机械-射流破岩耦合特性研究

在现代旋转钻井破碎井底岩石中仍是以机械破岩为主，理论与实践证明，射流辅助破岩是提高钻井破岩效率的重要途径，但它们的耦合特性研究极少。文章基于渗流场与应力场的耦合理论分析，进行了机械与射流破岩耦合特性的实验研究。结果表明：射流压力和水楔作用对岩石渗流场、应力场具有重要作用，耦合作用比非耦合作用的破岩效率有较大幅度的提高。在实验条件下，砂岩的耦合作用提高破岩效率40％左右，灰岩的耦合作用提高破岩效率20％左右。     

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钻井工程作业要破碎厚达数千米厚的岩石，其破岩效率的主要影响因素是井下地层岩石性质、破岩工具和方法。文章对岩石性质进行了基本分析，进行了喷嘴射流水力冲蚀辅助破岩门限压力的实验研究。提出了在现有旋转钻井方式下，钻头的机械破岩、喷嘴射流的水力辅助破岩和降低井底压差是提高钻井破岩效率的三个重要途径。分别阐述了它们能够提高钻井速度的机理、方法、关键技术和研究方向。同时介绍了激光钻井和电热能钻井新方法的研究与发展趋势。     

井底反向射流辅助破岩机理分析

采用有限元方法模拟分析了井底反向射流辅助破岩的机理,分析结果表明,反向射流抽汲井底流体,降低了作用于井底的压力,使得岩石易于破碎,岩屑的净化效果改善,而且抽汲作用在井底诱使流体定向流动,也强化了井底岩屑的启动,使新的岩石破坏面暴露,钻头的破岩钻进效率提高。随着反向射流速度、射流轴线速度与井底平面间夹角和喷嘴直径的增大、喷嘴数量的增多以及井眼直径的减小,反向射流对井底流体的抽汲作用逐渐增强,作用于井底负压的绝对值逐渐增大,也越有利于提高钻井速度。研究结果为实际应用提供了理论依据。     

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现代旋转钻井破碎岩石是以机械破岩为主导方式，射流辅助机械破岩的目的是提高机械钻速。文章论述了牙轮钻头与岩石相互作用过程及岩石剪切破坏的内在规律；重点研究了射流的水楔作用对岩石裂纹产生、扩展、贯通及破坏的机理。实验结果表明，射流辅助钻井的门限压力是岩石抗拉强度的4.1倍，是抗压强度的26%；还与井底压差及其它岩石物理力学性质有关。同时指出，超高压射流的研究与应用是辅助钻井高效破岩的重要发展趋势。     

微颗粒强化射流空化及破岩能力研究

深井、超深井钻井面临地层强度高、机械钻速慢等挑战，利用射流空化作用辅助破碎岩石为深井提速提供了新方向。为此，提出了利用微颗粒降低空化临界负压，提高空化强度的技术思路。采用高速摄影和水听器，证实了微颗粒对射流空化的强化作用，并通过冲蚀破岩试验探索了微颗粒直径、质量分数及喷距对空化射流破岩能力的影响规律。研究结果表明：微颗粒的存在可提供额外的空化核，同时降低了空化初生难度，可提高井底射流的空化强度；随着微颗粒质量分数的增加，空泡云趋于稳定，空化的周期性特征逐渐消失，微颗粒的磨蚀作用和空泡的冲蚀作用将在岩石表面共同形成辅助破岩效果；随着喷距增大，空化破坏作用先增加后减小，无因次喷距为100时空化射流冲蚀效果最佳；优化设计钻头水眼到井底岩石的距离，是保障空化射流辅助破岩效果的关键。研究结果可为提高深部难钻地层射流辅助破岩效率提供参考。     

三牙轮三喷嘴钻头井底射流辅助破岩机理分析

由于井底射流辅助破岩的复杂性，其室内模拟试验和理论分析均有较大难度，所获得的结论多以经验性的、定性的解释为主，还未能建立能用于实际的、确定有效的理论。为此，采用有限元方法模拟分析了三牙轮三喷嘴钻头井底射流流场，结合井底岩石应力状态和岩屑启动机制的分析，探索了井底射流辅助破岩的机理。研究结果表明，三牙轮钻头三个喷嘴直径的不同，致使井底流场高压区和低压区并存，钻头旋转，带动流场局部低压区周期性地覆盖井底，使得岩石破碎强度和岩屑启动的难度降低，钻头的破岩钻进效率提高。喷嘴间直径差别的增大，使得井底流场高压区和低压区之间的压差增大，钻井机械钻速提高。研究结果与现场试验结论一致。     

