淹没条件下星形喷嘴射流流动特点的实验研究

对近期清洗行业出现的星形喷嘴射流进行了淹没条件下的实验研究。利用粒子成像速度场仪对星形喷嘴射流的速度场进行了测量,分析了星形喷嘴的射流衰减机理。实验发现,星形喷嘴射流与普通圆射流相比,其射流初始段较短,但基本段内速度随喷距衰减的速率较低。在7倍于喷嘴直径的喷距以内,星形喷嘴射流的速度低于圆射流速度。随着喷距的进一步增加,星形喷嘴射流的速度高于圆射流速度。在10～12倍于喷嘴直径的喷距范围内,星形喷嘴射流的最大速度和最大动压力分别提高了约20%和44%。该项研究为星形喷嘴射流在石油钻井工程中的应用提供了依据。     

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。     

撞击射流井底漫流特性数值研究

应用大涡模拟方法对不同条件下单喷嘴垂直撞击射流的流场特性进行了数值模拟,对数值模拟结果的分析研究表明,在射流撞击距离小于射流等速核长度的条件下,射流撞击距离和喷嘴出口面积的变化对井底漫流层的厚度没有明显影响.提出了采用井底有效漫流层厚度和有效平均漫流速度研究水力作用对井底和钻头的清洗及冷却效果的新概念.研究表明,就PDC钻头而言,减小钻头面至井底的距离,对提高整个井底的有效平均漫流速度,效果并不明显.     

旋转射流流动规律研究

在前期证明导向叶轮式喷嘴所产生的旋转射流具有较强的破岩成孔能力的基础上,本文对旋转射流的运动规律进行了实验研究。结果表明:旋转射流的速度及压力分布特性明显不同于普通圆射流,在近喷嘴范围内其速度剖面、压力剖面和轴向速度剖面均呈现"M"形分布的特点,切向速度剖面呈现"N"形分布的特点;随着射流向前喷射,射流的横断面不断向外扩散,其速度和压力剖面变得越来越平缓,衰减较快;旋转射流截面最大轴向速度和切向速度与喷距的负指数成正比关系衰减。表明该旋转射流相对于普通圆射流具有较强的横向扩散能力和较弱的轴向传递能力,为合理设计和利用旋转射流提供了依据。     

高分子添加剂射流结构特性的试验研究

利用三维激光多普勒测速仪(LDV)对不同浓度的添加剂射流在淹没条件下的时均流场进行了测量。结果表明,添加剂射流的结构可分为初始段、过渡段和基本段三个区域,在试验浓度范围内,添加剂射流比清水射流的等速核长,浓度为100—200 mg/L时等速核最长,无因次等速核长度约为5.39—5.46,之后随着浓度的增加,等速核逐渐变短。在基本段内断面轴向时均速度分布具有自模性,浓度越大轴心速度衰减越快,射流的边界扩展越大。     

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。     

喷速对射流等速核长度及轴线动压力影响的实验研究

等速核长度是射流的重要参数之一,它关系到射流内部的能量分布。实验证明,在喷速超过40米/秒的条件下,射流等速核长度不再是常数,而是随喷速的增加而变长。射流等速核长度的变化,也受喷嘴结构的影响。     

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°。     

喷射钻井井底速度场的试验

本文用流体力学现代测速方法;"毕托管-传感器+模数转换板-微机"对全尺寸三牙轮钻头井底射流和漫流的特性及流动规律进行了室内实验和研究。文中首先分析了喷嘴组合方式对射流和漫流特性的影响,在此基础上提出强化射流和漫流的新型喷嘴结构构思,接看讨论了喷嘴出口水力参数对射流和漫流的影响。研究射流速度、能量及漫流速度的沿程衰减规津表明,其衰减相当严重。最后经过实验结果对比,就射流自身所具有的特性提出了新的看法。     

切向注入式旋转射流喷嘴携岩能力研究

鉴于优化井底水力特性能有效地提高钻头破岩钻进速度的认识,提出了将旋转射流引入到钻头的技术设想,并设计了切向注入式旋转射流喷嘴。基于较少假设,采用标准k-ε模型,对切向注入式旋转射流喷嘴流场进行了数值模拟研究,并以射流冲砂携岩试验进行了验证。研究结果表明,切向注入式旋转射流喷嘴的携岩能力优于直射流喷嘴;切向注入式旋转射流喷嘴存在最佳携岩喷距和切向注入孔个数,该实验中最佳喷距为5～8L／d,最佳切入孔个数为3个。研究结果为钻头的设计和使用提供了依据。
     

喷射钻井射流冲击力实验研究

本文通过室内试验,研究了淹没自由射流对井底产生的总冲击力。结果表明:在不存在"空化"等影响的情况下,随着喷射距离的增加,射流冲击力一直呈衰减规律,不存在所谓"最佳喷距"。按冲击力衰减程度可将喷距分为两段,从而提出了"临界点"的概念。根据对井底形状、喷距、喷速等因素的分析,得到了射流冲击力计算模式。作者对射流冲击区与漫流区分别进行研究,分析了冲击作用与漫流剪切、"静压上吸"的机理,对喷射钻井具有指导意义。     

大型储罐旋转射流搅拌器数值模拟

原油在大型储罐的储存过程中,会出现罐底油泥沉积等现象。旋转射流搅拌器依靠自身的旋转喷射,对储罐起到全方位搅拌作用。利用CFD软件对装有旋转射流搅拌器的大型储罐进行研究,分析不同喷射速度下流场的流态分布,确定搅拌器最合理的喷射速度。射流在前进过程中不断向周围扩散,能量损失大,沿轴向速度衰减迅速,在4种喷射速度下,喷嘴出口1 200 mm范围内,速度衰减大于70%,之后速度衰减变缓慢。随着射流速度的增加,搅拌效果不断提高,30 m/s为最佳喷射速度。     

