直旋混合射流破岩钻孔参数试验研究

直旋混合射流是由通过喷嘴叶轮中心孔的直射流和叶轮加旋槽产生的旋转射流经混合段混合而成的一种新型高效射流,它综合了旋转射流破岩面积大和直射流破岩深度大的优点.试验研究了叶轮中心孔直径、混合段长度、扩展腔扩展角、喷距和压力等5个主要参数对直旋混合射流破岩效果的影响规律.结果表明,叶轮中心孔直径为2mm、混合段长度为8mm、扩展腔扩展角为60°的喷嘴产生的射流具有较强的破岩能力;试验条件下,直旋混合射流破岩最优喷距约为喷嘴出口直径的6倍;增大射流压力可以大幅提高直旋混合射流的破岩体积.     

多孔式射流钻头流场数值模拟研究

多孔式射流钻头是应用于径向水平井技术的一种新型射流钻头。本文建立了多孔式射流钻头流场计算模型,采用RNGk-ε湍流模型进行数值计算,分析了射流钻头内外不同区域的流场分布情况和局部流动特性。模拟计算结果表明:多孔式射流钻头有效扩大了井底冲击区,有利于扩大成孔直径;反向射流冲刷井壁,可以进一步扩大孔径,其反推力平衡了正向射流的反推力,有利于轨迹控制;反向射流的附壁作用,增大了喷嘴局部阻力系数。射流钻头入口及环空的压力和流量的数值模拟结果与试验测试结果一致。     

径向水平井自进式旋转射流钻头流场特性分析

为解决径向水平井钻进过程中破岩效率和自进能力的问题,设计了一种自进式旋转射流钻头。运用数值模拟方法,采用RNG k-ε湍流模型对所设计射流钻头的内外流场进行了三维流动特性分析,并分析了射流钻头结构参数对喷嘴流场特性的影响规律,进一步优化了自进式旋转射流钻头。结果表明,自进式旋转射流喷嘴外流场的轴心速度在喷嘴中心线上的速度最大,随着径向半径的增大,轴向速度迅速减小;切向速度沿喷嘴径向呈现出经典的"N"形分布,有利于增大射流破碎岩石的深度和破碎面积;径向速度呈轴对称分布,存在明显的漫流层,有助于岩屑的脱离;自进式旋转射流钻头导向叶轮的螺距和导叶数量,对射流速度有着重要的影响;喷嘴直径对射流流场特性的影响较大。经过优化,得到射流钻头的叶轮螺距16mm,导叶数为2,喷嘴直径为1mm。     

多孔射流钻头破岩钻孔规律试验研究

利用自行研制的射流破岩系统,对淹没和围压条件下多孔射流钻头的破岩钻孔规律进行了试验研究,重点考虑了水力参数(冲蚀时间、射流压力、围压、喷距)和结构参数(孔眼数量和侧向孔眼扩散角)对破岩效果的影响,结果表明:随着冲蚀时间的增加,破岩效果先增加,后趋于平缓;随着射流压力的增大破岩效果随之增大;随着围压的增加破岩效果随之减小;随着喷距的增加破岩效果呈先增大后减小的趋势,存在最优喷距范围;随着孔眼数量的增多,破岩成孔形状越来越圆整;随着侧向孔眼扩散角的增大,破岩效果呈先增大后减小趋势,存在最优扩散角范围。试验结果可为多孔射流钻头水力参数选择和结构参数设计提供依据。     

新型旋转射流多孔喷嘴流场的分析

设计了一种适用径向水平井技术的旋转射流多孔喷嘴。其前端面均布3个不同切向倾角15°、30°、45°的孔眼。利用数值模拟方法,采用RNG k-ε湍流模型对该喷嘴流场特征进行了研究,并与试验破岩结果进行了对比。结果表明,15°孔眼轴向速度较大,扩散性差,衰减缓慢,类似直射流,破岩效果适中;30°孔眼轴向、径向、切向速度均较大,扩散性适中,衰减较慢,其破岩效果最佳;45°孔眼虽具有较高切向、径向速度,但扩散性较强,衰减较严重,可形成较大破岩面积,但破岩深度有限;3个孔眼破岩面积在径向存在重叠,当喷嘴旋转时,可轨道扫描式完成联合破岩;不同倾角破岩效果不同,本试验中30°倾角的孔眼破岩效果最佳。流场数值模拟结果与实际破岩效果基本一致。     

围压下磨料射流套管开孔形状和时间参数试验研究

水力喷射径向水平井和水力喷射分段压裂技术可为低渗透等难动用油气藏提供两种经济高效的开采途径,应用高压磨料射流喷射进行套管开孔是其中关键技术.在分析了磨料射流工作机理的基础上,采用专门的围压装置及相应的试验台架,对磨料射流在围压下射穿套管的形状和时间参数进行了试验研究.着重研究了喷嘴压降、围压、喷距和喷嘴直径对射穿套管时间的影响,得出以下结论:随着喷嘴压降的增大,射穿套管时间缩短;随着围压的增大,射穿套管的时间延长;随着喷射距离的增大,射穿套管的时间延长;随着喷嘴直径的增大,射穿套管时间缩短.在本试验条件下,磨料射流射穿套管的孔径在10～14mm,射穿时间在18～330s范围内.     

