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。     

径向水平井多孔自旋射流喷嘴设计及应用

为了解决目前常规射流喷嘴无法同时实现钻大孔和钻深孔的问题,设计了一种结构简单的多孔自旋射流喷嘴,并利用SIMPLEC算法对其流场进行数值模拟计算,分析了喷嘴的外流场特性,通过室内破岩实验研究了喷嘴的破岩机理,优选了喷嘴的结构参数。结果表明:多孔自旋射流喷嘴的无因次冲击区面积随定位圆半径的增大而增大,随倾斜角的增大而减小,随切向角的增大呈现出先增大后减小的规律。在倾斜角一定的条件下,切向角为16°时,无因次冲击区面积达最大值;在切向角一定的条件下,倾斜角为6°时,射流在冲击壁面形成较大的冲击区和速度较高的漫流区。定位圆半径4 mm、倾斜角6°、切向角16°的多孔自旋射流喷嘴可实现钻大直径深孔的目标,并取得了较好的现场应用效果,可作为一种新型高效的径向水平井射流喷嘴进行推广应用。     

新型双射流喷嘴冲击井底流场数值模拟研究

为了克服组合双射流的缺点,提出了新型双射流喷嘴,并采用RNGκ-ε湍流模型计算了新型双射流喷嘴冲击井底的流场。建模时采用有限体积法离散各控制方程,采用松弛迭代法求解各离散方程,壁面采用无滑移固壁边界。模拟结果表明,新型双射流不存在等速核,且轴心线冲击力小,但作用面积大;与旋转射流相比,轴心线附近流速最大,从而实现了高效破岩。漫流层的径向流速最大值出现在距离外流场轴线2.5D距离处,大小约为喷嘴出口速度的23%。新型双射流利用圆形射流冲击和旋转射流剪切破岩,能形成直径较大、深度较大的破碎坑。     

淹没条件下星形喷嘴射流流动特点的实验研究

对近期清洗行业出现的星形喷嘴射流进行了淹没条件下的实验研究。利用粒子成像速度场仪对星形喷嘴射流的速度场进行了测量,分析了星形喷嘴的射流衰减机理。实验发现,星形喷嘴射流与普通圆射流相比,其射流初始段较短,但基本段内速度随喷距衰减的速率较低。在7倍于喷嘴直径的喷距以内,星形喷嘴射流的速度低于圆射流速度。随着喷距的进一步增加,星形喷嘴射流的速度高于圆射流速度。在10～12倍于喷嘴直径的喷距范围内,星形喷嘴射流的最大速度和最大动压力分别提高了约20%和44%。该项研究为星形喷嘴射流在石油钻井工程中的应用提供了依据。     

角形空化喷嘴内外流场的数值模拟

为研究角形空化喷嘴对空化射流空化效果的影响,建立了空化喷嘴内外流场的数学模型和物理模型。利用流体力学模拟软件FLUENT,采用混合模型、空化模型和RNGκ-ε湍流模型对角形空化喷嘴的空化射流内外流场进行了数值模拟。以射流流场中含气率分布为判断喷嘴产生空化效果的依据,分析了直柱段直径、入口压力、围压对射流空化效果的影响。模拟结果表明:相同喷嘴入口压力条件下,直柱段直径越大,射流空化效果越好;增大喷嘴入口压力可以提高射流空化效果,但围压的存在会抑制空化泡的产生,不利于提高空化效果。数值模拟结果可以为空化射流的产生提供指导。     

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。     

大尺寸旋转水射流解堵工具的研制及特性测试

目前的自振空化旋转水射流井下解堵装置的最大使用井眼直径仅为178.0 mm,不满足现场使用要求;喷头的旋转速度随排量和驱动压力的增大而线性增大,大排量和高压条件下喷头旋转速度过快,易导致射流雾化。为此,设计了一种适用于244.5 mm井筒的大尺寸旋转水射流解堵工具,并通过地面试验研究了工具的旋转特性和冲击压力特性。该工具结构简单,易于机加工,既可用于水力解堵,也可用于酸洗解堵,喷嘴数量可根据地面设备情况自由组合。试验结果表明,在泵压一定的情况下,随着喷距的增大,射流冲击压力逐渐减弱,在所试验的驱动压力下,射流处理深度可达700 mm;在相同的驱动压力下,径向解堵喷嘴使喷头旋转速度降低,有利于延长径向喷嘴清洗炮眼的作用时间,增强处理效果。     

