞往复运动密封机理,综合考虑直径、行程和性价比,压力平衡装置选用O型密封圈作为往复运动密封;设计了活塞与活塞缸之间、活塞杆与活塞之间的密封结构。通过建立压力平衡装置的静态与动态力学模型,分析影响活塞移动的因素和井下工作的运动规律,为压力平衡结构设计提供理论指导。在分析现有压力平衡装置的不足之处的基础上,设计了活塞压力平衡装置,在泥浆脉冲发生器的内部密封环境里,活塞在活塞缸内运动平衡钻井液与脉冲发生器之间的压力;活塞杆与阀套控制泥浆的通断,平衡活塞内外之间的压差,使脉冲发生器能够工作在高温、高压等复杂工况的环境中,提高了脉冲发生器抗高温、抗高压的能力。     

脉冲式井下增压钻井装置关键参数设计与分析

为了提高深井超深井的机械钻速,降低钻井成本,综合利用脉冲射流和超高压射流钻井的优点,设计了脉冲式井下增压钻井装置。介绍了其结构和工作原理,根据不同钻井状况有针对性地设计关键参数。根据研究,确定高压活塞作用力取为钻压的35%,PDC钻头钻井时高压活塞直径取30 mm,牙轮钻头钻井时高压活塞直径取35 mm,活塞行程根据钻头在井下振动的位移确定,取为25 mm,活塞频率为4和6 Hz,计算得到高压流体排量。由于脉冲式井下增压钻井装置内、外压差作用在传动轴上端面,具有水力加压作用,所以针对不同钻头钻井情况,进行水力加压作用力计算。     

气体钻井超前探测震源工具设计及力学性能模拟研究

为了实现气体钻井钻头前方风险地层的超前探测,设计了适用于气体钻井环境的井下冲击震源工具,并对其力学性能进行了研究。基于气体钻井的环境,设计了冲击震源工具的关键结构;根据室内冲击试验,优化了震源工具的吸振结构和冲击能量;使用RecurDyn软件,分析了冲击块的运动过程,优化了关键结构的参数;模拟研究了底部吸振圆盘的抗冲击能力和传动杆限位结构的抗拉强度,以及冲击震源工具的力学性能;给出了现场施工方案,分析了其主要优势。研究结果表明：聚四氟乙烯能显著衰减钻铤波及尾波,有利于识别时域内的地层弱反射波信号;冲击能量为50 J时,冲击振动波的传播距离为18.61 m,可满足气体钻井超前探测的目的;聚四氟乙烯受到的最大冲击力为1 796.88 N时,其相对变形不超过0.03%,且传动杆限位结构处承受下部钻具的重量不能超过1 150 kN。通过气体钻井随钻超前探测震源工具结构设计及力学性能模拟研究,为近钻头冲击震源工具的研制与应用提供了依据。     

无线指令电控式智能扩眼技术

针对目前常规液压式随钻扩眼器只能安装在定向井随钻工具的上部、扩眼后无法使用大排量循环等问题,研制了无线指令电控式液压扩眼器。该扩眼器将投球激活的液压扩眼器球座总成替换为传压系统,增加了脉冲器总成和电控系统总成,可通过钻井液脉冲信号和钻杆转速信号下传指令,控制刀翼的伸出与缩回。计算分析了传压系统传压孔打开时脉冲器活塞的受力情况,并利用流体仿真软件分析了传压孔的冲蚀情况。通过现场测试,无线指令电控式扩眼器设计合理,3种方式的指令下传成功,刀翼张开及回收正常,为智能扩眼器的进一步研究奠定了基础。     

负压脉冲射流辅助钻井模拟试验研究

负压脉冲射流是以负压脉动为特征的非连续射流。通过在钻头上部使用负压脉冲射流调制器，使井底压力产生负压脉动，能够瞬间减小井底岩石上的压持效应，降低岩石的抗破碎强度．从而达到提高机械钻速的目的。利用中围压模拟钻进试验系统进行了负压脉冲射流辅助钻进效果试验。通过在天然砂岩岩心中钻进，考察了负压脉动值、围压对负压脉冲射流辅助钻井钻速的影响。试验结果表明。随着脉动负压值的增加。负压脉冲射流辅助破岩钻进速度线性增大；围压对负压脉冲射流辅助钻井钻速的影响较常规钻井小；与常规钻井相比。室内模拟钻井试验条件下负压脉冲射流辅助钻井可以使钻速提高0．7～3.0倍。     