基于分离涡模拟的旋转射流流场结构特征分析

采用改进的分离涡模拟方法配合剪应力输运模型分析旋转射流涡结构、速度场、压力场的演化过程,探索喷嘴压降对大涡结构发展和湍流脉动波动的影响规律。研究结果表明：射流涡结构的发展可划分为Kelvin-Helmholtz不稳定性阶段、过渡阶段和旋转不稳定性阶段;旋流作用能够显著增强径向湍流脉动、增大射流扩散角,湍流脉动耗散是下游射流速度衰减的主要原因;随压降增大,射流速度和脉动幅度都相应增大,速度分布的对称性增强,沿轴线方向的压力脉动特征和涡旋输运强度显著增加,但当喷射距离超过约9倍无因次喷距后,提升压降并不能提高旋转射流的有效冲击距离,但可以增大旋流强度和射流扩散角。旋转射流更适用于需求大孔径的径向水平井钻孔、煤层气水平井造穴和煤矿巷道钻孔卸压等工程场景。     

基于CFD的高压水射流喷嘴流场仿真分析

目前高压水清洗技术在油管清洗领域占据了非常重要的位置,喷嘴作为高压水射流清洗系统的核心元件,其结构直接决定了射流清洗效果,因此选择和设计合理的喷嘴结构是非常重要的。基于计算流体动力学,建立三种常用喷嘴射流计算模型,以射流核心速度的衰减快慢、射流清洗的有效宽度、射流基本段长度作为喷嘴结构优劣的评价指标,通过计算分析得到:锥直型喷嘴最适宜作为高压水射流清洗喷嘴。     

径向钻井高压水射流喷嘴内外流场分析

径向钻井高压水射流技术目前在国内外得到了广泛应用。对射流喷嘴内、外流场进行数值模拟分析将为选择合理的喷嘴结构以及为高压水射流破岩的进一步研究奠定基础。根据射流动力学原理,建立了单喷嘴轴对称淹没射流破岩的物理模型和数学模型,运用Fluent软件对径向钻井高压水射流喷嘴内、外流场进行了数值模拟,并分析了在不同喷距和入口流量下喷嘴内、外流场的规律。分析结果表明,射流轴线上存在速度衰减性、圆柱段速度保持性和最大速度偏移性;当射流冲击到径向井底后,在井底壁面上产生水垫,对喷头的推进产生阻碍作用;在径向钻井高压水射流中会产生滞止现象,将不利于钻井过程中岩屑的快速移运。     

常压下淹没自激空化喷嘴的试验研究

本文概述了自激空化射流的原理和自激喷嘴的设计方法;并在常压下进行了淹没自激空化水射流冲蚀人造岩芯的试验研究。重点研究了风琴管喷嘴的腔室底部形状、出口喉部厚度和出口扩散角对射流冲蚀性能的影响,得出了有规律性的结果。同时在不同泵压、不同喷距的条件下对所设计的喷嘴射流轴心压力脉动作了测量。结果表明,风琴管喷嘴的射流压力脉动大于锥形喷嘴的射流压力脉动,且压力脉动的规律和破岩规律有密切的关系。     

超高压磨料射流喷嘴流场分析及结构优化

为得到超高压喷嘴的最佳射流特性,提高磨料射流切割设备的作业效率,基于两相流理论研究了流体和磨料颗粒在喷嘴收缩段和圆柱段内加速的理论计算方法,同时利用计算流体力学软件FLUENT对喷嘴内外射流特性进行仿真分析,研究喷嘴内、外速度和压力场分布情况,并对比理论计算与仿真结果。在此基础上,研究收缩段角度和圆柱段长度对喷嘴内、外射流特性的影响,确定喷嘴内部最优结构尺寸范围。研究结果表明:对于入口直径8 mm、出口直径1 mm的喷嘴,圆柱段长度范围宜选取3035 mm,收缩角范围宜选取12°13°。所得结论可为超高压磨料射流喷嘴的设计及现场应用提供参考。     

射流式水力降压实验研究

采用研制的射流式水力降压模拟工具及其相应的试验台架,对一种在常规钻井方式下有效降低井底压力的射流式水力降压方式进行了实验研究。着重研究了工具喷嘴直径、排量及安装位置距钻头距离对降压效果的影响。研究得出如下结论:(1)射流式水力降压工具的降压效果随排量的增加而增加,在排量为9 L/s,工具距钻头距离L=0,喷嘴直径N=2.5 mm情况下,井底环空产生最大压差为0.45 MPa,当L=6 m,N=3.5 mm,工具吸入口处产生最大压差0.58MPa,该处压差平均降低17.74%;(2)工具降压效果与工具安装位置及喷嘴尺寸选择有关,工具安装在近钻头处,降压效果最明显,过于远离井底,降压效果波及不到井底,L>2 m时对井底环空压降趋近于0;(3)射流式水力降压工具可以有效地解决窄密度窗口地层的涌、漏等故障。     

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。     

高压淹没水射流破岩实验研究

利用高压淹没射流装置对几种岩石进行了破碎实验，通过对实验结果的分析讨论，得出了喷嘴出口动压力、喷嘴直径和喷距与破岩效果之间的关系。