三牙轮钻头井底漫流速度计算探讨

在喷射钻井过程中,井底漫流速度是清除井底岩屑、净化井底的主动力。应用流体力学的基本原理,在垂直半喷嘴射流井底平面的点源散射物理模型,以及倾斜单喷嘴射流井底平面的源－汇叠加物理模型的基础上,对三牙轮钻头的三倾斜组合射流的井底平面漫流场建立了源－源叠加的物理模型,从而推导出了数学计算式。计算式中几乎包括了三牙轮钻头所有与井底漫流场有关的设计和应用计算参数。通过编制的计算机软件的计算结果表明,井底平面漫流速度和分布与实际和实验结果吻合。理论计算为三牙轮钻头的设计和水力参数设计提供了理论依据。     

井底漫流场数值模拟研究

理论研究、台架实验和现场经验表明：井底流场的特性与钻井效率、钻井安全、钻头寿命等有着密切的关系。而喷嘴几何形状、喷嘴布置方式是决定井底漫流场是否合理的关键因素。为了发展有预见性的定量化井底流场研究技术，应用热流理论井底漫流场进行了数值模拟。模拟结果与台架实验对比表明，井底漫流场数值，模拟能比较客观的反映不同喷嘴组合、不同侧倾角、不同后倾角条件下几股射流的相互作用情况，可为评价井底流场的优劣、钻井效率的高低提供一定的理论依据。     

喷射钻井井底流场的试验研究(二)

采用贴线法和模拟岩屑进行井底流场的全尺寸模拟试验,表明在井底场相对稳定的位置将产生局部旋涡和局部回流现象,并导致钻头水力功率的损耗和岩屑的重复破碎。结合钻头牙齿的破岩原理及其井底模式的分析,认为改善井底流场是提高井底清岩效率的重要途径。     

单喷嘴井底平面流场的初步探讨

本文通过某些简化并应用流体力学基本理论,对单喷嘴井底平面流场进行了初步的探讨,分析推导了单喷嘴井底平面流场的速度和压力分布规律的近似式。多个喷嘴,多股射流冲击到井底后形成的流向不同的横向流将产生相互干扰,但在未受干扰的各自流动区域中,本文的分析结果仍可适用。     

喷射钻井中井底岩面最大水功率和最大冲击力工作方式

本文首次把解决现代工程技术问题行之有效的“黑箱(black box)”理论用来研究井底射流流场。用一种新的全尺寸水力能量测试实验,直接测得三牙轮钻头下射流到达井底岩面(即钻进过程中钻头钻出的瞬时井底岩石表面)的水功率和冲击力。建立了计算井底水功率和冲击力的经验公式,提出了以井底岩面获得最大水功率和最大冲击力为喷射钻井水力程序设计准则的两种新的最优工作方式。 本文在所实验的条件下,获得了井底岩面最火水力能量的功率分配比值(R_N)和全喷距(135毫米)下射流水力能量衰减系数的范围等极值条件。在同样的条件下,以井底岩面最大水力能量优选的最优排量比钻头最大水力能量的最优排量约提高7.5％左右。并从理论和实践上证实了适当提高排量和强化机泵的必要性。     

喷射钻井井底流场的研究

在全尺寸试验架玻璃井简内进行了喷射钻头井底流场试验。试验用贴线法研究多股液流在井底场空间流动时液流方向、路线等流向分布的全貌。一个良好的井底流场应能使液流在井底场的流动满足岩屑离开井底、在井底推移岩屑和从井底举升岩屑这三个基本动作并使之配合好。试验对比了对称井底流场和不对称井底流场的特征和优缺点。试验表明:有效的利用向下冲击的高速射流;合理的安排下行液流与上返液流的“流道”并尽量控制它们相互干扰的方面,利用它们相互促进的方面;扩大和强化液体沿井底的横向流动是不对称井底流场的三个主要优点。为此,新型喷射钻头应以不对称井底流场为设计依据和发展方向。     

改善井底流场能够提高钻速

自从喷射钻井技术广泛应用以来,人们一直在研究如何充分利用喷射钻头在井底获得的水力功率,以获得更好的钻井经济效益。本文介绍了喷射钻头井底流场液流流向、井底排屑量和井底液流压力的试验研究方法及其应用。研究表明,由于井底流场的不完善而形成的涡旋、回流和滞流区是造成岩屑在井底重复破碎,影响井底净化效率的重要因素,改善喷射钻头的井底流场,最大限度地减少这些因素的影响,能够更好地发掘喷射钻井技术的潜力,提高钻井速度,降低钻井成本。     

