8(1/2)H517钻头流道的冲蚀失效与改进措施

１９９２～１９９６年８２只流道冲蚀刺穿的８＾１／２Ｈ５１７钻头的统计数据表明，冲蚀失效钻头的年投诉率达５０％左右。针对该型钻头流道的结构缺陷，提出了改进措施：（１）改进钻头流形状，增加分流结构，使流道截面积变化平缓；（２）适当调整水孔入口段的直径，使其与喷嘴入口的台肩从升坎变为降坎；（３）修改喷嘴的装配尺寸及其公差，减小喷嘴的轴向间隙和径向间隙，并适当增大喷嘴密封圈 的最小压缩量；（４）用螺纹环取     

流道防冲蚀钻头在新疆油田的应用

流道冲蚀是三牙轮钻头的失效形式之一，会导致钻井周期延误。流道冲蚀的直接因素是高速多相流状态下在钻头流道内发生的磨蚀和气蚀的联合作用。根据对失效钻头的分析以及室内试验结果，开发了一种流道防冲蚀钻头，在新疆油田试用了14只，无一只发生流道刺穿，达到防冲蚀效果。     

牙轮钻头冲蚀原因的分析与建议

木文针对大庆油田发生钻头水力冲蚀现象,根据休斯公司提出的牙轮钻头水眼入口处泥浆流速不应超过21.4m/s的建议,对冲蚀钻头中装有大喷嘴的入口处泥浆流速进行了校核。结果表明,直径大的喷嘴入口处泥浆流速全都超过了休斯公司的建议值。同时,为避免水力冲蚀现象,结合钻井实际提出了几点建议,对保证钻井安全生产具有指导意义。     

考虑流固耦合钻井液冲蚀引起的钻柱失效分析

基于钻柱与钻井液耦合影响因素分析,建立了钻柱失效模型,利用流固耦合和钻柱振动的基本理论对钻柱的振动频率和振动速度进行了求解,分析了钻井液密度、流速、流动应力以及钻柱的振动频率和速度对钻柱失效的影响,在此基础上利用冲蚀理论对钻柱的失效进行研究得到了钻井液对钻柱的冲蚀磨损量以及最大冲蚀角度。根据算例参数设计了对应的室内实验,并将算例分析结果与实验结果进行对比,验证了本文所建的钻柱失效模型的正确性,结果表明考虑流固耦合钻井液对钻柱的冲蚀磨损量要远大于未考虑流固耦合钻井液对钻柱的冲蚀磨损量;层流状态下钻井液引起钻柱失效所发生的最大冲蚀角与钻井液和钻柱之间是否进行流固耦合无关。工程应用实例表明,本文研究结果可以较好地指导钻井作业实践,对于减少钻柱失效和降低钻井成本具有一定的参考意义。     

超高压压裂流速差对压裂注入头抗冲蚀性能影响及改进措施研究

水力压裂是国内外油气田广泛采用的一项增产增注措施,现已成为重要的完井手段。为满足压裂过程中的大排量需求,通常采用6条高压管线接入到压裂注入头,实际施工中由于各管线角度及连接方式不同以及供水不流畅等,不同管线内流体到达注入头时会存在流速差。本文通过建立压裂注入头冲蚀速率计算有限元模型分析了不同流速差条件下压裂注入头受到的最大冲蚀速率,得到管线间存在的速度差越大,压裂注入头最大冲蚀速率越大。进而提出通过管线连通的方案降低管线间流速差,以降低注入头的最大冲蚀速率,研究表明管线连通后管线间的速度差显著降低,可以有效降低注入头最大冲蚀速率达12%~23.3%,最终提高注入头使用寿命。     

出砂气藏水平井筛管冲蚀损坏机理及抗冲蚀能力的提高

为了解决出砂气藏水平井存在的筛管冲蚀问题,针对常用的多层滤网复合精密筛管,利用创新研制的水平井筒封闭空间筛管冲蚀模拟系统,开展了筛管冲蚀损坏机理及规律实验。实验结果表明,气体携砂条件下的多层金属滤网复合筛管冲蚀破坏分为保护罩正面啃噬以及侧向滤网冲蚀损坏2种机理。交错冲缝式的外保护罩正面抗冲蚀能力较强,但侧向抗冲蚀能力极弱。筛管金属滤网介质的冲蚀损坏速度约是外保护罩的2~3倍。另外,基于冲蚀机理提出了新型双层弧形交错互补冲缝的结构,研究构建了非均质气藏水平井高冲蚀风险位置识别方法,以及分级、分段提高全井段管柱抗冲蚀能力的优化设计。新型高抗冲蚀能力外保护罩在兼顾经济性的同时,为出砂气藏水平井的防砂管柱冲蚀问题提供了可靠易行的解决方案,一定程度上提升了天然气藏防砂管柱的服务期限和开发效果。     

