淹没条件下星形喷嘴射流流动特点的实验研究

对近期清洗行业出现的星形喷嘴射流进行了淹没条件下的实验研究。利用粒子成像速度场仪对星形喷嘴射流的速度场进行了测量,分析了星形喷嘴的射流衰减机理。实验发现,星形喷嘴射流与普通圆射流相比,其射流初始段较短,但基本段内速度随喷距衰减的速率较低。在7倍于喷嘴直径的喷距以内,星形喷嘴射流的速度低于圆射流速度。随着喷距的进一步增加,星形喷嘴射流的速度高于圆射流速度。在10～12倍于喷嘴直径的喷距范围内,星形喷嘴射流的最大速度和最大动压力分别提高了约20%和44%。该项研究为星形喷嘴射流在石油钻井工程中的应用提供了依据。     

淹没条件下超高压水射流冲蚀切割破岩实验研究

运用超高压射流数控自动万能切割机进行了淹没条件下水射流冲蚀切割破岩实验，选取了5档驱动压力和3种岩样，研究了水射流驱动压力、喷距、喷嘴横移速度和喷射角对破岩效果的影响。实验表明，淹没条件下超高压水射流冲蚀切割破岩存在最优喷距，最优喷距随压力的增加而增加；100 MPa时最优喷距约为15倍喷嘴直径，200 MPa时约为20倍喷嘴直径；喷嘴移动速度越小，冲蚀体积越大，随着移动速度的增加，开始时冲蚀体积下降明显，但移动速度进一步增加时，冲蚀体积减小并不明显,岩石的主要破坏发生在毫秒量级；最优冲蚀破岩效果的喷射角范围为12°~14°。     

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。     

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。      

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。     

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。     

非自由淹没水射流CFD仿真研究

依据井底高压水射流破岩条件建立物理模型,利用计算流体动力学方法对非自由淹没射流流场进行计算。计算结果表明,射流速度场存在等速核区、衰减区和撞击区。将计算结果与经验公式进行对比,证明了模型的准确性和计算结果的可靠性。通过分析喷嘴出口速度、喷距和喷嘴出口直径对射流轴向速度的影响规律,得出结论:(1)喷嘴出口速度对射流结构和轴向速度衰减影响较小;(2)当无因次喷距L/D<12时,射流没有衰减区,仅存在等速核区和撞击区;(3)当L/D≥12时,喷距对射流结构的影响非常小,对等速核长度几乎没有影响。     

高聚物添加剂（超水）射流破岩实验研究

射流介质中加入高聚物可以提高其破岩能力,同时,喷嘴结构特性对能量的充分利用有很大作用,直接影响破岩效率.采用带喷嘴套的锥型收缩喷嘴,利用"超水"(高聚物添加剂)射流冲蚀砂岩的实验结果表明,其它条件相同时,"超水"射流破岩体积是清水射流的2倍左右,并且破岩效率最大(破岩体积峰值)的射流喷距比清水射流的大.同时,入口角为13.5°的锥型喷嘴与直线型喷嘴套组合的喷嘴破岩效率最好.     

高压淹没水射流破岩实验研究

利用高压淹没射流装置对几种岩石进行了破碎实验，通过对实验结果的分析讨论，得出了喷嘴出口动压力、喷嘴直径和喷距与破岩效果之间的关系。     

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,...     

粒子射流冲击下破岩应力分析与破岩区域

由于粒子射流冲击破岩的复杂性和破岩过程的短暂性，粒子射流冲击作用下岩石的力学特性与损伤破坏研究是一个难点问题。考虑粒子射流返流的影响，基于空腔膨胀理论建立了粒子射流耦合冲击作用下的岩石应力和破岩区域的数学模型，采用数值计算和仿真模拟相互验证的研究方法，分析了粒径和射流冲击速度对单粒子射流冲击作用下岩石的应力分布和破岩区域的影响规律。针对多粒子连续射流耦合冲击破岩过程，给出了破岩区域的计算方法，采用数值计算和实验验证相结合的研究方法，得到了垂直射流和旋转射流状态下的破岩区域规律。结果表明：粒子射流耦合冲击破岩过程中，呈一定角度的旋转射流破岩区域要比垂直射流破岩区域大，粒径的增加对破岩区域影响较小，当射流冲击速度为200 m/s和粒径为1.0 mm时，8°和20°射流冲击破岩区域分别是喷嘴出口直径的1.7和1.9倍。     

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。     

牙轮钻头新型涡流喷嘴试验研究

在牙轮钻头的钻进中，水射流是钻进速度快慢的决定因素之一。而目前现场使用的普通流线型喷嘴，存在着沿程能量损耗大，破岩效率低等缺点。为了克服上述不足，在现有设备下，尽可能地发挥水射流破岩及清岩的效率，研制出了一种新型涡流喷嘴。室内全尺寸钻进试验表明，该种喷嘴比普通喷嘴平均提高机械钻速３６％～９０％以上。     

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.     

自振空化射流钻头喷嘴研制及现场试验

在风琴管谐振腔模型的基础上，给出了自振空化喷嘴的设计模式。用硬质合金为主要材料研制出了石油钻井用自振空化射流喷嘴。现场试验表明。自振空化喷嘴钻头与普通中长喷嘴钻头相比，钻井速度提高10．5%～49．3%，平均机械钻速提高31．2％．钻头进尺也相应增加29．1％。自振空化射流喷嘴具有广泛的应用前景。     

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。