超高压辅助钻井高压喷嘴侧倾角模拟研究

利用超高压射流在井底圆周上切割出一圆形切槽, 改变井底待破碎岩石应力状态, 辅助提高机械破岩效率, 为此, 通过建立井底流场计算域, 运用数值模拟的手段, 在 Ｋ－ε两方程数学模型基础上计算封闭的 Ｎ－Ｓ方程, 对简化的三牙轮钻头超高压淹没射流在高压喷嘴不同侧倾角情况下的井底流场进行模拟。模拟发现随着超高压喷嘴侧倾角的减小, 井底平面上高速流体的漫流速度增加, 过流面积增加, 等速核的长度增大, 直射点的最大静压力增大。分析认为超高压喷嘴侧倾角的减小有助于井底岩屑的及时清洗; 在喷射速度、 喷距、 喷嘴直径一定的情况下, 针对不同门限压力值的岩石, 存在一个最大的超高压喷嘴侧倾角角度, 侧倾角角度小于等于 ８ ° 时, 超高压射流对于大部分岩石都适用。     

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。     

喷嘴射流和漫流特性对钻速的影响

通过现场调查和室内试验,作者认为在目前条件下,双喷嘴的最佳直径比值范围是0.6~0.7;给出了射流轴心速度衰减方程;最大井底漫流速度在距井底0~2.5毫米之间变化;对大多数岩石来说,只有形成破碎坑后,射流才有辅助破岩的作用。     

基于CFD的双流道钻头井底流场数值模拟

针对高低压双流道钻头的井底流场建立了二维模型,利用CFD及有限元方法对模型进行网格划分、设置边界条件并进行计算。通过分析喷嘴压力、井底流场压力及流体速度等数据表明:增加双流道钻头高压喷嘴的射流压力,在井底形成高压喷射可以降低井底流场的静压力,能够释放地层压力,提高PDC钻头的切削破岩能力,从而提高机械钻速。     

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。     

高压水射流理论及其在石油工程中应用研究进展

近年来新型水射流理论研究及其在石油工程中的应用进展主要包括：①自激振荡射流调制机理研究，创制了新型高效自振空化射流，发明了自激振荡射流钻头，首创了自振旋转射流处理近井地层解堵增产增注技术和自激波动注水技术。②机械及水力联合破岩理论研究，揭示了在钻井压入与旋转双向应力作用下，岩石裂纹形成和发展规律，建立了联合破岩钻头设计理论。③旋转射流理论和破岩机理研究，研制了径向水平钻井技术。①磨料射流特性和参数影响规律研究，优化了水力喷砂射孔参数设计，发展和完善了水力喷砂射孔技术。⑤高压水射液深穿透水力射孔及辅助压裂可行性研究，不仅可以提高射孔和压裂效率，而且为油田(特别是低渗透油藏)增产增注提供了一种有效方法。⑥双射流理论及其特性研究，双射流有利于形成大而深的破岩孔道，避免孔眼凸底的形成。可以提高射流破岩钻孔效率。⑦探索超高压射流辅助破岩理论及辅助钻井新方法，建立了超高压射流辅助破岩的三维PDC钻头模型。参18     

钻井井下高围压对射流的影响分析

高压射流以其自身所具有的运动特性和动力特性，在各个领域得到广泛的应用，喷射钻井是高压射流技术在钻井工程中的重要应用。依据射流外边界上液流束冲击压力与围压力的平衡关系，重新给出了射流外边界的定义，通过分析建立了围压对射流截面的影响模型和围压下的射流冲击压力计算模型，通过实例计算分析，得出了围压对射流外边界形状的影响规律；在相同的射流作用下，围压增大，射流对作用面的冲击力会明显减小，在围压大于一定值后，围压对射流基本段内冲击力的影响大于对初始段内冲击力的影响；较大的钻井液密度，在一定程度上有助于减小围压对井底射流的影响等重要结论。这对认识深井高围压环境下的射流特征、补充和完善喷射钻井理论有重要意义。     

