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。     

自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流冲击频率变化规律

为了得到自激振荡脉冲超临界二氧化碳(SC-CO₂)射流谐振破煤适用冲击频率，采用大涡模拟研究了自激振荡脉冲SC-CO₂射流的形成及发展过程，分析了射流频率在喷嘴内部和自由流场中的变化规律，研究了射流轴向位置和振荡腔长度对射流冲击频率的影响规律，并研制了射流冲击频率测试装置，通过实验验证了数值模拟结论。研究表明，自激振荡脉冲SC-CO₂射流在喷嘴内部和自由流场中的频率并不相同。在喷嘴内部，流体经扰动形成的频率相同，且喷嘴出口处射流频率与喷嘴内部频率保持一致。在自由流场中，由于CO₂的可压缩性，射流压力、速度等参数具有明显的波动。该特征使自激振荡脉冲SC-CO₂射流冲击频率随射流的发展沿轴向逐渐减小。通过改变振荡腔长度，可以改变自激振荡脉冲SC-CO₂射流喷嘴内部频率从而实现自由流场中射流冲击频率的调节。     

自激振荡脉冲射流喷嘴结构优选试验研究

高压水射流是钻井提速的基本技术手段。自激振荡脉冲射流是一种特殊的高压水射流,因其结构简单、全金属性及充分利用钻井液能量等优点,成为深井、超深井钻井提速研究热点。根据流体网络集中参数理论,设计了室内试验装置和试验方法,对自激振荡脉冲射流元件的结构参数与射流特性进行了室内试验分析。结果表明:流体网络集中参数理论能够很好地描述射流元件的振荡特性;当上下喷嘴直径比为0.75、腔长腔径比为0.80、喷嘴锥角为120°时,自激振荡脉冲射流性能最好。     

应用大涡模拟对自激振荡腔室特性的研究

自激振荡脉冲射流已经广泛应用于石油钻采工程,现有的自激振荡脉冲发生理论还不能完善地解释影响振荡脉冲效应的因素。应用大涡模拟对赫尔姆兹振荡腔流场进行了分析,建立了数学控制方程,并运用Fluent软件的LES湍流模型对自激振荡腔的三雏流场进行数值模拟。研究了振荡脉冲的发生机理,获得了振荡腔结构参数变化对振荡脉冲效果的影响规律。     

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自激振荡腔室是产生自激振荡脉冲射流的重要条件，振荡腔室的结构参数、流体流动参数、有效反馈条件及流场特性直接影响脉冲射流的瞬时冲击力。文章在理论与实验研究的基础上，采用标准的K-ε模型，应用有限元软件ANSYS进行了腔室内三维流场的数值模拟，并根据结果作出了流场速度分布图及压力与各影响因素的关系图。模拟结果与室内台架实验对比表明，数值模拟能很好的反映流场的分布及腔室压力与各影响因素之间的关系，对进一步研究有指导意义。     

井底岩屑磨料脉冲射流钻井技术磨损实验研究

采用自行研制的井底岩屑磨料脉冲射流工具及模拟井筒实验装置,通过磨料脉冲射流破岩实验,研究了磨料介质(岩屑、石英砂及钢珠)、自激振荡腔内碰撞壁以及喷嘴的磨损情况。结果表明,岩屑磨料在对岩石冲击磨削的同时,其自身强度也在衰减;石英砂的尖锐棱角被磨平,颗粒变得圆滑;钢珠质量在破岩实验的0～60min内减少比较明显,在60min之后减少的幅度降低,同时,其外表面和球度也发生改变,但未见明显的裂缝等微观特征;冲蚀严重的位置位于井底岩屑磨料脉冲射流调制工具自激振荡腔内的碰撞壁、喷嘴以及流道等处。     

井下它激振荡脉冲射流机理研究

在油气井钻井中,为了充分利用井下水力能量,利用井下环空流体液柱压力作为激励源,实现了它激振荡脉冲射流.探讨了井下环空流体作为它激源实现它激振荡脉冲射流的机理,建立了物理模型.利用室内实验研究揭示了井下水力它激振荡脉冲射流的机理,为井下水力增压的研究提供了理论依据.实验结果表明,它激共振腔结构参数(容积,上、下喷嘴直径,比值),它激孔位置、数量、直径以及水力参数(流量、射流速度、环空液柱压力)是影响它激作用的重要因素.在实验条件下,共振腔自增流量为泵入流量的20%左右;它激振荡脉冲射流出口动压力比自激振荡脉冲射流提高两倍.     