PDC钻头井下流动可视化实验研究与冲蚀分析

在自行开发设计的PDC井下射流实验平台上, 通过丝线法和高速摄影手段进行了PDC钻头井下流场结构的可视化实验。发现井下多股射流的流场为不稳定场, 在靠近钻头肩部的流道附近存在强烈的漩涡; 对流场的可视化研究表明破坏钻头的主要因素可能是随漩涡而冲击钻头壁面的岩屑和气相的溃灭冲蚀以及水力设计不合理而造成流道堵塞; 破坏出现的主要位置应是钻头头部多喷嘴之间的区域、喷嘴本身及其周围区域和筋板及流道的逆压力梯度区。因此, 有必要在多喷嘴射流的钻头上加设一中心喷嘴打破井下的涡结构, 以减轻对钻头中心部位的破坏。     

随钻用流道转换接头损伤规律研究及改进方法

流道转换接头是随钻测井仪器中必不可少的机械部件,现场试验后损伤情况严重。采用CFD技术对流道转换接头内部钻井液流动进行数值模拟,研究其损伤规律与原因。发现流道转换接头的截面变化处与流道内表面最容易被冲蚀,背面金属台阶的中间位置腐蚀最为严重,与损伤检测结果一致。针对引起冲蚀腐蚀现象的主要原因,提出新型流道转换接头结构和加工工艺,延长使用寿命,满足现场使用要求。     

随钻测井仪流道转换器优化设计与数值分析

随钻测井仪流道转换器流道截面设计不合理,不仅会造成随钻测井仪器内流道局部流场紊乱,致使仪器局部冲刷严重,造成仪器使用寿命缩短;还会导致仪器压力损失偏高,影响仪器的适用性。为此,采用CFD方法,对某型随钻测井仪流道转换器进行优化设计,并对4种设计方案进行了全三维数值模拟和对比,认为影响流道转换器流场性能的主要因素是扩张角和内流道截面积的连续性。最优设计方案的扩张角较小,内流道截面积连续,轴向速度下降更平缓,总压损失最小,流场流速分布更均匀。试验结果表明,流道转换器扩张角、内流道截面积不连续性与流道转换器流场分布均匀性呈负相关,与压力损失呈正相关;总压损失系数理论值与试验值对应的差值不大于0.076%,且变化趋势均与理论分析结果相同。研究结果为流道转换器的优化设计提供了理论依据。      

双流道PDC钻头超高压系统的设计

为了充分有效地利用井底水力能量,使水射流与切削齿联合作用破碎岩石,提高破岩效率,设计了超高压双流道PDC钻头。在不改变普通PDC钻头基本设计原理和方法的基础上,进行了该钻头超高压系统关键部件的设计包括高压合金管和定心夹具的材料和尺寸的设计;喷嘴结构和参数的设计,以及超高压流道的计算和设计。室内模拟试验表明(1)超高压喷嘴安装在钻头刀翼上能辅助PDC切削齿破岩;(2)定心夹具解决了高压合金管上部与增压器高压合金管的同心扶正和高压合金管在钻头中的固定问题,同时钻井液也能顺利下行到钻头。     

ＰＤＣ钻头布齿设计技术

合理的布齿是保证PDC钻头具有优良工作性能的关键。目前常用的PDC钻头布齿设计方法是图解调整法，该方法速度慢，设计工作烦琐，工作量大，效率低，欠灵活，而且有时会出现不必要的误差。讨论了PDC钻头布齿设计的特点，按切削原则设计了钻头冠部形状，并选择了合理的切削结构，为PDC钻头布齿计算机辅助设计软件提供了理论支撑。     