深海环境下射流性能仿真

建立适用于深海作业的高压射流喷嘴的流体动力学仿真模型,对深海环境下喷嘴射流的内、外部流场性能进行数值仿真分析,得到5MPa、10MPa和15MPa三种典型围压环境下喷嘴内部射流压力和速度的变化规律及射流离开喷嘴后的压力和速度变化规律,并与非淹没状态下射流的性能进行对比研究。研究结果表明:通过数值仿真可以获得深海环境下喷嘴射流的工作性能,仿真结果与理论计算结果吻合;随着海水围压的增加,喷嘴射流出口的最大速度相应下降;当喷嘴射流出口喷射速度一定时,深海围压的大小对射流性能基本没有影响;不同围压下的射流形成的等速核外形和靶距基本相同,深海最优作业喷距为3~5倍喷嘴出口直径;与非淹没环境相比,淹没状态下射流沿轴向速度衰减梯度变化迅速,其等速核长度缩短约40%。     

旋转磨料射流喷嘴叶轮参数优化设计

为增强旋转磨料射流在硬岩地层高效破岩效果,喷射破岩形成较大孔径径向水平井井眼,对喷嘴叶轮参数展开了优化设计。对径向水平井井下工况旋转磨料射流流场进行模拟,研究了叶轮扭转角、长度、直径、叶片厚度和叶片数量等参数对流场速度的影响。结果表明：叶轮扭转角度为影响流场旋流强度的主要因素;减小叶轮直径或增加叶片厚度会缩小流道的过流面积,增加射流的旋转强度,直径影响最大切向速度相差15.1%,厚度影响相差44.6%;叶片数量较多会降低射流冲击速度。在本文条件下,给出了建议性优化喷嘴叶轮结构参数：叶轮扭转角度为630°,长度为30 mm,直径为18 mm,叶片厚度为4 mm,叶片数量为3。所得结果可为径向井旋转磨料射流喷嘴优化设计提供依据。     

超高压磨料射流切割喷嘴装置研制及其应用

通过对水射流中磨粒粒子运动形式的分析,认为结构设计参数主要是磨料射流内部靶距和磨料混合管长度,试验结果表明内部靶距为12mm,混合管长度为50mm切割效果较好,据此设计并研制磨粉射流切割喷嘴装置.并验证了设计的合理性.     

射流作用下井底岩石应力应变的数值分析

喷嘴是水力径向钻孔的核心设备,其破岩性能是决定水力径向钻孔作业成败的关键。为揭示射流破岩机理,设计高效的水力径向钻孔喷嘴,对水力径向钻孔喷嘴破岩效果进行数值分析。研究结果表明:在轴向直射流与井底漫流的冲击和剪切耦合作用下,井底最大应力和应变区域呈现高度规则的中心对称分布,有效冲击区域受射流扩散角的影响。回流对井壁的剪切作用是扩孔的主要动力。射流对岩石的剪切破坏作用要高于冲击破坏作用。研究结果可为高效喷嘴设计提供理论支撑。     

定向喷嘴布置对PDC钻头井底流场影响研究

定向喷嘴布置的方式对PDC钻头的井底流场将有很大的影响,尤其是能改变PDC钻头的水力性能,因而研究定向喷嘴布置具有重要的意义.本文分析了喷嘴的不同布置方法,并通过数值方法模拟其对PDC钻头井底流场的影响.结果表明:在不完全对称布置方案的冲击区,在射流刚开始从喷嘴处流出去,但还未接触井底,各喷嘴射流处于衰减地带之内,这样的话将对钻头的清洗和携带岩屑离开井底非常有效果;在漩涡区,喷射角大、距钻头中心远的喷嘴射流则对清洗和携带井壁附近的岩屑起主要作用,喷射角小、距钻头中心近的喷嘴射流则对清洗和携带井底中心的岩屑起主要作用;在刀翼上的附面层由于周围喷嘴的影响,刀翼切削面低速区明显减少,剪应力增大,更好地预防、清除PDC钻头的泥包.最终达到提高机械钻速的效果.     