筛管解堵工艺技术研究与应用

大港油田非注聚区细粉砂油藏采用精密复合筛管进行防砂,会遇到筛管堵塞影响油井产量的问题,常规的酸洗、冲砂作业解堵效果不明显。研发了集酸洗解堵和水射流解堵为一体的筛管解堵工艺,通过酸洗使地层堵塞物松动、脱落、溶解,通过水射流工具对筛管内壁进行有效清洗。对筛管水射流解堵工具喷嘴的自激振荡脉冲射流机理进行分析; 运用数值分析软件Fluent建立了脉冲射流解堵数值模型,采用Standard k-ε两方程湍流模型,对筛管脉冲水射流解堵过程进行了数值模拟仿真。结果显示,在泵压相同时,设计的自激振荡喷嘴较普通射流喷嘴具有更大的射流速度和冲击力。对筛管解堵施工时需要的工作液及泵注程序进行了设计。室内试验证明,所设计的水射流工具达到解堵要求。该筛管解堵技术在现场应用中取得了良好的效果。     

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本文研究了脉冲喷嘴上喷嘴的流道形状对脉冲射流特性的影响规律，流道形状分别是流线性，锥形，等变速形及三次曲线形。通过实验研究得到的结论，为优选冲喷嘴，指导现场使用，具有重要意义。本文还在常用泵压范围内，研究了泵压对冲射流特性的影响规律，得到了产生脉冲射流的起始脉冲压力。     

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从钻井泵经过钻柱内部输送到钻头喷嘴的流体是瞬态流动，存在着压力行波，使从普通喷嘴射出的流体有一定程度的脉动。当这种流体经过自激振荡喷嘴轴对称空腔后，初始振荡的频率与腔内扰动波的频率相接近时，整个流体的振荡被迭加、放大，最后在腔室出口处产生被调制了的振荡射流。文章按波动理论原理，建立自激振荡射流腔室内流体压力和速度的数学模型，并采用接近钻头实际喷嘴直径和增大喷嘴金尺寸，进行扩大振荡腔室的射流实验研究。     

新型自激脉冲射流装置实验与现场应用

自激脉冲射流能够产生较大的瞬时冲击能量,可进一步提升破岩、解堵和储层改造等作业的效率,提高油气井单井产量。利用流体附壁效应,结合反馈通道强制转向理论,研制了一种新型自激脉冲射流装置。采用有限元数值模拟方法对装置的结构参数进行模拟,分析了不同结构参数对装置性能的响应特性。开展了冲击性能物理模拟评价实验,对装置在不同排量下产生的脉冲射流冲击载荷进行了测试,并进行了大尺寸花岗岩表面冲蚀物理模拟实验,根据花岗岩试样内部和表面的破坏形态得出了脉冲射流破岩特性。使用该装置在新疆油田石西区块实施储层改造,通过现场试验对比增产效果。研究结果表明：进出口比对喷枪内腔压力幅值敏感性最强,反馈通道截面积比对装置频率敏感性最强;随着排量的增加,装置出口脉冲射流冲击载荷极值、幅值均近线性增长,且冲击载荷有明显的脉冲波动效应,充分说明了附壁摆动腔有着良好的波动性能,可产生规律的脉冲射流;随着排量增加,自激附壁脉冲射流装置的喷枪内腔压力呈相应增长趋势,且具有良好的脉冲波动特性,喷枪内腔压力波动幅值随排量增加呈近线性增长;自激脉冲射流引发的花岗岩试样振动较连续射流更为强烈,加速度变化幅值为常规射流的3.4倍;新装置产生的脉冲射流具有更强的岩石表面破碎能力和岩石内部径向破坏能力;与不使用该装置的压裂施工相比,储层增产改造效果显著提高。研究结果不仅可为新型自激脉冲射流装置的研发提供新思路,同时可为压裂储层增产改造提供技术支持。     

