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。     

空气反循环钻头设计与数值分析

空气反循环钻头是针对反循环空气钻井技术而开发的一种新型钻头。在常规三牙轮钻头的基础上,应用引射原理对反循环钻头进行结构设计。应用Fluent流体分析软件对2种反循环喷射钻头模型的周围及内部流场进行数值模拟。研究结果表明:在气体流量为50m3/min的条件下,2种不同腔体结构的反循环钻头可以清洗井底岩屑,并使岩屑顺利上返至地表;含有侧水眼的反循环钻头更有利于岩屑快速上返。为设计不同结构参数的反循环钻头提供理论依据。     

套管钻井专用钻头试验研究

在分析套管钻井技术存在钻头单井成井率难点的基础上,简要介绍了Ф339．7、Ф273．1mm表层套管钻井钻头（镶齿固定式和延展胀开式钻鞋）、Ф244．Ф244.5mm技术套管钻井钻头（铰接胀开式钻鞋镶齿固定式和延展胀开式钻鞋）和Ф177．8mm油层套管钻井钻头（钢体PDC钻头）的结构、原理、技术特点和技术参数。详细叙述了Ф339．7、Ф273．1mm表层套管钻井钻头和Ф177．8mm油层套管钻井钻头的单元试验和现场试验情况。结果表明,大庆油田研制的套管钻井专用钻头可以满足现场应用要求。     

PDC取心钻头井底流场的数值模拟研究

以一种现场常用的PDC取心钻头为原型，充分考虑排屑槽和切削齿对于井底流动的影响，建立了与实际相接近的PDC取心钻头井底流场的物理模型。运用k—ε两方程模型，采用线性六面体等参单元对取心钻头井底沈动空间进行划分，用有限元方法对井底流场进行了数值模拟研究。分析了排屑槽和切削齿对PTC取心钻头井底漫流的影响，为合理进行取心钻头的结构设计及水力设计提供了依据和校验方法。     

钻头材料磨蚀磨损实验研究探讨

简述了冲蚀磨损的概念、冲蚀磨损的分类、气蚀磨损与磨蚀磨损的联系与区别。阐述了钻头冲蚀磨损的危害性及我公司冲蚀磨损失效研究的现状。对钻头材料磨蚀磨损对比试验研究的必要性和可行性进行了分析。介绍了开展钻头材料磨蚀磨损研究的目的，论证尽快建立磨蚀磨损模拟试验装置和模拟试验方法的紧迫性和必要性。     

超短半径水平井开窗钻头结构设计与数值模拟

超短半径径向水平井钻井技术是一项挖潜老区剩余油气% 扩大油气井泄流面积的一种油气田增产及改造技术,可为低渗、稠油、老油田和边际油田提供一种经济高效的开采途径。目前该技术及核心工具处于国外垄断地位,国内针对井下工具仍处于研发阶段,未见成熟的配套工具在现场应用。文章自主设计了超短半径径向水
平井井下套管开窗钻头,基于LS-DYNA显示动力学软件针对开窗钻头强度开展了数值模拟,形成了两种类型的开窗钻头,为今后自主装备配套奠定理论基础。     

自进式多孔射流钻头结构设计与流场特性分析

为了防止钻头在钻进过程中由于射流喷嘴顶住井底而发生卡堵问题,设计了一种带支撑板的自进式多孔射流钻头,并将圆锥收敛型喷嘴的结构设计应用于前向中心喷嘴,使前向中心射流具有更长的等速核以及更高的破岩效率。对所设计射流钻头的内外流场进行了三维流动特性数值模拟分析,并研究了支撑板结构对喷嘴流场特性的影响规律。研究结果表明:带支撑板的自进式多孔射流钻头的井底速度云图上分布着4个圆状高速区域,其中中心区域的流体流速最大,射流流束直径最大,即采用了圆锥收敛型喷嘴结构的前向中心射流具有更高效的破岩能力;当自进式多孔射流钻头具有3支撑板结构时,钻头的前向孔眼采用1+3布局结构更为合适;当射流钻头采用支撑板结构时,并不会影响漫流对井底排屑的清洗作用。研究结果对于自进式多孔射流钻头的现场应用及进一步的优化设计具有一定的参考作用。     

基于fluent的钻头体内部流场数值模拟与实验研究

介绍引射装置的工作原理及其在反循环取心钻头体上的应用,运用FLUENT流体工程仿真软件对30°、45°、60°三种不同倾角引射孔内部形成的负压进行模拟,得到对应压力分布云图与数值,并根据所得结论制造出带有三种角度的引射装置,在实验室进行试验研究,所得数据与仿真结果比较,二者基本吻合,说明运用仿真技术对引射结构进行优化设计是可靠的,并且过程简单,与过去经常采用的经验法与试验法相比,成本低,周期短,结论更准确。     

空气冲旋钻头井底流场研究现状

开展空气冲旋钻头井底流场研究有利于解决钻井中存在的岩屑难于上返、在井底重复破碎的问题。介绍了空气冲旋钻头井底流场研究的方法、相关研究的主要内容和结论。现有研究对空气冲旋钻头井底流场研究较少,应尽快开展相关研究,推荐使用数值模拟的方式,在条件允许的情况下应积极开展试验研究作为验证,并提供可靠的依据。     

