粒子射流冲击下破岩应力分析与破岩区域

由于粒子射流冲击破岩的复杂性和破岩过程的短暂性，粒子射流冲击作用下岩石的力学特性与损伤破坏研究是一个难点问题。考虑粒子射流返流的影响，基于空腔膨胀理论建立了粒子射流耦合冲击作用下的岩石应力和破岩区域的数学模型，采用数值计算和仿真模拟相互验证的研究方法，分析了粒径和射流冲击速度对单粒子射流冲击作用下岩石的应力分布和破岩区域的影响规律。针对多粒子连续射流耦合冲击破岩过程，给出了破岩区域的计算方法，采用数值计算和实验验证相结合的研究方法，得到了垂直射流和旋转射流状态下的破岩区域规律。结果表明：粒子射流耦合冲击破岩过程中，呈一定角度的旋转射流破岩区域要比垂直射流破岩区域大，粒径的增加对破岩区域影响较小，当射流冲击速度为200 m/s和粒径为1.0 mm时，8°和20°射流冲击破岩区域分别是喷嘴出口直径的1.7和1.9倍。     

粒子冲击钻井技术研究进展及关键问题

粒子冲击钻井技术利用钻井液的水力动力携带高速球形颗粒冲击坚硬和弱研磨性岩石,并通过钻井液的循环携带出井底粒子,是目前世界上很有发展潜力的深井和超深井坚硬地层的钻探技术。阐述了高效破岩技术现状;重点介绍了粒子冲击钻井技术的发展背景;总结了国内外粒子冲击钻井技术现有的研究成果;分析了粒子冲击钻井工艺的关键技术、工作原理和工作特点;阐明了该技术的技术难点,并结合国内实际情况,提出了粒子冲击钻井技术未来的发展趋势和攻关方向,为国内该技术的研究提供参考。     

粒子射流耦合冲击破岩实验

为研究高速金属粒子和流体耦合冲击作用下岩石破碎的特性和规律,利用自主研制的粒子射流耦合冲击破岩实验装置,开展了射流速度、粒子直径与破岩效率实验,粒子体积分数与破岩效率实验,射流角度与破岩效率实验和粒子射流破岩与钻压比例关系等实验。研究表明：含有一定动能的高频粒子冲击更有利于提高破岩效率,粒子在钻井液中所占的体积分数直接反映了粒子破岩效果的好坏,实际钻井时可以利用单个粒子的冲击动能和单位岩石面积上受到粒子的冲击频率来确定粒子的掺入比例;研制粒子射流冲击钻头时,可以不采用0°入射角的射流喷嘴,而采用1个入射角为8°和3~4个入射角为20°喷嘴的组合设计,其更有利于提高粒子动能的利用率。     

粒子射流冲击破岩试验装置研制

粒子射流冲击钻井技术是利用高速金属粒子和流体联合冲击破岩为主,机械破岩为辅的一种破岩工艺,是提高坚硬、高研磨岩层进尺速度的一种有效手段。针对该破岩工艺技术,研制了一套能够模拟粒子射流冲击破岩的室内试验装置。该装置主要由高压泥浆泵、粒子掺入装置、模拟顶驱、模拟井底、水循环系统和安全保障系统组成,能够实现粒子按比例掺入、冲击破岩、粒子回收和破岩过程数据监控等功能;能够完成射流速度、粒子体积、粒子掺入比例、冲击标靶距离和射流角度对破岩效率和破岩效果的试验研究。     

粒子射流冲击破岩喷嘴的参数优化与试验研究

在粒子射流冲击破岩过程中,喷嘴作为粒子和水射流的核心加速装置,其加速能力决定了破岩效果的好坏。针对锥直型、等变速型和流线型喷嘴,建立了粒子和水射流在喷嘴中的加速模型、压降模型以及能量转换效率数学模型,通过数值模拟分析了不同喷嘴对粒子水射流加速能力的影响,对喷嘴的流道类型及尺寸进行了优化,依据优化结果对研制的喷嘴进行了破岩试验和流场仿真。分析结果表明:收缩段长度为15 mm的等变速型喷嘴具有较高的加速能力和能量转换效率;研制的喷嘴可应用于粒子冲击钻井破岩工艺。所得结论可为粒子射流冲击破岩装置的现场应用提供参考。     

油田供水系统调度优化方案研究

针对油田供水系统的现状,建立了油田供水管网的数学模型以描述供水系统的基本特征。在保证无含油污水外排的前提下,建立了以系统运行成本最小的目标函数,确定了目标函数的约束条件,提出了基于模式搜索理论的两层递迭代的优化方法。实际应用表明,数学模型正确,算法稳定。     

粒子射流耦合冲击破岩建模与实验分析

粒子冲击破岩技术是以高速金属粒子和高速流体破岩为主,以机械钻头破岩为辅的一种新型破岩工艺。针对锥直型加速流道,建立了粒子与流体在冲击破岩过程中速度与加速度的数学模型,分析了冲击过程中能量的吸收规律,提出了单个粒子速度、粒子体积与破岩体积间的函数关系,并基于LSTC-DYNAMIC仿真平台进行了验证分析。基于自主研制的粒子冲击破岩试验装置,开展了粒子直径从0.8 mm~1.4 mm的四种不同直径粒子射流冲击破岩实验,验证了理论模型并提出了粒子体积、冲击速度、流体流速与破岩体积间的匹配关系,为该技术的现场推广提供数据支撑和理论依据。