空化水射流空泡云长度的试验研究

在不同泵压和淹没压力条件下针对不同类型的空化喷嘴,对空化水射流的空泡云长度进行了一系列实验研究。确定了不同围压下空泡云长度随围压的增加而缩短和不同泵压下空泡云长度随泵压的增加而增长的规律。空泡云的长度还与冲蚀深度有一定的关系,即空泡云长度等于靶距和冲蚀深度之和。另外对于不同类型的喷嘴,缩放型喷嘴产生的空泡云长度比收敛型喷嘴所产生的长。     

磨料水射流切割混凝土的深度预测模型

在对磨料水射流切割混凝土分析基础上,应用BP人工神经网络理论,建立磨料水射流切割基于射流压力、靶距、磨料粒径、磨料流量、磨料喷嘴直径、磨料喷嘴长度及横移速度等射流参数的深度模型,通过模型预测结果与实验结果的比较,验证模型具有一定的精度,为实际运用和进一步研究提供参考。     

Effects of area discontinuity at nozzle inlet on the characteristics of self-resonating cavitating waterjet

The current research on self-resonating cavitating waterjet(SRCW) mainly focuses on the generation mechanism and structure optimization. Researches relating to the influences of disturbances at nozzle inlet on the characteristics of the jet are rarely available. In order to further improve the performance of SRCW, effects of area discontinuity(enlargement and contraction) are experimentally investigated using three organ-pipe nozzles. Axial pressure oscillation peak and amplitude as well as aggressive erosion intensity of the jet are used to evaluate the effects. The results reveal that area enlargement and contraction affect the peak differently, depending on the inlet pressure, nozzle geometry, and standoff distance; while area contraction always improves the amplitude regardless of these factors. At inlet pressures of 10 MPa and 20 MPa, area discontinuity improves the peak at almost all the testing standoff distances, while this only happens at smaller standoff distances with the inlet pressure increased to 30 MPa. The capability of area discontinuity for improving the amplitude is enhancing with increasing inlet pressure. Moreover, the cavitation erosion ability of the jet can be largely enhanced around the optimum standoff distance, depending on the type of area discontinuity and nozzle geometry. A preliminary analysis of the influence of area discontinuity on the disturbance waves in the flow is also performed. The proposed research provides a new method for effectively enhancing the performance of SRCW.     

空化射流效应的实验研究

在对空化射流实验研究的基础上，研究了提高射流冲蚀性能的基本参数。分析这些参数得出如下结论：最佳冲蚀效果的有效靶距直径比为6，最佳冲蚀时间为3min；空化射流深度冲蚀能力平均为普通射流深度冲蚀能力的2倍，空化射流切缝直径是普通射流切缝直径的2．3倍；空化射流有利于深孔与大孔的切割，但随着围压的增大，冲蚀能力减弱。     

矩形喷嘴对PDC钻头井底流场影响的研究

针对PDC钻头的水力能量清洗井底和冷却钻头的作用充分发挥的结构设计问题,先分析了矩形喷嘴的射流特性,得到了射流轴心动压力衰减规律和横向动压力分布规律及横向动压力梯度分布规律,通过CFD仿真软件CFX对PDC钻头井底流场进行了模拟,将矩形喷嘴和圆形喷嘴对比,分析得知喷嘴位置在等速核长度内,矩形喷嘴更有利于清除岩屑和冷却钻头。     

An experimental investigation on the pressure characteristics of high speed self-resonating pulsed waterjets influenced by feeding pipe diameter

The destructive power of a continuous waterjet issuing from a nozzle can be greatly enhanced by generating self-resonance in the nozzle assembly to produce a Self-resonating pulsed waterjet (SRPW). To further improve the performance of SRPW, effects of feeding pipe diameter on the pressure characteristics were experimentally investigated by measuring and analyzing the axial pressure oscillation peaks and amplitudes. Four organ-pipe nozzles of different chamber lengths and three feeding pipes of different diameters were employed. Results show that feeding pipe diameter cannot change the feature of SRPW of having an optimum standoff distance, but it slightly changes the oscillating frequency of the jet. It is also found that feeding pipe diameter significantly affects the magnitudes of pressure oscillation peak and amplitude, largely depending on the pump pressure and standoff distance. The enhancement or attenuation of the pressure oscillation peak and amplitude can be differently affected by the same feeding pipe diameter.

     

水力喷射孔内射流增压规律试验研究

水力喷射压裂是集射孔、压裂、水力封隔一体化的新型增产改造技术.本文在室内模拟试验的基础上,对影响水力喷射孔内压力分布和射流增压效果的5个参数(围压、喷嘴压降、喷距、入口比率、射孔孔眼深度)进行了系统研究,初步得到了各参数对孔内压力和射流增压的影响规律.试验结果表明,喷嘴压降和入口比率对孔内压力和射流增压影响较大,其中喷嘴压降与射流增压成线性关系,通过线性回归得到试验中6种不同直径喷嘴射流增压公式.