煤层气水平井PE筛管完井用泵送工具推进力研究

针对煤层气水平井现场作业工况，为优化设计聚乙烯塑料筛管（PE筛管）完井用泵送工具参数，提高PE筛管的泵送效率，利用CFD数值模拟方法开展了钻井液性能参数、钻杆和泵送工具参数对泵送工具推进力影响的研究。结果表明，泵送工具承压抬肩处的流体压力为正压，引导头表面的流体压力为负压，二者方向相反，合力为泵送工具前行提供动力；泵送工具推进力随钻井液排量、黏度和密度增大呈增大趋势，但钻井液排量和密度对推进力的影响远大于钻井液黏度对推进力的影响；泵送工具的推进力随着泵送工具与钻杆内壁之间环空间隙增大先快速减小后缓慢减小，随泄流孔直径增大呈线性减小的趋势，环空间隙对推进力的影响远大于泄流孔直径对推进力的影响。室内研究与现场应用表明，该泵送工具能产生足够大的推进力，能满足PE筛管完井的现场作业要求。      

环形防喷器设计的几个要点分析

环形防喷器是井口防喷控制装置的重要组成部件之一。它可在需要时封闭各种形状的钻具,并可在井内无钻具的情况下全封井口。由于环形防喷器对于封闭井口有重要的作用,因此它的设计必须达到规定的要求。在设计过程中,活塞行程的确定、活塞与本体间的行程配合、活塞与本体间的密封等都是必须重视的问题。此外,还根据胶芯铁芯在运动过程中形状不变的特性提出了一种计算活塞行程的方法,让环形防喷器胶芯设计合理,能实现全封井口的功能。     

井口钻塞加压装置的研究与应用

用螺杆钻具钻近地面的水泥塞及桥塞等塞面时,因钻塞管柱自重轻,钻压不能有效作用在钻头处,不仅塞面无法钻穿,而且螺杆钻具产生的反扭矩也无法控制,施工过程中钻进效率低且存在安全隐患。为此,研制了井口钻塞加压装置。该装置利用小修作业设备即可将近地塞面钻穿,同时可安全控制塞面钻穿时的井内压力及螺杆钻具产生的反扭矩。井口钻塞加压装置在大港及江苏油田共应用11口井,成功率100%;该装置简化了施工作业工序,确保了现场作业的安全性,有效提高了生产时效,降低了作业成本。     

水力脉冲空化射流钻井机理与试验

在分析水力脉冲与空化射流调制机理的基础上,设计出一种新型水力脉冲与空化射流耦合的水力脉冲空化射流发生器,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.钻头喷嘴出口形成脉冲空化射流,产生水力脉冲、空化冲蚀和局部负压效应,从而提高井底净化和辅助破岩效果.塔里木盆地6口井的现场试验结果表明,水力脉冲空化射流钻具对钻头类型、地层特性、钻井液密度、排量、动力钻具等具有良好的适用性,机械钻速提高10.1%～53.4%.水力脉冲空化射流发生器具有性能稳定、效果好、使用寿命长等特点,完全可以满足现场的需要.水力脉冲空化射流技术将为提高深井钻速提供一种切实有效的途径,具有较好的推广应用价值.图4表4参12     

Hydraulic Pulsed Cavitating Jet-Assisted Drilling

Abstract

How to improve drilling rate in deep wells has been a hot subject. Based on modulating pulse jet and cavitating jet, a new drilling tool is designed which couples advantages of both pulse jet and cavitating jet. When drilling fluid flows through the tool during the drilling process, fluid is modulated to pulse and cavitate. Thus, pulse cavitating jet is formed at the outlet of the bit nozzle. Because of jet pulsation, cavitating erosion and local negative pressure affect bottomhole rock. Cleaning and breaking is enhanced and penetration speed is improved. Oil field tests in five wells show good applicability of the tool to bit types, formation, drilling densities, flow rates, and dynamic hydraulic drilling motors, etc. As a result, penetration rates are improved ranging from 10.1 to 31.5%; the maximum working time is about 235.5 hr in downhole. Pulse and cavitating jet coupling will afford an effective means to improve drilling rate for deep wells.     

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。     

新型水平井固井下套管牵引工具的研制

水平油气井尤其是大位移水平油气井固井时套管下入困难,单纯依靠垂直井段套管的自重难以下入套管至预定位置。在分析总结已有资料及相关经验的基础上,针对现有下套管工具压迫式驱动套管下入传统方法的缺陷及结构的局限性,研制了一种能促使套管在水平井段顺利前行的新型工具。其工作原理为:在下套管固井作业中,它连接于下入套管的最前端,首先对套管内的低密度钻井液加压,促使活塞右行,当活塞停止前进时,增大加在低密度钻井液上的压力,以克服作用于球阀上的弹簧预紧力而推开球阀,低密度钻井液进入卡盘,推动卡齿伸出、卡紧井壁,而后卸去作用在低密度钻井液上的压力,由高、低密度钻井液之间的压力差在套管前端产生牵引力,牵引套管前行直至预定深度。该工具结构简单、易于操作,只需控制地面钻井液泵泵压的大小即可,解决了水平井套管下入难的问题。     

