新型刮刀钻头的设计及现场试验研究

在理论分析的基础上，综合PDC钻头和刮刀钻头的优点，设计了一种新型的刮刀钻头，并进行了现场试验。现场试验结果表明，该钻头运转平稳，采用低钻压、高转速，钻进速度快，井眼规则通畅，有较明显的防斜作用，该种钻头的推广应用对提高钻井工程的整体效益具有十分重要的意义。     

自振空化射流提高钻井速度的实验研究

空化射流用于提高钻井速度的可行性研究结果表明，在钻进作业中，利用空泡破裂产生强大破坏作用来提高钻探的效率，其效果显著，可行性高。室内实验表明，自振空化射流在比普通喷嘴射流更深的井底或更高的围压条件下，有更大的起始空化数和更强的空化能力。自振空化喷嘴起始空化数大都在1.0以上，最高达到1.67，而锥形喷嘴最高仅为0.43，围压下其冲蚀效率是锥形喷嘴的1~2倍。现场试验同样证实设计的自振空化射流喷嘴在保护钻头、减少钻头磨损及增加进尺、提高机械钻速方面有显著作用。     

塔河油田深井脉冲空化射流钻井试验研究

塔河油田深井钻井水力能量利用效率低、机械钻速低、钻井成本高,严重制约了勘探开发速度。针对该油田钻井实际情况,结合二开φ241.3 mm井眼地层、钻具组合和水力参数,利用水力脉冲空化射流钻井技术提高机械钻速。该技术配合常规钻具和复合钻井钻具组合使用,脉冲空化射流发生器耦合脉冲射流和自振空化射流,改善井底流场及岩面应力状态,提高钻速。该技术在塔河油田进行了4口井5井次的现场试验,在常规泵压、排量、钻井液密度等参数条件下试验井深达6 162 m,试验井段与邻井相近井段在相近工况下机械钻速平均提高33.3%~74.3%,单套钻具纯钻时间超过260.0 h。试验结果表明,塔河油田二开井段砂岩、泥岩等地层配合PDC钻头应用水力脉冲空化射流钻井技术,能够很好地提高机械钻速。      

复合钻井用新型金刚石钻头研制及现场试验

针对复合钻井钻头转速高、井下动力钻具的输出扭矩受限制的特点,研制了一种尖圆混合布齿、低扭矩的新型金刚石钻头.现场试验证明,新型金刚石钻头扭矩小,寿命长,在相近条件下,比邻井常规金刚石钻头的机械钻速提高30.1%～36.2%,能更好地适应复合钻井的需要.     

自振空化射流提高钻井速度的可行性研究

空化射流用于石油钻井的可行性研究结果表明，在深井钻井中，利用空泡破裂产生强大破坏作用和振动冲击波来提高清洗、切割和钻探的效率，其效果将是显的，也是可行的。在比普通喷嘴射流或普通空化喷嘴射流更深的井底和更高的围压条件下，自振空化射流有较大的起始空化数和较强的空化能力，有较好的切割岩石和清洗岩屑净化井底的作用。同时，根据自振空化射流原理，研制了风琴管自振空化喷嘴，现场试验结果证实了自振空化喷嘴钻头在保护钻头、减少钻头磨损及增加进尺、提高机械钻速方面有显作用。     

自振空化射流改善油层特性实验研究及现场应用

自振空化射流是具有强烈压力振荡和高空化起始能力的新型射流,利用高压釜装置对围压下自振空化射流提高污染岩渗透率进行的实验研究结果表明,对中、低和高渗透率岩样,空化射流作用深度均超过250mm,渗透率提高率随射流压力的增大而增加,随喷距的增大而减小;当围压值为2MPa时,渗透率提高率达到最大值.同时,在相同条件下,自振空化喷嘴作用下渗透率提高率为锥形喷嘴作用的2倍以上.现场应用效果证明,自振空化射流对解除油层和水层堵塞有明显效果.     

三牙轮三喷嘴钻头井底射流辅助破岩机理分析

由于井底射流辅助破岩的复杂性，其室内模拟试验和理论分析均有较大难度，所获得的结论多以经验性的、定性的解释为主，还未能建立能用于实际的、确定有效的理论。为此，采用有限元方法模拟分析了三牙轮三喷嘴钻头井底射流流场，结合井底岩石应力状态和岩屑启动机制的分析，探索了井底射流辅助破岩的机理。研究结果表明，三牙轮钻头三个喷嘴直径的不同，致使井底流场高压区和低压区并存，钻头旋转，带动流场局部低压区周期性地覆盖井底，使得岩石破碎强度和岩屑启动的难度降低，钻头的破岩钻进效率提高。喷嘴间直径差别的增大，使得井底流场高压区和低压区之间的压差增大，钻井机械钻速提高。研究结果与现场试验结论一致。     