基于DPM模型的双级PDC钻头流场特性研究

针对双级PDC钻头领眼钻头井眼空间上返的钻井液与扩眼钻头井底流场相互干扰的问题,通过在分流传力总成上增加级间喷嘴形成了一种新的双级PDC钻头水力结构。基于FLUENT软件中的DPM模型,模拟计算了井底钻井液流速、井底压降及井底岩屑质量浓度分布,证实了级间喷嘴对于流场改善的有效性,并在此基础上分析了级间结构对双级PDC钻头井底流场的影响规律。仿真结果表明:级间喷嘴倾角为75°时钻井液清洗效果相对较好;领眼钻头与扩眼钻头的刀翼位置应尽量重叠,这样形成了自下而上的流动通道,利于岩屑的快速上返;领眼钻头与扩眼钻头级间段长增大到40 mm时,级间喷嘴的抽吸作用最显著而后逐渐减弱;领眼钻头与扩眼钻头喷嘴流量比值的增大,提高了领眼钻头井底流场清洗效率,降低了扩眼钻头井底流场清洗效率,领眼与扩眼体喷嘴间最佳流量分配比例为5∶5。研究结果可为双级PDC钻头的水力结构设计及井底流场特征研究提供理论依据。     

反循环钻井技术返砂导流线设计及适应性分析

针对常规返砂管道无法满足反循环钻井技术返砂要求的问题,采用耐冲软管与排砂硬管相结合的方式,提出了两种新型返砂导流管道方案--U形线方案和悬链线方案。建立了悬链线及U形线的返砂导流管道数学模型,采用Fluent软件对管道整体特别是T形接头处进行流动及冲刷腐蚀模拟。根据模拟结果优选出悬链线方案,并且研究了相关配套设备,给出完整的返砂系统优化设计。在乐安油田选取一口试验井进行了5 d的反循环钻井试验,试验中,返砂效率接近92. 53%,起钻后井底基本无沉砂。研究结果可为双壁钻杆反循环钻井技术的应用提供理论指导。     

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。     

地层测试反循环温度计算

地层测试中反循环工序与常规的循环工序不同，热量的传递和流体的流动均为非稳态过程。根据反循环工序的特点，作了几点基本假设。导出了反循环温度计算的基本公式．构造了地层测试反循环温度计算的算法。经过计算表明。算法稳定，可用于地层测试反循环温度计算；反循环后管柱内温度分布与环形空间的大小有关，环形空间越大。反循环后管柱内温度越高。     

SGQ320型气体钻井用贯通式潜孔锤的研制

常规空气锤钻井技术在石油钻探领域得到了较大的发展和应用,为气动潜孔凿岩工具的发展和使用提供了广阔空间。在系统分析总结反循环空气锤气体钻井技术优势的基础上,详细介绍了SGQ-320型贯通式潜孔锤的组成及工作原理、关键结构参数及零部件的设计、性能参数仿真计算等整个研制的思路和过程。根据拟施工的井眼尺寸,以满足钻头体积碎岩所需冲击能量为前提,计算确定活塞的质量及关键参数,进行具体结构设计,并利用计算机模拟仿真程序辅助进行性能参数设计。SGQ-320型贯通式潜孔锤已完成室内调试,各项性能指标均达到了预期设计要求。该工具的成功研制为石油钻探提供了新的技术支持,能够融合气体钻井、冲击旋转钻井、反循环钻井三者优势,提高复杂地层、深井硬岩地层钻井速度。      

组合射流PDC钻头试验研究

为了将不同射流方式应用于PDC钻头以改变井底流场,并给钻头提供设计依据,通过数值模拟和室内试验分析了反向射流对井底流场的影响规律,并对旋转射流的破岩能力进行了评价。结果表明:PDC钻头加装反向射流喷嘴之后,钻头破岩部位压力降低,并且压降随着反向射流喷嘴距钻头底部距离的增大而减小,随反向射流流量的增大而增大,上部钻井液液柱压力对压降影响不大;在相同压降或排量下,旋转射流较普通直射流有更好的破岩能力。根据试验结论研制出了反向射流与旋转射流组合的PDC钻头,并在坨747井进行现场试验。结果表明,坨747井采用组合射流PDC钻头后,与采用普通PDC钻头的邻井相比,钻速提高40%以上。这表明,将反向射流和旋转射流组合应用于PDC钻头,可以明显提高机械钻速。      

内倾式侧喷嘴钻头井底射流流场初探

提出了柱座标下三维紊流流场控制方程，并用有限差分法进行数值模拟。探讨了强化井底漫流的措施，认为内倾式侧喷嘴可以较大幅度地提高井底漫流强度。吐哈油田深井钻井实践表明，３１１．１ｍｍ三牙轮钻头采用新型内倾式侧喷嘴后，机械钻速平均提高４３．９９％。     

海洋平台用重力分离器内件设计

介绍了海洋平台用三相重力分离器内部构件的分类、作用及其对分离效率的影响,结合惠州25-3/1项目生产分离器设计实例,阐述了分离器内件选型和设计方法.运用数值计算方法对4种不同结构的入口构件流场的流动特性进行了模拟,其结论在工程应用中有一定的参考价值.     

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针对复杂地层的钻井工艺提出了一种有效的新方法，即反循环气体钻井技术，开发了反循环钻头新产品，该产品能有效地提高钻头破岩效率和流场排屑能力。用现代先进的CAD实体设计软件Pro/E把常规Φ311.1 mm钻头巧妙地改造为反循环钻头，在设计中最重要的参数是反循环钻头挡板(skirts)形状、结构尺寸以及反循环钻头中心孔眼流道形状和其结构尺寸参数，这些参数直接影响井底流场分布及其流体的排屑能力。在研究中把这些参数做为重点进行结构优化设计。用计算流体动力学软件PHOENICS将CAD模型转换为CFD模型，对所设计的反循环钻头进行井底流场的计算机仿真模拟研究，优化出反循环钻头结构参数和流体入口参数，最终优化结果用Pro/E参数化软件开发出了反循环钻头结构参数，并在成都总机厂试制了2只反循环钻头新产品。本研究成果对于复杂地层油气井开采具有重大的意义和应用价值，同时可在国内复杂地层钻井技术中推广应用。     

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。