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。

自吸环空流体式自激振荡脉冲射流性能分析与优化

为了充分利用井底水力能量提高钻速,提出自吸环空流体式自激振荡脉冲射流钻井技术。采用大涡模拟与试验研究相结合的方法,分析自吸环空流体式自激振荡脉冲射流的调制机制及射流调制工具的结构参数对射流性能的影响。采用正交试验法进行数值模拟试验,优选射流调制工具的结构参数。结果表明:结构参数对射流性能影响显著,结构合理的吸入式自激振荡射流的性能明显优于非吸入式脉冲射流;射流调制工具出口脉冲射流速度脉动值与破岩深度之间呈显著的线性相关,脉动值越大,射流破岩效果越好。数值计算结果与试验结果吻合良好,表明所用研究方法可行。

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。

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。

高压水射流作用下岩石破碎机理及过程的数值模拟研究

根据连续介质力学和有限元理论,给出了高压水射流破岩系统中流体和岩石的控制方程,并建立了相应的有限元列式.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全过程分析的岩石损伤模型以及宏细观损伤的耦合模式.数值计算的结果较真实地反映了水射流破岩过程中,岩石的动态响应以及水射流动力学特性的演化过程,普通连续水射流破碎岩石主体所用的时间为毫秒量级,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.数值计算与相关试验结果基本吻合,表明该分析方法是可行的,可用来指导高压水射流破岩理论的进一步研究及应用.

围压条件下井底环空循环吸入式粒子射流破岩试验

井底环空循环吸入式粒子射流钻井是解决硬地层破岩钻井效率低下的有效途径。采用所研制的井底围压试验装置,试验探索井底环空循环吸入式粒子射流破岩的规律。结果表明:随着围压的增大,粒子射流破岩效率逐渐减小;随着射流压力、粒子直径和硬度的增大,粒子射流破岩效率逐渐增大;随着喷距和粒子质量分数的增大,射流破岩效率呈现先增大后减小的趋势;井底环空循环吸入式粒子射流高效破岩钻井方法确实可行。

井底岩屑磨料脉冲射流室内实验研究

提高深部复杂地层机械钻速,迫切需要发展新型高效破岩钻井技术。在分析现有技术的基础上,指出发展新型复合射流钻井技术是提高深部地层石油钻探效率的一个重要途径。提出了井底岩屑磨料脉冲射流钻井的技术构想,设计了相关的工具,分析了井底岩屑磨料脉冲射流破岩、辅助破岩的机理,进行了后混合磨料脉冲射流破岩室内实验研究。结果表明:冲蚀体积随泵压增大而增加,存在破岩的最佳喷距、磨料浓度和磨料粒径;在较低浓度下,后混合磨料脉冲射流的冲蚀性能较接近于前混合磨料脉冲射流;引入外部流体后射流的动压力增大了7%,脉冲幅值提高了1.5倍。研究结果为井底岩屑磨料脉冲射流钻井工具的研制和相关技术的开发提供了依据。

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。

高压水射流射孔过程及机理研究

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射孔过程及机理进行了模拟研究,并依据所给出的岩石孔隙度演化模式,分析了高压水射流射孔对岩石渗透性的影响。结果表明,高压水射流具有很强的破岩能力,卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏是水射流破岩的主要形式,受岩石损伤发展的影响,随着与孔眼轴线距离的减小,岩石的孔隙度逐渐增大,而岩石的强度则呈减小趋势。分析结果首次从定量层面揭示了高压水射流射孔优于现有聚能射孔的机理。

高压水射流破岩比能演化机理研究

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型,在对高压水射流破岩过程模拟分析的基础上,进行了射流破岩比能演化机理的研究。研究结果表明,在脉冲射流载荷的衰减阶段,由于岩石卸载的阻力较小,卸载过程中所释放的能量利用较为充分,使得脉冲射流的破岩比能明显小于连续射流;因为旋转射流的每一质点均具有三维速度,易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏。且回流的干扰较少,提高了射流的能量利用率,使得破岩比能也明显低于连续射流,且随着切向速度与轴向速度比值的增大,旋转射流破岩比能逐渐减小。

高压水射流破碎岩石的有限元分析

根据连续介质力学和有限元理论 ,给出了高压水射流破岩系统中流体和岩石的控制方程 ,并建立了相应的有限元列式。采用交错迭代的解耦方法求解了水射流与岩石的耦合问题 ,并就非线性动力有限元数值计算中应注意的问题进行了讨论。数值计算的结果较真实地反映了水射流破岩过程中岩石的动态响应以及水射流动力学特性的演化过程 ,并与相关试验规律吻合良好 ,这表明该分析方法是有效的 ,可用来指导高压水射流破岩理论的进一步研究及应用。

