径向钻孔喷头破岩成孔流固耦合分析

利用ANSYS软件流固耦合模型对径向钻孔喷头破岩成孔过程进行分析,将CFD软件的内、外流场分析结果导入结构力学分析软件,对破岩成孔过程进行了精确的数值模拟分析。结果显示:在30L/min的入口条件下,喷头能够产生大于破岩临界速度的高压水射流;前向射流旋转切割岩石,反向射流提供反冲力,从而实现自进式破岩。表明该设计方案用于破岩是有效的,该数值模拟方法在分析高压水射流破岩方面是可行的。     

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。     

基于SPH算法的高压水射流破岩机理数值模拟

应用ANSYS/LS-DYNA软件,采用SPH算法模拟了高压水射流破岩的三维非线性冲击动力学问题,得到了破岩过程中能量转化关系和射流冲击力时程曲线,同时也获得了水射流破碎岩石的时序演化过程,较好地反映了水射流破岩的真实物理过程,证明了该仿真方法的可行性,所得结论将为水力参数优选以及钻头喷嘴设计提供一定的参考。     

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。     

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。     

脉冲水射流破岩的数值模拟研究

根据连续介质力学理论，导出了脉冲水射流破岩系统的控制方程。并运用瞬时最小势能原理，建立了脉冲水射流破岩的有限元基本列式和离散方程。数值计算的结果较为真实地反映了脉冲射流破岩过程中岩石的动态响应的演化过程，揭示了射流破岩过程中的机理。所得结论与相关试验规律吻合良好，探索了一种研究水射流破岩规律的有效方法，对脉冲水射流破岩的深入研究和应用具有重要的意义。     

基于CFD的自进式喷嘴参数优化

为了有效穿透井眼污染带，扩大泄油面积，提高油藏采收率，最终实现增产增注的目的。通过建立喷嘴三维模型，采用Fluent软件进行模拟，研究自进式喷头在不同前后喷嘴直径、前后喷嘴角度下的流场特性，利用流场中速度的分布规律结合公式计算出反冲力、破岩力、推进力的变化趋势。结果表明:随着后喷射角直径和前喷射角角度的增大，反冲力、推进力增大，破岩力减小；随着前喷射角直径和后喷射角度的增大，反冲力和推进力减小，破岩力增大。最终得到喷嘴的匹配方案，为实际生产提供了可靠依据。     

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。     

水射流径向钻孔关键技术及试验研究

水射流径向钻孔技术是一种低成本微小井眼水平井钻井技术,近几年在国内外得到了广泛应用。在介绍水射流径向钻孔技术发展现状的基础上,对水射流径向钻孔的关键技术进行了研究,研制了相关的井下工具,包括套管钻孔工艺及工具、水力喷射钻进工艺及工具以及相配套的井下转向技术及工具,并进行了室内试验。试验结果表明,对不同壁厚和材质的套管,仅需10~15 min即可钻透;单孔喷头和多孔喷头在一定的压力和流量下都能实现喷射破岩,但多孔喷头喷射破岩效果较好,成孔直径大;用多孔喷头和单孔喷头无法在纯水泥岩样上喷射成孔,而用机械方式钻孔则比较容易。根据试验结果,形成了新的水射流径向钻孔工艺,即"一趟钻钻穿套管和水泥环+地层喷射"工艺,与原来的"套管钻孔+水泥环和地层喷射"工艺相比,新工艺提高了水射流径向钻孔的效率和成功率。     

高压水射流对机械水力联合破岩速度的影响研究

在阐述机械水力联合破岩的基本原理的基础上对高压水射流提高机械水力联合破岩速度的机理进行了理论上的探讨，同时，设计了专门的试验用钻头，在室内试验条件下，研究了高压水射流对联合破岩效果的影响，得出了一些具有参考价值的结论。     

围压对射流破岩特性影响的试验研究

围压是石油工程中影响射流动力学特性的重要参数之一。应用高压井筒模拟试验装置进行了围压对常规连续射流、空化射流和磨料射流破岩效果影响的试验，最高围压达到20MPa。试验结果表明，围压对常规连续射流和空化射流破岩效果影响明显，破碎体积随围压的增大而减小，减小的速度随围压增大逐渐变缓；而对获得最大破碎体积的最优喷距影响不大，为3～5倍喷嘴直径，说明围压对射流基本结构特性影响不明显。当围压小于15MPa时，磨料射流射孔深度随围压的增大而近似呈线性减小。该试验可为射流参数的优选提供依据。     

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,...     

自进式旋转射流钻头破岩效果

利用有限的排量实现高效的破岩效率并尽可能增大径向水平井眼的延伸能力是实施新型径向水平井技术的关键,射流钻头的性能是该关键技术要解决的首要问题。在多孔射流钻头的基础上,设计研制了自进式旋转射流钻头,分析了其工作原理,并通过试验对自进式单孔旋转射流钻头、自进式单孔直旋混合射流钻头、自进式多孔旋转射流钻头以及自进式多孔直旋混合射流钻头随时间、射流压力和喷距的破岩钻孔规律进行了研究。研究结果表明:当喷距范围为9~12 mm、射流压力为20~35 MPa时,在相同的射流压力和喷距条件下,自进式多孔直旋混合射流钻头的破岩效果优于自进式多孔旋转射流钻头,其中1+4孔的多孔直旋混合射流钻头的破岩效果最好。设计得到的新型射流钻头可以提高径向水平井的钻进速度。     

水射流钻径向孔用步进式钻进系统的研究

水射流钻径向孔用喷管的前端牵引钻进方式存在自牵引力小,限制了喷管长距离钻进的问题;地面下放钻进方式又存在力传递情况复杂,下放速度波动大,地面难以实现井下钻进速度精确控制等问题.鉴于此,研究了水射流钻径向孔用步进式钻进系统.该系统通过低速钻进控制器实现喷管的低速钻进,通过步进式锚定送进机构保证喷管持续钻进.试验结果表明:...     

水力喷射径向钻孔器的流场特性

水力喷射径向钻孔器的结构优化设计和破岩性能直接决定了钻进速度。文中利用CFX软件建立水力喷射径向钻孔器的有限元数值模型,开展了钻孔器内外流场的三维流动特性分析,研究了入口排量、井眼内径对流场特性的影响规律。结果表明:随着入口排量的增加,前、后喷孔的最大流速均有所增加,且后喷孔的最大流速大于前喷孔;随着井眼内径和入口排量的增加,钻孔器最大流速增大。同时开展的水力喷射钻水泥环实验研究发现,岩样硬度对钻水泥环的喷射效果有较大影响。若岩样硬度较大,形成的水眼较浅;若岩样硬度较小,喷射速度快,易于破岩,形成的水眼较深。研究成果可为优化钻孔器的结构参数、提高钻孔器的工作性能以及完善水力喷射径向钻孔工艺提供理论指导。     

A swirling jet from a nozzle with tangential inlets and its characteristics in breaking-up rocks

In order to apply a swirling jet to a PDC drill bit, the nozzle performance influenced by nozzle inlet geometric parameters and rock breaking tests under submerged conditions were studied. Numerical simulation was used to study the influence of the nozzle structure on the swirling intensity and nozzle discharge coefficient. Simulation results indicate that spreading angle of the swirling jet is greater than that of the non-swirling jet, and the swirling intensity of the jet is strongly influenced by the length of the nozzle body but weakly by the number of tangential inlets. Rock breaking tests were conducted to evaluate the performance of the swirling jet. It is found that the swirling jet shows a lower threshold pressure to break the rock samples and could break rock more efficiently compared with the non-swirling jet.     

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。