自进式多孔射流钻头径向水平井钻进能力分析

自进式多孔射流钻头前、后向孔眼参数对径向水平井钻进能力具有重要的影响。通过室内破岩试验研究了多孔射流钻头前向孔眼参数对破岩效果的影响,建立了自进式多孔射流钻头射流反冲力计算模型,研究了后向孔眼参数对射流反冲力的影响。研究结果表明,在试验条件下,破岩体积随着前向孔眼扩散角的增大呈先增大后减小的趋势,随着前向孔眼直径的增大,破岩体积逐渐增大;在相同的后向孔眼当量直径下,射流反冲力与后向孔眼数量无关;随着后向孔眼直径的增大,射流反冲力先增大后减小,射流钻头压降逐渐减小;后向孔眼直径的选择要兼顾射流反冲力和射流钻头压降,以保证射流钻头的自进和破岩效果。     

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。     

射流磨钻头流场特性及其外排屑槽影响的数值模拟

在油气田开发中,水平井钻进时携岩困难、托压严重、机械钻速慢等问题严重影响生产效益。射流磨钻头既能降低井底压差实现欠平衡提速,又能粉碎岩屑实现岩屑悬浮运移,为水平井安全高效钻井作业提供技术支撑。研究基于计算流体力学方法,建立了射流磨钻头流场的数值仿真,并采用标准k-ε双方程模型对其流场特性及其外排屑槽尺寸的影响进行了模拟研究。结果表明,无外排屑槽时射流磨钻头的降压效果最好,井底低压区和中压区呈现一降一升的趋势;井底压力沿钻头直径方向分布极不均匀,高压与低压交错出现;在开外部排屑槽的情况下,内排屑孔的总体积流量占比达100%以上,随单个外排屑槽宽度的增大,内排屑孔的总体积流量占比增加,且外排屑槽存在钻井液回流的现象,回流体积流量占比4%以内。研究结果为射流磨钻头的优化设计与应用提供理论依据。     

旋转钻头射流方式对井底流场影响的数值剖析

为研究射流方式对旋转钻头井底流场的影响,对三维、旋转、非对称布置多个喷嘴的钻头进行了多种射流方式的数值对比模拟,并进行了详细的数据分析和讨论。模拟结果表明,射流方式对漫流层厚度影响不大但对井底的清岩能力有明显影响,同角度倾斜射流产生的井底结构在计算范围内比其它射流方式要好。     

定向喷嘴PDC钻头井底流场特性研究

对PDC钻头水力结构的优化是控制泥包生成和发展的有效手段。基于计算流体力学理论,针对PDC钻头在使用过程易产生泥包的问题,建立了带有侧向射流喷嘴的PDC钻头井底结构的物理模型,采用k?ε双方程模型封闭N?S湍流方程,使用SIMPLEC算法对该条件下的物理模型进行数值模拟计算,并定性研究了井底流场特性及刀翼表面速度、压力分布特征。研究结果表明:侧向射流形成新的射流区,减小了井底漩涡的覆盖面积,对井底清岩能起到积极作用;在侧向射流带动下,刀翼切削面的剪切力、压力梯度增大,利于抑制泥包的成长和冷却刀翼,提高钻头性能。该结论为PDC钻头水力结构的优化提供了新的思路。     

多股撞击射流流场的数值模拟研究

应用湍流模拟技术中的大涡模拟方法,对井底多股受限撞击射流的流场特性进行数值模拟.通过对模拟结果的分析,给出了井底条件下多股圆喷嘴撞击射流流场结构的精细描述;揭示了不同钻头水力结构条件下流场中“旋滚圈”的存在,进而探讨了井底岩屑随液流流动的运移机理,提出了有关井底清岩理论的新观点.     

旋转钻头井底流场的初步数值研究

将三维、旋转、非对称多个喷嘴射流等多种因素全面考虑 ,对旋转钻头井底流场进行了数值模拟 ,并详细分析了井底和钻头间各面上的数据 ,指出井底流场的拓扑结构与单喷嘴旋转射流产生的结构很相近 ;喷嘴倾斜射流能更好地加强井底流体的携带能力 ,有利于清除滞流或回流 ;按本文布置的非对称分布的 4个喷嘴射流相对于对称喷嘴射流 ,能明显改善井底流动 ,对钻头设计有直接指导意义。     

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。     

脉冲射流提速配套PDC钻头流场数值模拟研究

为了最大限度地发挥脉冲式井底交变流场提速工具的性能,采用数值模拟的方法对与提速工具配套的PDC钻头进行研究,模拟钻井液通过其产生的井底交变流场,研究了钻头刀翼类型、刀翼数量和喷嘴数量对钻井液井底冲击力和井底清岩效果的影响,并对钻头结构进行了优选。研究结果表明:螺旋刀翼、7喷嘴、6刀翼钻头产生的脉冲射流具有较高的平均静压冲击力和井底冲击力振幅; 6直刀翼6喷嘴钻头对应的井底动压冲击力波动最大,达到7. 0 kN以上,5直刀翼7喷嘴钻头对应的井底静压冲击力波动最大,为2. 8 k N; 5直刀翼5喷嘴钻头的清岩效果最好,其产生的井底最小岩屑质量浓度和平均岩屑质量浓度最低,且井底岩屑质量浓度的波动幅值最大,达到1. 6 kg/m~3;对于软到中硬地层,配合使用脉冲式井底交变流场提速工具,选择5直刀翼5喷嘴PDC钻头清岩和携岩效果较好;对于硬地层,选用6直刀翼6喷嘴PDC钻头提速效果较好。所得结论可为脉冲射流钻井提速工具配套PDC钻头结构设计及应用提供参考。     