脉冲射流破岩规律的数值试验

利用非线性动力有限元方法和岩石的动态损伤模型,系统研究了脉冲射流的速度、长度、频率以及脉冲的数量等参数对破岩效果的影响,并用试验进行了验证。研究结果表明,脉冲射流的速度、长度和脉冲数量增大时,岩石的破碎效率迅速增大;射流的破岩效果随脉冲频率的增大,呈现先增大后减小的趋势,存在一个最优频率范围。在此基础上分析了脉冲射流的破岩机理,所得结论为脉冲射流的设计提供了依据。

脉冲水射流破岩的数值模拟研究

根据连续介质力学理论 ,导出了脉冲水射流破岩系统的控制方程。并运用瞬时最小势能原理 ,建立了脉冲水射流破岩的有限元基本列式和离散方程。数值计算的结果较为真实地反映了脉冲射流破岩过程中岩石的动态响应的演化过程 ,揭示了射流破岩过程中的机理。所得结论与相关试验规律吻合良好 ,探索了一种研究水射流破岩规律的有效方法 ,对脉冲水射流破岩的深入研究和应用具有重要的意义。

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入钻头腔内,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。

A Theoretical Study of Rock Drilling with a High Pressure Water Jet

Based on analyses of experimental results of water jet drilling, the fluid motion law in rock pores and the tendency of energy distribution, the rock-breaking process under high pressure water jet drilling has been studied systematically. The research indicates that the main interaction between the rock and water jet is interface coupling, that the impacting load and the static pressure of the water jet act together to make the rock break, and that the stress wave is the main factor. Water jet drilling can be divided into two stages: At the initial stage, the stress wave plays the main role and most of the rock breaking takes place; at the later stage, the existing rock defects, for instance, micro-holes and micro-cracks, are propagated and merged to make macroscopic damage, and then the diameter of the jet-drilled hole is expanded.

侧钻水平井套管段铣铣屑运移实验研究

对钻井液的环空返速、流变性能、密度及井眼倾角、铣屑尺寸等参数对侧钻水平井套管段铣铣屑环空运移的影响进行了实验研究。结果表明，钻井液的环空返速、流变参数及密度增大时，井眼净化效果较好；铣屑的环空返出率随着井眼倾角、铣屑尺寸的增大呈下降趋势。给出了对铣屑进行定量描述和分类的可行方法。运用实验观察方法对比分析了铣屑和岩屑的环空运移机理。

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。

机械式自动垂直钻井工具的研制

为了有效地提高直井的钻井速度和质量,根据现有技术研制了机械式自动垂直钻井工具。这种钻具能适时感应井斜的重力信号,并由重力驱动执行机构,利用钻井液循环在钻柱内外形成的压差,在钻柱旋转的情况下推动活塞靠向高边井壁,对钻头施加指向井眼低边的周期性侧向力,在钻进过程中实现对井斜的适时修正。现场试验结果表明,机械式自动垂直钻井工具的工作原理正确,结构可靠,能够在主动、适时防斜的同时,有效地释放钻压,提高钻速。该工具的研制成功为直井的防斜打快工艺提供了一种新的技术手段,具有广阔的应用前景。

自激振荡式旋转冲击钻井工具水力元件性能分析与优化

基于提高水力能量的利用效率可有效提高钻速的认识,提出了自激振荡式旋转冲击钻井方法。采用大涡模拟的方法分析了自激振荡式旋转冲击钻井工具水力元件的工作机制。采用正交试验方案设计法,对水力元件的结构参数进行了数值模拟优化,并据优化结果研制了自激振荡式旋转冲击钻井工具。现场试验结果显示,优化后的自激振荡式旋转冲击钻井工具的提速效果明显优于优化前,表明所采用的分析和优化方法正确可行。研究结果为自激振荡式旋转冲击钻井技术的发展提供了依据。

超临界二氧化碳在水平井钻井中的携岩规律研究

为弄清以超临界二氧化碳为钻井流体钻进水平井时的携岩机理,基于DPM模型,采用数值模拟方法对用超临界二氧化碳钻进水平井时的携岩规律进行了分析。数值模拟结果显示:水平井段环空中岩屑颗粒是分层移动的,随着岩屑向出口运移,岩屑会逐渐向水平井段下部沉降;随着排量和压力的增大、环空间隙的减小,超临界二氧化碳的携岩性能逐渐增强;而随着环空温度升高和岩屑粒径的增大,其携岩性能逐渐减弱。研究结果可为应用超临界二氧化碳钻进的水平井钻井设计提供参考。