自激波动注水机理实验研究

介绍了自激振动源喷嘴的工作原理,对围压条件下振动源喷嘴射流压力脉动特性和频率特性进行了实验讨论,实验研究了自激振动源喷嘴射流压力波动沿径向和轴向的传播规律,论述了自激波动注水的基本原理、注水器设计和现场实验结果。自振空化射流可用于自激波动注水的波动源,射流压力振动波沿径向传播距离达100cm以上,沿轴向传播距离达600cm以上。自激波动注水对因后期堵塞造成的地层吸水性变差具有明显的改善效果:平均注水压力下降2.1MPa,平均单层日注水量增加29m³。对一般注水井可延长注水周期.     

自激波动注水机理实验研究

介绍了自激振动源喷嘴的工作原理,对围压条件下振动源喷嘴射流压力脉动特性和频率特性进行了实验讨论,实验研究了自激振动源喷嘴射流压力波动沿径向和轴向的传播规律,论述了自激波动注水的基本原理、注水器设计和现场实验结果。自振空化射流可用于自激波动注水的波动源,射流压力振动波沿径向传播距离达100cm以上,沿轴向传播距离达600cm以上。自激波动注水对因后期堵塞造成的地层吸水性变差具有明显的改善效果:平均注水压力下降2.1MPa,平均单层日注水量增加29m³。对一般注水井可延长注水周期.     

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脉冲射流能够在能级相同的情况下增大射流的瞬时冲击力,可以提高射流的辅助破岩和清除岩屑的效果。本文介绍了利用流体动力学和水声学的基本原理在特殊喷嘴结构中产生自激脉冲射流的机理,通过实验研究了腔室结构参数和回压等因素对自激效果的影响规律。     

Self-Excited Oscillating Water Injection: Mechanisms and Experiments

This paper briefly describes the working principle of the self-excited oscillating nozzle and the experimental results of the pressure impulse characteristics and its frequency distribution under different ambient pressures. The transmitting law of the pressure fluctuation is introduced along the casing in both the axial and the radial directions. In addition, it presents the principle of water-injection with self-excited oscillation, the designation of the injection tool, and the field experimentation results. The field results indicate that the self-excited oscillating cavitation jets can be used as an effective way to prolong the production period of the well because the jets minimize formation block up. The average injection pressure was reduced by 2.1 MPa, and the averaged volume of daily water injection for a single layer increased by 29 m³. It can also prolong the water injecting time of the general water-injecting well.     

高压水射流处理地层的机理及试验

介绍了高压水射流深穿透处理地层解堵的三种物理机理,即低频旋转水力波、高频振荡射流冲击波和空化噪声超声波。实验室测试了解堵工具的旋转速度特性、冲击压力特性和射流冲击压力随喷距的变化规律。结果表明,随着泵压的增加,解堵工具的旋转速度增大,射流对套管壁面及炮眼冲击力也随之增大。在泵压一定的条件下,随着喷距的增加,射流冲击压力逐渐减弱。在试验的泵压20.0MPa条件下,射流压力作用深度可达600mm以上。经辽河油田23口油井现场试验表明,高压水射流深穿透解堵技术平均单井增油幅度达20%～50%,有效率90%以上,有效期90d以上,是高含水期油田强化生产、增产增注、提高采收率的一种高效新技术。     

Self-Excited Oscillating Water Injection: Mechanisms and Experiments

Abstract

This paper briefly describes the working principle of the self-excited oscillating nozzle and the experimental results of the pressure impulse characteristics and its frequency distribution under different ambient pressures. The transmitting law of the pressure fluctuation is introduced along the casing in both the axial and the radial directions. In addition, it presents the principle of water-injection with self-excited oscillation, the designation of the injection tool, and the field experimentation results. The field results indicate that the self-excited oscillating cavitation jets can be used as an effective way to prolong the production period of the well because the jets minimize formation block up. The average injection pressure was reduced by 2.1 MPa, and the averaged volume of daily water injection for a single layer increased by 29 m³. It can also prolong the water injecting time of the general water-injecting well.