矩形连续弯道流场简化计算数学模型

运用新近的解析-数值势流理论方法，生成正交数值网格，用差分法计算出平面二维流场。然后，按将水力半径分为河床阻力水力半径和河岸阻力水力半径的方法和对数流速分布公式，计算垂向流速分布。将平面二维流场计算和垂线流速分布计算很好地结合起来，形成了特殊的渠道三维流场计算方法，此方法边界适应能力强，计算时间短，内存少。已用于计算连续弯道，其结果令人满意。     

庆深油田神经网络法优选钻头研究

利用人工神经网络法中的自适应共振理论进行石油工业中优选钻头类型的研究.为了改善钻头工作性能,在提高钻速的同时,还要注意钻头在井下的可靠性,认真进行钻头优选研究非常必要,这将会大幅度降低石油钻井成本.人工神经网络理论为钻头优选提供了一种有效的方法.文章应用自适应共振人工神经理论来提高石油钻井中钻头类型选择的可靠性,分析了自适应共振神经网络的结构并给出了计算步骤,建立了钻头优选模型.该理论在庆深油田徐深10井进行了实验,结果表明实验井的平均机械钻速比以前提高20%,单只钻头进尺提高37.4%.提高深井钻井速度的效果明显,该优选钻头方法切实可行.     

淹没条件下星形喷嘴射流流动特点的模拟研究

为了优化钻头水功率配置,提高井眼净化效果,对新近引入石油工程中的星形喷嘴射流进行了模拟研究,建立了喷嘴射流流场的流动控制方程,采用有限体积法对其进行离散,结合Realizable k-ε模型对方程组进行求解,并将计算结果与圆形喷嘴射流的结果进行了对比.对比结果发现,淹没条件下喷嘴出口截面形状对射流的影响主要体现在射流的起始段,起始段内星形喷嘴射流流场较圆形喷嘴射流的要复杂.当喷距大于4倍喷嘴当量直径时,星形喷嘴最大、最小截面上轴向速度和湍动能的衰减趋势同圆形喷嘴的衰减趋势一致,两个截面上射流速度剖面满足自相似性.     

高压除鳞喷嘴内部流场数值模拟与仿真分析

针对目前工厂广泛使用的高压除鳞喷嘴，应用前处理软件Gambit建立其内部流场的三维模型，采用Fluent软件提供的Laminar层流模型对不同结构参数的喷嘴内部不可压缩、稳态、层流流场进行了数值模拟，并分析了各参数对其流场速度分布、压力分布和出口轴心速度的影响。仿真值与理论计算值十分接近，数值模拟结果表明，喷嘴收缩角和直径对其内部流场影响较大，而扩张角对其内部流场影响相对较小，但各参数都存在最优值，且各参数之间也存在着最优搭配使射流打击效果最好。     

PIV技术在喷气织机主喷嘴流场测量中的应用

将粒子图像测速(PIV)技术应用到喷气织机主喷嘴流场测试系统,对观测的粒子图进行处理得到主喷出口速度、矢量图、等速度场图、出口速度衰减图,经分析讨论,得到主喷嘴最大速度范围和速度衰减范围.实验结果揭示了主喷嘴流场分布情况,为数值模拟和进一步研究提供了参考.     

计算跨音速流场的时间相关扫描有限元素法

引言近十年来在跨音流场的数值计算方面有了很大的发展。在这期间,用有限元素法来求解流体动力学问题也相应的得到了发展。本文提出了一种新的用有限元素法计算跨音速流场的方法——时间相关扫描有限元素法。它比一般的有限元素法更为灵活,并具有如下的特点: (1)直接以空气动力学的基本方程为控制方程,同时,直接以场变量(压力、温度和速度分量)作为基本未知量。这样,当要考虑粘性或热传导时,不会增加很大的困难。(2)由于每一个单元是一个独立的计算单位,因此,方法具有更大的灵活性,在有关边界单元的计算中满足相应的边界条件。     

成品油管网水力计算的有限单元法

借鉴给水工程中管网水力计算有限单元法的基本原理，并结合油品管路的摩阻计算方法，探讨了利用有限单元法对成品油管网进行水力计算问题．研究表明，有限单元法用于成品油管网的水力计算切实可行．具有计算速度快、上机前准备工作量小和编程简单等优点．     