频率可调式脉冲钻井提速工具的研制和应用

苏里格西区致密气藏居高不下的钻井成本与难以提高的钻井速度严重制约了长庆对苏里格气田整体开发的部署。针对苏西地区中深井下部地层钻井机械钻速低的难题,研制了频率可调式脉冲钻井提速工具。该工具通过涡轮带动的阀组将连续流动的钻井液转换成脉冲流动,改善井底流场,增强射流冲击力,以最大限度地提高水力破岩效率与井底净化能力,达到提高机械钻速的目的。实验与现场应用结果表明:研制的工具入井工作时间超过120 h,能提高机械钻速20% 以上,具有广阔的应用前景。     

低速射流元件控制的高能液动锤研究

为解决常规射流元件受钻井液冲蚀而过早失效问题和满足高效碎岩钻进对冲击功的要求,设计了SC71B型新一代液动锤试验样机,并通过试验和数值模拟研究了活塞冲锤质量对射流元件临界流速的影响。试验结果表明,配用常规质量的活塞冲锤时该低速型射流元件实测临界流速为21.83m/s,不到以往实测最低值的1/2;当活塞冲锤质量较常规增加5倍时,冲击功较常规增加40倍以上,其临界流速仍不大于以往实测最低值。活塞冲锤质量对临界流速和冲击功影响的CFD动态数值模拟分析结果与实测结果吻合。该研究结果对研制油气钻井用长寿命高能射流式液动锤有重要借鉴意义。     

辅助连杆式抽油机运动过程的计算机模拟

将常规游梁抽油机与辅助连杆综合构成一种辅助连杆式抽油机,在对抽油机做了受力分析和冲程计算后,推导出抽油杆增程系数和连杆驱动力增力系数计算式。在此基础上,采用I-DEAS软件对该机的各零件做了实体造型,并构造了机器的装配系统和运动机构,随后用计算机模拟系统的运动过程,得到系统中各主要运动件的运动曲线及抽油杆的各项运动参数曲线。模拟结果表明,这种抽油机运动更平稳,其冲程是常规游梁抽油机的4316倍,速度和加速度各减少约77%,且保留了机械换向和结构简单的优点。     

机械式自动垂直钻井工具的研制

为了有效地提高直井的钻井速度和质量,根据现有技术研制了机械式自动垂直钻井工具。这种钻具能适时感应井斜的重力信号,并由重力驱动执行机构,利用钻井液循环在钻柱内外形成的压差,在钻柱旋转的情况下推动活塞靠向高边井壁,对钻头施加指向井眼低边的周期性侧向力,在钻进过程中实现对井斜的适时修正。现场试验结果表明,机械式自动垂直钻井工具的工作原理正确,结构可靠,能够在主动、适时防斜的同时,有效地释放钻压,提高钻速。该工具的研制成功为直井的防斜打快工艺提供了一种新的技术手段,具有广阔的应用前景。     

高压天然气多孔节流效应及冲蚀特性分析

基于欧拉 拉格朗日多相流模型方法,采用RNG k ε湍流模型和Sutherland viscosity law可压缩流体黏度修正模型及改进的冲蚀模型,对高压天然气单孔和多孔节流过程进行数值模拟。通过高压天然气单孔节流数值模拟质量流率变化规律,与理论计算结果对比,验证了所采用的模型和计算方法的准确性,并考察了高压天然气流经单孔和多孔突缩结构的不同节流效应及冲蚀特性。计算结果表明,天然气流经多孔固定节流油嘴降压后,体积膨胀形成的最高流速值明显低于单孔固定油嘴,同时多孔均匀射流减少了单孔射流形成的卷吸冲蚀损伤,并在多股射流下的搅混作用下,冷核心能迅速混合,在后续油嘴腔体内更易实现压力回升和速度稳定现象,相比单孔节流可以有效地抑制冲蚀损伤及天然气水合物生成几率。     

第2代射流式井下增压器结构设计

第1代射流式井下增压器结构存在增压冲程中上、下两级活塞缸没有完全并联,以及复位冲程中流量全走节流阀等缺陷。为此,研制了第2代射流式井下增压器。新型增压器在活塞缸之间添加了新流道,在节流阀位置并联旁通阀。计算结果和现场试验表明,第2代射流式井下增压器可以改善增压冲程工具水力特性并降低工具压降,可以解决节流阀憋压问题,降低复位冲程工具压降,当输出压力为60.0MPa时,工具压降由原来的10.9MPa下降到7.5MPa,机械钻速达到16.21m/h。