超高压射流辅助钻井钻头设计

水射流作为一种新型切割工具运用于石油钻井中,与机械联合破岩可提高破岩效率.根据破岩机理、井队设备与地面条件,不改变原来三牙轮钻头的结构,设计了超高压射流辅助钻井钻头.钻头的设计主要包括高压合金管的设计、定心夹具的设计、喷嘴的设计以及超高压连接体的设计.     

星形喷嘴射流的破岩特点

在淹没和非淹没条件下对星形喷嘴射流的破岩能力进行了实验研究。结果表明，在非淹没条件下，星形喷嘴射流的破岩能力高于常规圆形喷嘴射流；在淹没条件下，当喷距小于10倍喷嘴直径时，星形喷嘴射流的破岩能力较圆形喷嘴射流弱，但是当喷距达到10～16倍喷嘴直径时，星形喷嘴射流的破岩能力明显高于圆形喷嘴射流。据此可将星形喷嘴应用于牙轮钻头，替代圆形喷嘴，以提高钻井清岩和辅助破岩效率，达到提高钻井速度的目的。     

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。     

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。     

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.     

淹没条件下锥形喷嘴射流破岩效率实验研究

喷嘴是水射流技术应用中获得高能量利用率的关键因素之一,其性能直接影响到射流的质量。用入口为圆锥形的带有喷嘴套的喷嘴产生的淹没射流冲蚀砂岩的实验证明射流破碎岩石存在两个最优喷距,且第二个最优喷距破碎岩石体积较大;锥形喷嘴入口角为30°破岩效果最佳;喷嘴套为扩展型最佳。     

脉冲射流破岩规律的数值试验

利用非线性动力有限元方法和岩石的动态损伤模型,系统研究了脉冲射流的速度、长度、频率以及脉冲的数量等参数对破岩效果的影响,并用试验进行了验证。研究结果表明,脉冲射流的速度、长度和脉冲数量增大时,岩石的破碎效率迅速增大;射流的破岩效果随脉冲频率的增大,呈现先增大后减小的趋势,存在一个最优频率范围。在此基础上分析了脉冲射流的破岩机理,所得结论为脉冲射流的设计提供了依据。     

空化射流及其在钻井破岩中的应用前景

空化射流在地面低环境压力下已经获得了广泛的应用，但是在地下高环境压力下的应用却遇到了一定的困难。为此，阐述了空化现象和空化射流研究简史、空化形成的机理、检验空化生成的方法和影响空化的因素；讨论了传统上用于判断射流是否空化及空化程度的空化数的合理性,结果为用空化数不能判断射流的空化状态，流场中具有绝对压强小于或等于汽化压强的区域是射流空化的必要条件。针对空化射流比普通射流破岩能力强的问题，分析了Rayleigh空穴湮灭冲击压强计算公式存在的问题，给出了空化射流中的流体质量脉动引发作用在岩石表面上的压强脉动是导致岩石破坏的主要原因的理论解释。应用自振射流喷嘴能提高油气井钻进速度的原因不是射流空化，而是脉动的射流在岩石表面产生的脉动压力。在分析深井钻井的高温、高围压等特殊环境和空化形成机理后，认为空化射流应用于深井钻井很难。     

水力破岩最优射流压力实验研究

通过对淹没射流破岩的实验研究，得到了以比能作为目标函数的水力破岩最优射流压力条件，可用于指导现场钻井水力参数设计。     

研究钻头破岩机理的新设备和新方法

介绍一种研究钻头(特别是牙轮钻头)破岩机理的新型试验装置和试验方法.这套由微机控制操作和光电扫描采样的试验和分析装置,在上作原理和组成结构上与国内外现有的任何一种钻头试验架都不相同)它能真实地模拟钻头牙齿破岩时的运动及受力状态,更准确地测童、分析试验结果,因而能为研究钻头的破岩机理和钻头设计技术提供更有实用价仇的试验成果和数据.     

超高压射流辅助钻井技术研究进展

超高压射流辅助机械破岩钻井是提高深井钻井速度的一项前沿技术，关键技术包括井下增压器、超高压射流辅助破岩机理和钻头、超高压射流钻井参数和工艺等。主要介绍了超高压射流破岩机理、井底流场和辅助破岩钻头研究进展，在此基础上提出了超高压水射流辅助钻井技术的研究方向。     

水射流对PDC钻头齿纵向清洗力的实验研究

讨论了不同水力结构及参数下水射流对模拟ＰＤＣ钻头齿纵向清洗力的影响。通过对实验数据的多元统计分析，得出了各钻头齿受纵向清洗力随水力结构及喷速变化的关系式。结果表明，清洗力随喷速的增大而增大；要提高清洗力，应使喷嘴适当靠近并以一定的方位角和较大的倾角指向所清洗的刀翼。     

高压水射流破岩比能演化机理研究

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型，在对高压水射流破岩过程模拟分析的基础上，进行了射流破岩比能演化机理的研究。研究结果表明，在脉冲射流载荷的衰减阶段，由于岩石卸载的阻力较小，卸载过程中所释放的能量利用较为充分，使得脉冲射流的破岩比能明显小于连续射流；因为旋转射流的每一质点均具有三维速度，易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏，且回流的干扰较少，提高了射流的能量利用率，使得破岩比能也明显低于连续射流，且随着切向速度与轴向速度比值的增大，旋转射流破岩比能逐渐减小。     

破岩钻井方法及高压水射流破岩机理研究

简要分析回顾了破岩和钻井方法的发展，论述了激光钻井和高压水射流钻井的发展潜力。阐明了高压水射流钻井技术已具备工业应用的可行性。分析了高压水射流破岩机理研究中的关键问题及解决途径，介绍了利用数值模拟和试验相结合的方法研究高压水射流破岩机理所取得的一些突破性进展，提出了建立和完善高压水射流破岩理论体系、发展水射流钻井技术的研究方向。     

内倾式侧喷嘴钻头井底射流流场初探

提出了柱座标下三维紊流流场控制方程，并用有限差分法进行数值模拟。探讨了强化井底漫流的措施，认为内倾式侧喷嘴可以较大幅度地提高井底漫流强度。吐哈油田深井钻井实践表明，３１１．１ｍｍ三牙轮钻头采用新型内倾式侧喷嘴后，机械钻速平均提高４３．９９％。     

高压射流冲击破碎岩石的有限元计算

高压射流冲击破岩是一个复杂的非线性问题。通过MSC．Marc建立模型，分别使用动态接触作为非线性冲击载荷模拟高压水射流冲击岩石。通过动力计算分析，根据岩石内部应力的变化使用Hoffman失效准则研究了岩石的破碎过程。分析表明，增加射流冲击速度可以提高射流破碎岩石的效率，当射流速度迭到某一临界值时，射流水锤作用使得岩石发生大块破碎。     

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。