三步有限元的大涡模拟

采用三步有限元法求解不可压缩非定常流的Ｎ－Ｓ方程直接模拟后台阶流、平面流场中的旋涡运动及流场的压力分布特性,采用亚格子湍流模型,对雷诺数Ｒｅ＝５．５×１０５的流动做了计算分析。空间离散采用速度、压力同阶的三角形三节点单元。根据计算结果绘制了速度向量图,并对流场的压力分布进行了分析,分析表明,用该方法计算所得结果与有关资料吻合较好。该方法为大涡模拟在工程上的应用提供了一定的依据。     

国内外钻头优选方法述评

在钻井工程中,钻头用于破碎岩石形成井眼。钻头的类型、质量优劣与岩性及钻井工艺条件是否适应对钻井速度、钻井成本和井身质量有直接影响。钻头的优选方法可分为三类:岩石力学参数法、钻头使用效果评价法及综合法。介绍常见的几种优选方法,分析目前各种钻头选型方法的基本思想、基本原理和简要的操作流程,及其适用情况和优缺点。最后指出,最佳的钻头优选方法应当是综合考虑钻头工作性能和岩石力学特性,同时兼顾钻头直接和潜在经济效益。     

海上油气田硬地层可钻性级值的确定方法

海上油气钻探由浅层向深层发展,下部地层的岩石强度和硬度增加,可钻性变差。对可钻性级值的确定是决定钻头选型和提速措施的前提。在传统的可钻性级值计算方法的基础上,考虑井底围压产生的影响,结合室内实验数据,利用粒子群分析方法对岩石强度、硬度、弹性模量、内聚力等强度参数进行拟合,建立考虑井底压差条件的可钻性级值计算方法。基于Drillworks平台,通过自定义计算模块进行编程计算,得出海上某气田硬地层的可钻性级值,并对比了水力脉冲空化射流与扭力冲击钻具的提速效果,就该区块开发井的提速工具选择提出了建议。     

牙轮钻头喷嘴射流破岩机理研究

本文以喷嘴射流冲蚀岩石为依据，对牙轮钻头的破岩方式、喷嘴射流的水力破岩和水力辅助破岩机理以及破岩的基本作用和影响因素进行了分析研究。结果表明，在现有机泵条件下牙轮钻头喷嘴射流对泥岩、页岩和粗粒砂岩具有直接水力破岩作用，对石灰岩、细粒砂岩有较好的水力辅助破岩作用。喷嘴射流冲击压力、射流的脉动特性、岩石的孔隙度和裂缝发育条件是影响水力破岩和水力辅助破岩的三个重要因素     

水力旋流器旋流运动的格子Boltzmann模拟

为确定格子Boltzmann方法对水力旋流器中旋流场模拟的适用性,基于水力旋流器的实验模型,采用格子Boltzmann方法,对水力旋流器内单相旋流场进行了模拟,并将本文模拟得到的平均速度分布与实验结果进行对比,给出了平均切向速度和平均轴向速度与实验值的相对误差。结果表明:格子Boltzmann方法能够模拟出水力旋流器中存在的旋流运动,并捕捉到流场的二次回流现象以及涡核的非稳态特征;模拟获得的平均轴向速度和平均切向速度分布与实验结果基本吻合,且对中心二次回流的模拟结果好于Hreiz(2011)文献模拟结果;模拟得出了平均径向速度在轴向上的方向交替变化,这与Hreiz(2011)结论吻合,并给出了水力旋流器中存在的旋进涡核现象。由此证明,格子Boltzmann方法可用于水力旋流器内旋流场的模拟。     

增压器涡轮蜗壳及有叶喷嘴内气体流动的数值计算

对SJ135增压器的涡轮蜗壳及喷嘴用Pro／E进行了流场计算区域的建模，用FIRE软件对蜗壳及喷嘴划分网格，根据计算流体力学（CFD）基本方程和K-ε双方程模型，采用有限体积法对其进行了三维可压缩粘性流场数值计算，得到了内部流动的模拟结果，通过对计算结果的分析，直观地掌握了蜗壳及喷嘴内部的流动情况，找出了蜗壳及喷嘴产生局部流动损失的部位和影响因素，为进一步改进蜗壳通道和喷嘴型线，减少流动损失提高能量转换效率提供了依据．在对双腔半周进气的涡轮蜗壳及喷嘴的流场数值计算中，喷嘴出口采用等压边界条件会对计算结果带来一定的误差．