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。     

超临界二氧化碳钻井时瞬态波动压力

利用超临界二氧化碳开发油气藏资源极具潜力,但是有许多基础问题仍有待研究,瞬态井底波动压力变化问题是其中之一。基于超临界二氧化碳的物性,文中考虑了超临界二氧化碳与钻柱、井壁的传热,建立了井筒流动控制方程、瞬态控制方程,最终获得井底的热流固耦合瞬态波动压力模型。在停泵条件下,起下钻速度越快,井底波动压力越大。当地面入口温度增大时,最大波动压力降低;当地面出口压力增大时,最大波动压力增大;当起下钻速度为0.1~2.0 m/s时,最大激动压力从0.13 MPa升到3.86 MPa,产生的最大抽汲压力从0.13 MPa升到1.83 MPa。与清水钻井对比发现,超临界二氧化碳钻井产生的波动压力偏低,有利于现场作业,可以适当加快起下钻速度,提高工作效率。     

自激振荡式旋冲工具在深井超深井中的试验应用

针对深井、超深井钻井机械钻速低的问题,根据调制水力脉冲激发钻头冲击振动的原理,研制了自激振荡式旋冲钻井工具。工具性能参数测试结果显示,工具产生的压力脉动与冲击力随排量的增加而增大。在塔河油田进行了3口井的试验应用,结果表明,自激振荡式旋冲钻井工具研制思路正确可行,与钻头类型、地层岩性、钻井液密度和排量等相关钻井参数具有良好的适应性,机械钻速相对提高31.8%~80.5%。自激振荡式旋冲钻井工具具有性能稳定、操作简单、使用方便、寿命长、延缓PDC钻头磨损等特点,可推广性较强,为深井、超深井钻井提速提供了一条有效的技术途径。      

超临界二氧化碳射流计算模型的建立与射流特性分析北大核心CSCD

超临界二氧化碳射流是开发天然气水合物、页岩气等非常规能源的一项新兴技术,射流计算和特性分析是该技术的理论基础。基于一维可压缩流动理论,考虑二氧化碳气体的真实性质,建立了超临界二氧化碳射流计算模型,并分析了工况参数对超临界二氧化碳射流特性的影响。研究结果表明,本文建立的超临界二氧化碳射流计算模型具有较高的计算精度,可适用于现场工艺参数优化和方案设计;提高喷嘴压降可以增加射流速度,但是对射流马赫数的影响不明显;随着入口温度的增加,射流速度和射流马赫数均有所增长;围压的升高抑制了射流速度的增加,且极大降低了射流马赫数;提高喷嘴压降和围压都使射流的性质向高密度不可压缩流体转化,而入口温度的增加使射流性质更趋向于低密度可压缩流体。本文研究成果可为超临界二氧化碳射流技术的现场应用和方案设计提供理论支撑。     

高压水射流作用下岩石的损伤模型

基于高压水射流破岩过程的分析,运用连续损伤力学和细观损伤力学理论,建立了适用于水射流破岩两个阶段的岩石损伤模型以及两个阶段岩石损伤的耦合模式。依据所建立的损伤模型,利用非线性动力有限元方法,对高压水射流破岩的全过程进行了模拟,计算结果与试验规律基本一致。     

钻头腔内转子调制式脉冲钻井工具

研制了一种钻头腔内转子调制式脉冲钻井工具,其原理是将一个直径与钻头腔内径接近、表面加工有螺旋流道的圆柱形转子置人钻头腔内,钻井液通过螺旋流道时驱动转子旋转,随着转子的旋转,其流道内的钻井液被周 期性分配到钻头不同的喷嘴中,形成脉冲射流作用于井底。以射流轴心压力脉动的幅值和射流破岩效果为优化目标,试验确定了转子的结构参数。现场试验结果表明,所研制的工具原理正确、参数合理、结构可靠,可显著提高机械钻速,具有广阔的现场应用前景。     

水力脉冲诱发井下振动钻井工具研究

为有效提高深部地层钻井速度,充分发挥水力脉冲钻井和冲击振动钻井的技术优势,提出了水力脉冲诱发井下振动钻井的技术思想,并研制了相关的钻井工具。该类钻具的基本原理是调制水力脉冲,通过水力能量转换机构,将压力脉动直接转化为作用于钻头上的周期性冲击载荷,利用岩石在冲击载荷作用下易于破碎的特点、井底的水力脉动有助于改善井底岩石应力状态、强化岩屑净化的特性,提高了钻头的破岩钻进效率。实际应用结果表明,所提出的技术思想确实可行,研制出的工具原理正确,结构可靠,为提高深部地层的钻探效率提供了一个有效途径,可大面积的推广应用。     

非标准波导-同轴电缆转换组件的研制

介绍了非标准波导-同轴电缆转换组件的设计及Ansoft HFSS仿真.详细阐述了将电缆内导体直接插入同轴谐振腔内进行调配,通过改变短路活塞在波导谐振腔内的位置和λ0/4同轴调谐器在同轴谐振腔内的位置,可实现小电压驻波比、低损耗、结构稳定可靠等优异的技术性能,并给出了实测数据,其主要技术性能优于俄罗斯同类产品的主要技术性能.     

高压水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对高压水射流破岩过程进行了模拟，结果表明，水射流破碎岩石主体所用的时间为毫秒量级，普通连续水射流破岩的主要形式是卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏，并呈“阶跃式”发展。在此基础上，探索了水射流参数对破岩效果的影响，数值计算与试验结果吻合良好，表明利用该方法分析水射流破岩过程和机理是可行的，所得结论可作为水射流破岩体系设计和优化的依据。     

水射流破坏土塞能力研究

探寻高效辅助沉桩方法是开口钢管桩桩基工程建设中亟待解决的问题。利用水射流辅助动力沉桩,扰动桩端土体,可有效破除"土塞"、降低地层强度,从而使桩体贯入量达到要求。首先基于射流结构进行主要水力参数介绍;然后结合开口钢管桩桩基建设的土塞问题,对不同结构喷嘴产生的射流流场进行数值模拟,结果表明:等变速型喷嘴作用在土体表面中心处的压力最大,其有限喷距最长。最后通过实验,采用等变速型喷嘴制作的喷头,测试不同强度水射流的破土能力,表明随着水射流强度的增加,沉桩锤击次数减少,破土能力提高。