基于分离涡模拟的旋转射流流场结构特征分析

采用改进的分离涡模拟方法配合剪应力输运模型分析旋转射流涡结构、速度场、压力场的演化过程,探索喷嘴压降对大涡结构发展和湍流脉动波动的影响规律。研究结果表明：射流涡结构的发展可划分为Kelvin-Helmholtz不稳定性阶段、过渡阶段和旋转不稳定性阶段;旋流作用能够显著增强径向湍流脉动、增大射流扩散角,湍流脉动耗散是下游射流速度衰减的主要原因;随压降增大,射流速度和脉动幅度都相应增大,速度分布的对称性增强,沿轴线方向的压力脉动特征和涡旋输运强度显著增加,但当喷射距离超过约9倍无因次喷距后,提升压降并不能提高旋转射流的有效冲击距离,但可以增大旋流强度和射流扩散角。旋转射流更适用于需求大孔径的径向水平井钻孔、煤层气水平井造穴和煤矿巷道钻孔卸压等工程场景。     

超临界二氧化碳射流中的颗粒跟随及影响因素

超临界二氧化碳射流具有破岩速度高、门限压力低等优势,加入磨料颗粒形成超临界二氧化碳磨料射流,将取得更高的冲蚀切割效率。为研究超临界二氧化碳磨料射流可行性,采用数值模拟方法,对比分析了单个颗粒在超临界二氧化碳等流体射流中的运动特征,揭示了流体温度、磨料粒径对颗粒跟随运动的影响规律。结果表明,与相同条件下在水与压裂液射流中相比,磨料颗粒在超临界二氧化碳射流中运动规律相似,但初始滑脱速度较大、跟随能力较弱,获得的喷射速度与撞击靶件壁面速度较高,表明超临界二氧化碳具有良好的颗粒携带能力;流体温度升高、磨料粒径增大均会使颗粒滑脱速度增大、削弱跟随运动效率,但同时也降低了喷嘴外流场中颗粒所受运动阻力,显著提高了喷射速度与撞击壁面速度。由此可知,对于石英、陶粒等常用磨料材质,在常规储层温度(60~140℃)与粒径范围(20~70目)内,超临界二氧化碳磨料射流可有效形成并进行高效冲蚀切割作业。     

淹没条件下超高压水射流冲蚀切割破岩实验研究

运用超高压射流数控自动万能切割机进行了淹没条件下水射流冲蚀切割破岩实验，选取了5档驱动压力和3种岩样，研究了水射流驱动压力、喷距、喷嘴横移速度和喷射角对破岩效果的影响。实验表明，淹没条件下超高压水射流冲蚀切割破岩存在最优喷距，最优喷距随压力的增加而增加；100 MPa时最优喷距约为15倍喷嘴直径，200 MPa时约为20倍喷嘴直径；喷嘴移动速度越小，冲蚀体积越大，随着移动速度的增加，开始时冲蚀体积下降明显，但移动速度进一步增加时，冲蚀体积减小并不明显,岩石的主要破坏发生在毫秒量级；最优冲蚀破岩效果的喷射角范围为12°~14°。     

非自由淹没水射流CFD仿真研究

依据井底高压水射流破岩条件建立物理模型,利用计算流体动力学方法对非自由淹没射流流场进行计算。计算结果表明,射流速度场存在等速核区、衰减区和撞击区。将计算结果与经验公式进行对比,证明了模型的准确性和计算结果的可靠性。通过分析喷嘴出口速度、喷距和喷嘴出口直径对射流轴向速度的影响规律,得出结论:(1)喷嘴出口速度对射流结构和轴向速度衰减影响较小;(2)当无因次喷距L/D<12时,射流没有衰减区,仅存在等速核区和撞击区;(3)当L/D≥12时,喷距对射流结构的影响非常小,对等速核长度几乎没有影响。     

超临界二氧化碳射流冲击压力参数影响规律

为了探明超临界CO_2射流对岩石冲击压力及其参数影响规律,利用计算流体力学模拟了超临界CO_2射流冲击的三维流场,对比了超临界CO_2射流和水射流的冲击压力,进行了参数影响规律研究。结果表明:在相同条件下,超临界CO_2射流能产生比水射流更强的冲击效果;超临界CO_2射流冲击压力随着喷嘴压降和喷嘴直径的增大而增大;随着喷距的增大,超临界CO_2射流的冲击压力降低,冲击范围扩大;围压和流体温度的变化对超临界CO_2射流冲击压力的强度和范围的影响极小,在工程应用中可以忽略。研究结果证实了超临界CO_2射流的冲击效果,探明了超临界CO_2射流冲击压力的参数影响规律,为超临界CO_2射流在钻完井工程中的应用提供了指导。     

超高压辅助钻井高压喷嘴侧倾角模拟研究

利用超高压射流在井底圆周上切割出一圆形切槽, 改变井底待破碎岩石应力状态, 辅助提高机械破岩效率, 为此, 通过建立井底流场计算域, 运用数值模拟的手段, 在 Ｋ－ε两方程数学模型基础上计算封闭的 Ｎ－Ｓ方程, 对简化的三牙轮钻头超高压淹没射流在高压喷嘴不同侧倾角情况下的井底流场进行模拟。模拟发现随着超高压喷嘴侧倾角的减小, 井底平面上高速流体的漫流速度增加, 过流面积增加, 等速核的长度增大, 直射点的最大静压力增大。分析认为超高压喷嘴侧倾角的减小有助于井底岩屑的及时清洗; 在喷射速度、 喷距、 喷嘴直径一定的情况下, 针对不同门限压力值的岩石, 存在一个最大的超高压喷嘴侧倾角角度, 侧倾角角度小于等于 ８ ° 时, 超高压射流对于大部分岩石都适用。     