反循环空气钻井钻头结构设计及其流场分析

针对伊朗某油田的复杂地层,提出了反循环空气钻井工艺和钻头结构。采用Po/E参数化设计软件和Phoenics CFD计算流体力学软件,对660.4mm(26英寸)反循环钻头的井底流场进行了计算机仿真模拟分析。研究分析结果表明,660.4mm(26英寸)反循环钻头入口空气流量为100m~3/min时,井底流体流速为清洗岩屑所需流速的2倍多,足以清洗井底岩屑但效率较低;当入口空气流量为50m~3/min时,仍然具有清洗井底岩屑的能力,且提高了效率。研究结果为反循环钻头的结构优化设计提供了依据。     

专用反循环钻头内喷孔结构设计研究

为探索更加合理的内喷孔结构形式,提出了一种新型内喷孔结构,并基于反循环钻头孔底流动模拟试验器与现有内喷孔结构进行了对比试验测试。运用CFD技术对内喷孔局部流场进行了数值模拟,揭示了不同类型内喷孔局部流场的流动特征,得出了新型内喷孔结构不同喷射角对其抽吸特性的影响规律。室内试验与数值模拟结果表明,新型内喷孔结构有利于反循环的形成,更有利于改善和提高专用反循环钻头(特别是大直径反循环钻头)的性能。     

PDC钻头旋转流场与非旋转流场的模拟对比研究

在钻井过程中,当地层较软且含有大量黏度较高的物质时,如果不能及时排出岩屑,容易产生泥包,从而降低钻头钻速。对PDC钻头的旋转流场与非旋转流场进行数值模拟仿真,并通过DPM模型模拟岩屑在井底的运移。研究表明:岩屑的运移轨迹在旋转流场与非旋转流场的环空部位存在明显差异;旋转流场岩屑侵蚀刀翼背部较多,非旋转流场岩屑侵蚀齿面较多;刀翼冠部区旋转流场的速度相比非旋转流场的速度较小,刀翼内锥区旋转流场的速度相比非旋转流场的速度较大。     

基于EASA的PDC钻头井底流场分析平台研究

常规PDC钻头井底流场水力性能的数值模拟分析具有门槛高、耗时长和重复工作量大等缺点。鉴于此,建立了一个基于EASA封装软件的PDC钻头井底流场分析平台。通过对CFD软件的集成,利用EASA软件建立友好的用户界面,并对CFD底层应用程序进行封装,实现用户界面与底层应用程序之间的数据交互,通过网络发布和共享,用户即可对PDC钻头井底流场分析平台进行远程调用。实例验证结果表明:通过该平台进行PDC钻头水力性能的分析可有效降低CFD软件的使用门槛,提高钻头井底流场的分析效率,节约人力与物力资源。研究结果能够为石油装备企业及现场应用提供规范化的技术支持。     

高温射流井底流场与参数影响分析

高温射流钻井过程中,高温流体在上返时易引起上部井壁岩石的裂解垮塌和钻柱持续高温,为实现安全高效钻井,提出了通过钻柱侧向注冷水的环空冷却方案,研究了射流速度、射流温度和冷水速度等参数对环空冷却效果的影响。研究结果表明:随着射流速度的增加,环空平均温度对射流速度的变化敏感性越来越弱,同时环空平均温度与射流温度呈线性关系。冷水速度存在某一临界值,该临界值与射流速度和井眼直径等因素有关,当冷水速度大于临界值时,既能够保证高温流体对井底的破岩效果,又可以对环空进行较好地冷却。研究中,临界值为射流速度的70%80%,高温射流与冷却水的临界流量比为0.91,且随井筒尺寸的增加而增大。高温射流破岩的能量利用率高,在深井硬地层中采用非接触式破岩可提高钻井速度。在实际较软地层钻井过程中,两侧冷却条件下的高温射流方案在需要进行扩眼钻进的地层具有一定的适用性。     

3000m~3航煤储罐结构特点及设计要点

本文以新加坡裕廊岛3000m~3航煤储罐为例,详细介绍了罐体结构设计、浮动出油装置选型、储罐内防腐和浸泡试验要求等。该储罐投入使用后,运转正常,可为今后类似储罐设计提供参考依据和指导意见。     

两相态多物质高温射流钻井井下流场模拟分析

高温射流是一种适用于深部硬地层的新型钻井方法,它通过井下反应器中超临界氧化反应生成高温高压的射流破岩,因此对不同相态、多物质条件下高温射流钻井井底流场进行瞬态分析,并考虑不同地层的岩屑直径大小对井底流场的影响,模拟条件更加符合实际钻井井底状况。研究结果表明:冷却水紧贴钻井管柱上返,可以有效地对管柱进行降温保护,防止管柱高温失效破裂;超临界水与冷却水之间存在一个较薄的温度变化过渡层,最大比热容均处在超临界流体边界,可以较好地捕捉超临界水和亚临界水的分布; Peng-Robinson状态方程可以较准确地对二氧化碳的热物理性质进行模拟;在实际钻井过程中,可以通过控制高温射流与冷却水的注入比例调节环空温度,防止出现高温井壁坍塌等事故;岩屑直径越大,高温射流作用的区域越大,更加易于清理。研究结果可为高温射流钻井提供理论依据。     

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。