液氮磨料射流破碎高温花岗岩机理

液氮磨料射流是一种高效的破碎干热岩方式。为进一步探究其破岩机理,开展液氮磨料射流喷射高温花岗岩室内实验。从宏观角度分析岩石破碎形式、射流孔眼形态及表面特征,从微观角度分析断裂面形貌和微裂缝分布等,探究液氮磨料射流破碎高温岩石特征。同时,开展磨料水射流和氮气磨料射流破岩实验作为对照。实验结果表明,液氮磨料射流形成的孔眼形状不规则,表面凹凸不平,且破碎体积明显大于磨料水射流和氮气磨料射流。扫描电镜实验显示,低温、冲击载荷作用下,在孔眼壁面和孔眼附近区域生成大量微裂缝,其主要断裂方式为拉伸、剪切作用下岩石的脆性断裂,表现为穿晶断裂和沿晶断裂。理论分析和数值模拟研究表明,液氮低温作用对岩石造成损伤,而热应力、磨料冲击载荷和流体水楔作用在损伤岩石基础上主要以剪切和拉伸两种方式破碎岩石。     

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喷射钻井能够提高钻井速度主要是充分利用喷嘴射流的水力能量来源理岩屑和破碎岩石。脉冲射流喷嘴的瞬时冲击动压力和瞬时速度大，它的轴心瞬时冲击动压力比普通连续射流提高１．７倍，岩心冲蚀体积的提高２倍。所以，脉冲射流消除和减小了井底岩屑压持效应，使整个井底形成了不墨守成规和不均匀的压力分布。从而有效地净化井底和破碎岩石，现场应用中提高了钻井速度。     

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°。     

高压水射流破岩钻孔的实验研究

高压水射流很早就被证明是一种潜力巨大、高效及方便的破岩钻孔工具和方法。但单喷嘴普通射流的冲击破碎面积小,喷嘴旋转系统不可靠性,限制了它的实际应用。本文根据石油钻井技术发展的需要,用特殊方法设计出带有导向元件的喷嘴,调制出旋转射流,在室内进行了一系列实验。实验结果表明,该旋转射流可以产生足够大的冲击面积,钻出比喷嘴直径大40多倍的孔眼。其破若以剪切破碎为主,破岩效率是普通喷嘴的数10倍,破岩门限压力仅为普通射流的1/2左右。地面钻孔试验结果,证实了旋转射流具有破岩成孔能力。     

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,...     

高压水射流井底切槽应力卸载特性

深井/超深井岩石应力大造成的岩石强度升高是导致钻头磨损快、钻井效率低的主要原因之一。高压水射流技术由于可以大幅度提高机械钻速而被广泛应用于钻井工程领域。传统高压水射流破岩理论认为水射流能够起到清岩和辅助破岩的作用,但水射流形成的凹槽对井底岩石应力状态分布的影响一直没有引起足够的重视。结合钻头与高压水射流联合破岩过程,提出了高压水射流井底切槽应力卸载方法。基于Biot多孔弹性力学理论,建立了深部岩层物理模型,分析了不同井深、地应力状态、井底压差条件下岩石有效应力的分布形态和切槽应力的卸载程度;结合不同围压条件下花岗岩的力学特性,使用自定义岩石抗压强度函数分析了井底切槽对岩石强度分布特征的影响规律。研究结果表明:随着井深的增加,应力卸载效率不断升高,井底轴线处有效应力卸载效率在70 %以上,井底周围有效应力卸载效率约为50 %;钻井液压力的升高减小了应力卸载效率,且井底轴线处应力卸载效率受钻井液压力的影响较大;水射流切槽显著降低了井底轴线处岩石的强度,卸载效率达50 %以上,井底周围岩石强度卸载效率约为30 %;井底凹槽的存在释放了岩石的有效应力,并将井底岩石应力集中于区域推离切削面,从而降低了钻头作用区域的应力值,在一定程度上降低了岩石的强度,进而提高机械钻速。     

自振空化射流改善油层特性实验研究及现场应用

自振空化射流是具有强烈压力振荡和高空化起始能力的新型射流,利用高压釜装置对围压下自振空化射流提高污染岩渗透率进行的实验研究结果表明,对中、低和高渗透率岩样,空化射流作用深度均超过250mm,渗透率提高率随射流压力的增大而增加,随喷距的增大而减小;当围压值为2MPa时,渗透率提高率达到最大值.同时,在相同条件下,自振空化喷嘴作用下渗透率提高率为锥形喷嘴作用的2倍以上.现场应用效果证明,自振空化射流对解除油层和水层堵塞有明显效果.