潜孔钻头井底流场数值模拟研究

以QF—Ⅱ型潜孔钻头为原型,充分考虑排屑槽和切削齿对井底流场的影响,建立了与实际相接近的潜孔钻头井底流场模型,采用计算流体力学软件Fluent对钻头井底流场进行了数值模拟研究。分析认为,该潜孔钻头导致井底流场分布不合理的原因在于喷嘴安放位置太靠近钻头边缘。随后对喷嘴位置向钻头中心靠拢后的改型钻头进行了井底流场分析,认为喷嘴位置向钻头中心靠拢,有助于提高井底流场的清岩能力,减小井底流场对井壁的冲蚀破坏程度,为合理进行潜孔钻头的结构设计提供了理论依据。     

硬地层PDC钻头设计的探讨

目前的PDC钻头只能有效地钻进软到中硬的比较均质的地层 ,而在硬的、研磨性和软硬交错等非均质地层中 ,或钻速低 ,或寿命短。为此 ,研究分析了剖面形状、切削齿布置、切削齿工作角、副切削齿等设计对PDC钻头性能的影响 ,提出了以同时加强钻头的稳定性、耐久性和钻进能力为目标的设计观点和建议。研制的新型PDC钻头采用了短抛物线形剖面和楔形人造聚晶金刚石孕镶块辅助切削齿结构 ,中密度布齿 ,切削齿后倾角由内向外在 10～ 15°范围内变化。试验表明 ,与牙轮钻头相比 ,PDC钻头钻速提高了 5 9 6 % ,每米钻井成本降低了 2 6 %。     

微小井眼单牙轮钻头井底流场研究

利用Fluent软件对微小井眼单牙轮钻头井底流场进行数值模拟,结合喷射钻井射流理论,对钻头井底流场进行研究。结果表明,钻头旋转加强了牙轮一侧与钻头旋转方向同向的漫流,同时削弱了牙轮另一侧与旋转方向逆向的漫流;单牙轮钻头排屑槽流道方向为右旋,不利于井底岩屑的上返;采用适当的小直径喷嘴能有效提高井底漫流层的漫流速度,有利于增强井底漫流层的清岩能力;逆着钻头旋转方向适当地改变喷嘴倾角,井底有效漫流面积有所提高;顺着钻头旋转方向改变喷嘴倾角弱化了井底流场的清岩能力。     

定向喷嘴PDC钻头井底流场特性研究

对PDC钻头水力结构的优化是控制泥包生成和发展的有效手段。基于计算流体力学理论,针对PDC钻头在使用过程易产生泥包的问题,建立了带有侧向射流喷嘴的PDC钻头井底结构的物理模型,采用k?ε双方程模型封闭N?S湍流方程,使用SIMPLEC算法对该条件下的物理模型进行数值模拟计算,并定性研究了井底流场特性及刀翼表面速度、压力分布特征。研究结果表明:侧向射流形成新的射流区,减小了井底漩涡的覆盖面积,对井底清岩能起到积极作用;在侧向射流带动下,刀翼切削面的剪切力、压力梯度增大,利于抑制泥包的成长和冷却刀翼,提高钻头性能。该结论为PDC钻头水力结构的优化提供了新的思路。     

六刀翼多夹层PDC钻头井下流场的模拟与设计

为了深入分析PDC钻头的流场,从而优化PDC钻头的水力结构设计,利用计算流体力学技术,对六刀翼多夹层PDC钻头实体的三维流场进行了数值模拟。模拟直观地显示了钻头水眼设计存在的水力能量分配不均问题和流场的流动情况。流场的三维模拟结果揭示了CFD技术对钻头水眼位置和安装角度设计的影响。     

PIV技术在PDC钻头外部流场研究中的应用

根据PIV系统的性能特点和测量的技术要求 ,建立了PDC钻头流场测试实验系统 ,系统由PIV系统、PDC钝钻头及井底流动系统、配套的储水罐、离心泵、压力表和流量计等组成。在模拟PDC钻头井底流场的条件下 ,对PDC钻头 4个喷嘴的射流流场进行了测试。测试数据与三维流场计算机数值模拟结果的对比表明 ,偏差在误差允许的范围内 ,两者相吻合 ,数值模拟结果得到测试结果的验证 ,可以确认建立的数值模型及计算方法的可信度。