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。     

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。     

新型射流提高机械钻速机理及研究进展

在油气井钻井中，喷射钻井技术能够较大幅度地提高钻井速度，其实质是喷嘴射流辅助钻井破岩，提高了井底破岩效率。为此，文章在如何向井底输送能量和充分利用井下水力能量研究的基础上，进行了多种新型射流的研究与应用。文章对断续射流、自激振荡脉冲射流、自振空化射流和它激振荡脉冲射流4种形成新型射流的理论和方法，提高机械钻速机理进行了分析。现场应用结果表明，新型射流能够较大幅度地提高机械钻速，具有广泛的研究和开发应用前景。     

井底脉冲式不对称流场钻井工具的研制及应用

常规钻井作业中井底水力能量利用率较低,水力辅助破岩和清岩能力下降,导致井底岩屑不能及时清理而造成岩屑的重复破碎,甚至形成钻头泥包,使得钻井速度降低。鉴于此,研制了与钻头配套使用的JSXMC型井底脉冲式不对称流场钻井工具。该工具产生的脉冲射流直接通过钻头喷嘴作用于井底,在井底产生不对称流场,不仅具有降低井底压持效应、产生负压脉冲和空化辅助破岩等功能,还具有脉冲效果更强、工具长度短和辅助冲击钻井等特点,从而大幅提高机械钻速。现场应用结果表明:在钻具组合相同和钻进参数基本相同的情况下,该工具的平均机械钻速比邻井提高30%,同时还具有保护钻头的作用。该工具的研制成功可为钻井现场合理有效地利用井底的水力能量并提高机械钻速提供参考。     

井底高压射流辅助钻井技术

在现有钻井条件不变的情况下,提高机械钻速较理想的方式是充分利用井底射流能量来提高破岩能力。在井底产生射流的方法很多,重点阐述了机械阻断式水力脉冲射流钻井和井底增压超高压射流钻井技术,并详细分析了其技术原理、国内外发展现状及存在的问题,还进一步介绍了水力脉冲钻井工具和国外井下增压器技术的最新进展,最后就该技术提出了相关建议。     

围压条件下脉冲射流提高清岩效果数值模拟研究

脉冲射流钻井技术具有高效清岩能力,但其提速机制还不十分清楚。通过建立围压条件下单喷嘴脉冲射流井底清岩物理模型,对脉冲射流清岩过程进行了数值模拟研究,分析了影响脉冲射流清岩效果的主要因素。结果表明,非稳态旋流是脉冲射流提高清岩效果的主要原因之一,在相同排量条件下,脉冲射流清岩效率比连续射流平均提高约1~1.6倍。脉冲射流清岩效率随着喷嘴直径和入口流速的增大而增大;围压对脉冲射流清岩过程影响较小;低频率脉冲射流的清岩总体效果较好;随着岩屑粒径增大,井底冲击区域内岩屑分布非均匀性增强,脉冲射流清岩效率降低。研究结果对指导脉冲射流提速技术的工程实践具有一定的参考价值。     

井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具试验研究

井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具是一种集成脉冲射流技术与粒子冲击破岩技术的钻井提速工具,可以在井底实现钢制粒子的自循环冲击破岩,并伴有一定的压力脉冲效应,二者联合实现高效破岩。为了全面掌握工具的结构尺寸对压力脉冲效应、粒子自吸效果和破岩效率的影响规律,设计加工了模型工具,并利用模型工具在室内开展了压力脉冲测试、粒子吸入量测试、粒子自吸效果观察和破岩试验,证实了工具自吸功能和压力脉冲效应,分析了工具结构尺寸对压力脉冲幅值、引射系数和破岩效果的影响规律。研究结果可为井底自激振荡脉冲粒子射流钻井工具的结构优化提供试验技术支持。     

水力脉冲诱发井下振动钻井工具研究

为有效提高深部地层钻井速度,充分发挥水力脉冲钻井和冲击振动钻井的技术优势,提出了水力脉冲诱发井下振动钻井的技术思想,并研制了相关的钻井工具。该类钻具的基本原理是调制水力脉冲,通过水力能量转换机构,将压力脉动直接转化为作用于钻头上的周期性冲击载荷,利用岩石在冲击载荷作用下易于破碎的特点、井底的水力脉动有助于改善井底岩石应力状态、强化岩屑净化的特性,提高了钻头的破岩钻进效率。实际应用结果表明,所提出的技术思想确实可行,研制出的工具原理正确,结构可靠,为提高深部地层的钻探效率提供了一个有效途径,可大面积的推广应用。     