旋转喷头射流工具水力参数优化及结构参数优选

旋转喷头射流工具能产生高速射流，并且在射流反冲力作用下推动喷头旋转，形成复杂的旋转射流，可实现油管和套管高效清洗。以7 000 m井深条件下?73 mm油管为例，设计了与?44.5 mm连续管配套的?54 mm系列旋转喷头射流工具，开展了旋转喷头射流工具水力参数优化，并利用计算流体力学方法对工具结构参数进行优选。研究表明:当排量为270 L/min时旋转喷头射流工具的射流速度约为170 m/s，系统总压耗约为42 MPa，可以满足清洗要求；随着侧向喷嘴偏移半径增加，侧向喷嘴产生的反冲击力矩近似线性增加，其对壁面冲击压力先降低后升高；随着倾斜角度的增加，倾斜喷嘴对油管内壁冲击压力增加；转速在60~360 r/min内，倾斜喷嘴对壁面冲击压力变化不大；最优的结构参数组合为侧向喷嘴偏移半径12 mm、倾斜喷嘴倾斜角度75°、前倾喷嘴角度15°。该研究可为旋转喷头射流工具现场施工和参数优化提供指导。     

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。     

用于清洗除锈的淹没空化水射流喷嘴实验研究

为提高储油罐和输油管道清洗除锈的效率和安全性,探索空化水射流应用的新方式,设计了4种不同的淹没空化水射流喷嘴。采用冲蚀试件的方法,对4种淹没空化水射流喷嘴的冲蚀性能进行了实验,并与角形喷嘴进行比较,重点对内喷嘴入口压力和靶距两个关键因素进行了对比分析。研究结果表明:射流自喷嘴喷出后成白雾状,且伴随着刺耳的噪音,噪音表示空泡破裂的声音;提高内喷嘴入口压力可以有效提高喷嘴的冲蚀能力,由于空化效应的存在,4种淹没空化水射流喷嘴的冲蚀能力均强于角形喷嘴的冲蚀能力;在相同条件下,淹没空化水射流喷嘴外喷嘴收缩段流线型结构优于锥形结构,锥形结构优于圆柱形结构;靶距过大和过小都会影响射流的冲蚀能力,最优靶距与喷嘴的结构有关,所设计的淹没空化水射流喷嘴的最优靶距在30~40 mm之间。该实验研究对储油罐和输油管线清洗除锈具有借鉴意义。     

切向注入式旋转射流喷嘴携岩能力研究

鉴于优化井底水力特性能有效地提高钻头破岩钻进速度的认识,提出了将旋转射流引入到钻头的技术设想,并设计了切向注入式旋转射流喷嘴。基于较少假设,采用标准k-ε模型,对切向注入式旋转射流喷嘴流场进行了数值模拟研究,并以射流冲砂携岩试验进行了验证。研究结果表明,切向注入式旋转射流喷嘴的携岩能力优于直射流喷嘴;切向注入式旋转射流喷嘴存在最佳携岩喷距和切向注入孔个数,该实验中最佳喷距为5～8L／d,最佳切入孔个数为3个。研究结果为钻头的设计和使用提供了依据。
     

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。     

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。     

固态流化单喷嘴破碎水合物深度预测新模型及验证

为提升固态流化开采中喷嘴对天然气水合物的射流破碎效率，推动固态流化开采规模化、商业化应用，基于CFD和现有单喷嘴射流破碎实验结果，开展了射流压力、收缩段长度和喷嘴直径对锥直形单喷嘴射流速度分布的影响规律研究，并建立了固态流化单喷嘴破碎水合物深度预测新模型。研究结果表明：(1)锥直形喷嘴射流核心段长度与喷嘴直径呈正相关关系，而与射流压力、收缩段长度无关；(2)射流基本段速度衰减与喷嘴直径和射流压力呈负相关，而与收缩段长度无关。进一步结合非成岩水合物临界破碎速度方程，初步建立了极限破碎深度随单喷嘴直径和射流压力变化的数学模型，并基于单喷嘴射流破碎实验结果进行了模型验证与修正。结论认为：(1)建立的极限破碎深度模型是正确的，修正后模型的计算结果与实验值的最大偏差为7.7%，能够满足固态流化实际工程对水合物破碎的要求；(2)建议开展组合喷嘴极限破碎深度模型研究，分析多个喷嘴组合情况下布置夹角和布置间距对极限破碎深度的影响，最终形成一套水合物高效破碎工具设计方法。