低压缩扩形喷嘴空化射流数值模拟及试验研究

针对水力喷射式海底挖沟所用锥形喷嘴冲蚀挖沟效率低等问题,基于理论分析,设计了缩扩形空化射流喷嘴。数值模拟结果发现,该喷嘴在低压1.5 MPa喷嘴压降下可以使淹没射流空化,空化发生的区域主要在扩张段。冲蚀试验揭示了喷嘴扩张段的长度对射流冲蚀效果的影响。1.5 MPa下冲蚀砂样试验结果表明:当喷嘴喉部长度为3倍喷嘴直径、扩张角为30°、扩张段长度为4倍喷嘴直径时,射流冲蚀效果最佳,试验条件下比其他3种缩扩形喷嘴的冲蚀深度及宽度分别提高125%和75%,对比锥形喷嘴分别提高73%和280%。研究结果为空化射流应用于海底挖沟提高效率提供了理论依据。     

水力脉冲空化射流钻井技术现场试验

水力脉冲空化射流钻井是在钻井过程中将水力脉冲空化射流发生器安装于钻头上部的一种钻井新技术,可以综合利用机械能量及水力能量提高钻井速度。通过使用水力脉冲空化射流发生器将钻井过程中进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动,钻头喷嘴出口形成脉冲空化射流。文章分析了冀东油田高尚堡地区高94-22井水力脉冲空化射流的现场试验并与同区块邻井进行了对比,结果表明水力脉冲空化射流钻井较常规钻速提速13.51%～45.4%,有较高的利用价值。     

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。     

粒子冲击钻井钻头喷嘴流场数值模拟研究

为了考察粒子冲击钻井过程中,粒子流经钻头喷嘴的加速过程和流场分布规律,应用Fluent对粒子进入喷嘴后的流动进行数值模拟研究。运用标准κ-ε双方程模型,对双锥度喷嘴粒子射流流场进行仿真模拟,分析了射流压力、围压、粒子直径和粒子质量浓度等因素对粒子射流流场的影响。结果表明,粒子射流加速主要发生在喷嘴收缩段,在等速核前缘速度达到最大。粒子喷射速度和单位时间内通过喷嘴的粒子动能随射流压力增大而增加;粒子浓度越大,单位时间内通过喷嘴的粒子动能越大,破岩效率升高,但粒子浓度过大会导致其流动性差,反而不利于破岩。因此,粒子浓度对其冲击破岩效率的影响主要取决于破岩过程中哪种因素起主要作用。     

Investigation and Application of Self-Resonating Cavitating Water Jet in Petroleum Engineering

The paper presents the investigations of a unique jet as self-resonating water jet including the modulating principles, characteristics of impact pressure and rock erosion, and field applications in petroleum engineering in China. The research showed that jet nozzles designed with organ pipe structure could generate significant self-resonating cavitating water jets. As compared with conventional cone-shaped nozzle with 120° taper angle, the amplitudes of pressure fluctuation and maximum impact pressure of self-resonating cavitating water jets increase by 24 and 37%, respectively, and rock erosion efficiency increases by 1 to 2 times. Self-resonating water jets have been successfully applied in petroleum drilling engineering, with enhanced average rates of penetration of tricone bits by 31.2% and improved bit footages by 29.1%. Treatment of near wellbore formation and self-excited oscillating water injection with self-resonating water jets have resulted in economic efficiency.     

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。     

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。     

超高压射流破岩规律在钻头设计上的应用

超高压射流破岩的室内试验研究发现:射流压力越高破岩效果越好;最优喷距随着射流压力的升高而增大,200 MPa时最优喷距达到32.5倍喷嘴直径;150 MPa时破岩效率最高;喷嘴安装角度为12.5°时破岩效果最好。据此,对超高压PDC钻头的喷嘴布置进行了优化,认为普通喷嘴布置方式是不合理的,并优选出了最佳超高压喷嘴布置方式,这有利于提高超高压射流破岩效果。     

大庆油田小眼井优选参数钻井技术

针对大庆油田小眼井钻井现场试验中暴露出机械钻速低的问题，结合现场实际，提出从钻头结构、水眼组合、泥浆体系及水力加压工具等几方面改进钻井参数的优选。９口小眼井钻井实践证明，采用较为合理的钻井技术方案，可大大地提高钻井速度。     

径向钻井倾斜井底高压水射流流场分析

为了对径向钻井倾斜井底高压水射流的流场进行研究,建立了三维单喷嘴水射流井底模型,采用Fluent软件对模型的流场结构进行了数值模拟分析。分析结果表明,径向钻井高压水射流喷嘴外部流场中存在"负压效应"和"水垫现象",负压的存在有利于射流从喷嘴内部流出,水垫会对喷头的推进产生阻碍作用;当径向钻井临时井底倾斜角度为0°时,射流到达井底后沿井底壁面中心向外对称流动,但随着井底墙壁倾斜角度的增大,由于倾斜井底的引流作用,大部分流体会沿着井底倾斜的方向流动,并且沿倾斜方向的流速较大;径向钻井中,如果井底是倾斜的,则沿着井底倾斜方向的压力比井底另一侧高。