高压射流辅助钻井技术研究现状及发展趋势

随着全球油气资源开采的不断深入，深井和超深井钻井提速技术逐渐成为提高地下油气资源开采能力的重要手段。其中高压射流辅助钻井技术是油气钻井提速的重要技术手段之一，不仅能大幅提高钻进效率，还能延长钻头使用寿命、降低热磨损和增加井底清洗效果。为此，在系统介绍高压射流辅助钻井理论的基础上，重点阐述了高压射流破岩、射流—机械联合破岩和射流辅助携岩机理，探讨了射流辅助钻井技术的发展趋势，并对地面和井下2种主要增压方式及相关设备进行了详细论述，最后结合射流辅助钻井的发展历程，深入分析了脉冲射流、磨料射流、CO₂射流等先进射流辅助钻井破岩及携岩的发展趋势。研究结果表明：(1)未来地面增压泵将朝着大泵压、大排量方向发展，井下增压器将会进一步致力于延长寿命和提升可靠性；(2)先进射流辅助钻井虽然存在一定不足，但是其辅助钻井优势突出，有望解决目前地面增压与井下增压的瓶颈。结论认为，对高压射流辅助钻井技术、射流增压装置和先进射流辅助钻井技术现状的回顾和分析，明确了制约当前深层油气优快钻进的关键问题，为钻井提速提效提供了新的研究思路和发展方向。     

自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头流场数值模拟

为了解决超短半径径向水平井水力钻头破岩效率低的问题,将膛线引入水力学中,利用膛线的螺旋切割产生直旋混合射流,同时根据磨料射流高效破碎靶件的特点,利用岩屑产生磨料射流的优势,设计了A、B 2种结构的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头,并利用数值模拟方法分析了钻头的流场分布规律。分析结果表明,钻头的螺旋切槽能够形成旋转射流,磨料漏斗均能吸入岩屑形成磨料射流;钻头的扩展段和井底两侧均能产生涡漩,该涡漩可以促进岩屑翻滚,进而提高清岩效果,轴向速度分布规律与常规喷嘴圆形射流规律相似;自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头设计时应优选A型。     

旋转磨料射流破岩钻孔试验研究

针对径向水平井钻井技术中旋转水射流在硬地层和深井中破岩能力低的不足,利用磨料射流破岩能力强的优势,对旋转磨料射流进行了试验研究。结果表明,旋转磨料射流破岩具有钻孔直径大和破岩效率高的双重优点,并随泵压增加,钻孔直径也增加。与非旋转磨料射流相比,同样条件下旋转磨料射流钻孔直径和破岩体积都比前者高出多倍。该试验研究为磨料旋转射流应用于径向水平钻井提供了基础     

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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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。     

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     

水射流射孔对套管冲击压力的数值模拟

为了进一步认识水力喷砂射孔过程及射孔成孔的形态,分析了靶距、砂粒体积分数和喷射速度对套管射孔压力的影响。采用射流理论、材料冲蚀理论和计算流体力学,利用计算机仿真软件,对不同靶距、砂粒体积分数和射流速度下的喷砂射孔进行数值研究。研究结果表明,随着靶距的减少,套管壁上的射孔压力增加; 随着靶距的增加,套管壁上产生的射孔压力面积增加; 射孔压力随着砂粒浓度和喷射速度的增加而增加。该研究结果可为水力喷砂射孔及套管射开孔型的优化研究提供参考。     

高压水射流PDC钻头结构参数数值模拟研究

以中硬细砂岩为岩石材料,应用动态有限元法对高压水射流PDC钻头参数做了数值模拟研究。得出如下结论:(1)高压射流入射角对不同岩层存在最优值,对于中硬地层细砂岩最优入射角为40°;(2)PDC钻头钻进中钻齿所受扭矩随作用半径增大成指数规律增长,在硬地层钻进钻齿前倾角为-15°时破岩效果最佳;(3)采用直径1.8mm的高压小喷嘴射流能显著改善PDC钻头钻齿受力,避免钻齿冲击破坏,延长钻头寿命;(4)高压水射流与机械齿联合破岩时,喷嘴与钻齿相对位置对破岩效果有显著影响,喷嘴处于钻头外锥时,可均化钻齿受力,提高破岩效率。     

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。     

超高压PDC钻头超高压喷嘴布置实验研究

通过实验研究与理论分析相结合,提出了超高压喷嘴布置方案。实验结果表明,在射流压力低于150MPa时,随着射流压力升高,单位功率下的岩石冲蚀体积迅速增大,但当射流压力达到150MPa并进一步升高时,单位功率下的岩石冲蚀体积略有下降,150MPa时破岩效率最高;超高压喷嘴按前进的方式移动,破岩效果最佳;喷嘴移动速度小于2.9mm/s时对岩石的冲蚀效果影响不大,超过此值后,冲蚀效果明显降低。从实验结果可以看出,喷嘴在钻头上的布置直接影响破岩效果。     

高效破岩新方法进展与应用

为了提高破岩效率,新型钻井工具和技术不断产生。为此总结和介绍了国内外最新的高效破岩方法及其应用,按高效破岩方式将其分为2类:①利用新型钻井工具提高破岩效率,包括水力脉冲空化射流发生器、新型PDC钻头与井下增压工具;②利用新型钻井技术提高破岩效率,包括控粒子钻井技术和超临界二氧化碳钻井技术。现场应用和试验研究结果表明,这些新型的钻井工具或钻井技术都能显著提高破岩效率,具有很好的应用前景。最后提出高效破岩的合理化建议,以期为我国钻井实现高效破岩提供指导。