Numerical analysis on coal-breaking process under high pressure water jet

Based on the theory of nonlinear dynamic finite element,the control equation ofcoal and water jet was acquired in the coal breaking process under a water jet.The calculationmodel of coal breaking under a water jet was established;the fluid-structure couplingof water jet and coal was implemented by penalty function and convection calculation.The dynamic process of coal breaking under a water jet was simulated and analyzed bycombining the united fracture criteria of the maximum tensile strain and the maximal shearstrain in the two cases of damage to coal and damage failure to coal.

柔性钻具水力导向射流喷嘴流场分析

现有柔性钻具钻井技术和水力喷射径向钻井技术在控制钻进方向上存在困难或有局限性。为实现钻井导向可控,设计了一种能够水力导向的高压射流喷嘴结构。建立导向喷嘴流体数值模型,利用数值模拟的方法进行流场分析,研究喷嘴倾角、喷嘴直径、喷嘴开启个数等参数对导向力、射流速度的定量关系,给出了导向力方向确定方法。结果表明:随着关闭喷嘴个数的增加,喷嘴导向力呈指数逐渐增大;轴向倾角越大,喷嘴导向力和最大喷射速度越大;喷嘴内径减小时,导向力和喷射速度都显著增大。通过数值模拟验证了射流喷嘴水力导向的可行性,分析结果和导向力的拟合公式对水力导向喷嘴钻进方向的研究具有指导意义。

万米深井钻柱减振增能提速方法研究

万米深井超深超长井段钻进过程中存在钻柱振动剧烈、能量传递困难、破岩效率低、钻头使用寿命短等问题,亟需开展万米深井钻柱减振与井底增能技术研究。根据超深层钻井环境的主要特征,结合近年来钻柱动力学研究结果,提出了以钻井过程中钻柱振动为能量来源提高井底钻井液射流压力的方法,在减小钻柱振动保护钻头的同时,提高钻头射流压力,实现井下增能破岩,解决井下振动强度大、井底水力能量不足的问题;并研制了井底钻柱减振增能装置,进行了现场试验。研究和试验结果表明:钻柱振动蕴含巨大的能量,该能量可以转化为破岩提速能量;设计的井底钻柱减振增能装置,可以提高钻井液射流压力,同时可以降低钻柱振动导致的安全风险,从而显著提高钻井速度。研究成果为万米深井减振提速技术开拓了新方向,为加快深部油气资源的勘探与开发提供了技术支持。

一种震荡交换高压水射流装置设计及清洗参数实验分析

喷头在高压水射流清洗技术中发挥着重要作用。为了充分发挥气液两相射流湍流效果,设计了一种震荡交换高压水射流装置。经细小口径高压水以高速射流流出,腔室内因其流速过快产生负压,均匀混合水和气体,经上喷嘴高压水向混合腔流动,均匀混合气体及高速射流,速度一致且在喉管完成震荡交换后再一起射出。清洗参数实验结果表明:在靶距增加情况下,射流打击力相应持续增大,清洗效果因打击力减小而减弱。不同安装角度下具有相似的最佳靶距,再次验证喷嘴压力和直径均会影响最佳靶距。在高压水射流核心区域,从小范围内来看水流量不断变大,去污成本及能量消耗则会因为提高去污压力而增加。

高压射流辅助钻井技术研究现状及发展趋势

随着全球油气资源开采的不断深入,深井和超深井钻井提速技术逐渐成为提高地下油气资源开采能力的重要手段。其中高压射流辅助钻井技术是油气钻井提速的重要技术手段之一,不仅能大幅提高钻进效率,还能延长钻头使用寿命、降低热磨损和增加井底清洗效果。为此,在系统介绍高压射流辅助钻井理论的基础上,重点阐述了高压射流破岩、射流—机械联合破岩和射流辅助携岩机理,探讨了射流辅助钻井技术的发展趋势,并对地面和井下2种主要增压方式及相关设备进行了详细论述,最后结合射流辅助钻井的发展历程,深入分析了脉冲射流、磨料射流、CO_(2)射流等先进射流辅助钻井破岩及携岩的发展趋势。研究结果表明:(1)未来地面增压泵将朝着大泵压、大排量方向发展,井下增压器将会进一步致力于延长寿命和提升可靠性;(2)先进射流辅助钻井虽然存在一定不足,但是其辅助钻井优势突出,有望解决目前地面增压与井下增压的瓶颈。结论认为,对高压射流辅助钻井技术、射流增压装置和先进射流辅助钻井技术现状的回顾和分析,明确了制约当前深层油气优快钻进的关键问题,为钻井提速提效提供了新的研究思路和发展方向。

井下全金属非圆齿轮动力钻具设计与可行性研究

高温高压井下动力钻具受高温的影响,其所含的橡胶等不耐高温件的寿命会大大降低,进而严重影响井下动力钻具的性能和使用寿命。而全金属非圆齿轮钻具作为一种新型的全金属容积式动力钻具对温度的变化并不敏感,十分适合高温井下工况,具有良好的发展前景。本文介绍了非圆行星齿轮马达的基本原理和特性,调研了国内外非圆行星齿轮马达的发展现状,分析了非圆行星齿轮液压马达节曲线的设计和使用寿命等关键技术。在此基础上,开展了行星马达应用于井下动力钻具的可行性研究,研制了非圆齿轮动力钻具原理样机,提出了该钻具的研发建议与方向。并通过流体力学对该钻具的端面泄漏量进行了分析,得出了对端面泄漏量影响最大的因素为端面间隙的大小,然后对改进前后的结构分别进行了有限元分析,得出改进后结构的端面间隙为+0.11~0.18μm,远小于改进前的端面间隙-0.13μm,验证了该结构的可行性。

大孔径螺旋钻钻孔高喷防渗墙施工方法研究

传统的高喷防渗墙施工工艺受限于早期的钻孔设备,其钻孔孔径大多较小,存在钻孔切割地层、喷浆提升效率不高等问题。通过设备改进,采用大孔径螺旋钻机械辅助高喷防渗墙钻孔,并在钻具嵌入高压流体喷射装置(管路和喷嘴),可实现钻喷一体施工。依托江西省万安县遂川江罗塘乡防洪工程,开展大孔径螺旋钻孔高喷防渗墙施工试验,并采用数值计算分析、室内试验及现场检测相结合的方法验证防渗墙成墙效果。结果表明:在相同的地层参数、孔距、孔深以及喷浆压力条件下,采用更大的钻孔直径和长螺旋钻钻孔可获得更好的破岩效率与地层适应性;从墙体开挖检测、钻孔取芯渗透试验以及高密度电法探测试验结果来看,采用大孔径螺旋钻钻孔高喷防渗墙施工方法可以获得良好的墙体质量。

基于水射流引射与干雾降尘技术的新型孔口除尘装置研发

为有效控制煤矿井下干式钻孔作业的粉尘污染问题,在分析干式钻孔产尘扩散特性的基础上,结合水射流负压引射与干雾降尘技术优势,设计研发了新型干式钻孔孔口除尘装置。通过理论分析与实验室试验研究了该装置各组件的具体结构和主要性能参数,并在杨柳煤矿顺层孔钻场开展了现场试验,实测了该装置的除尘效果。结果表明:新型孔口除尘装置由孔口集尘装置、水射流负压引射装置、干雾降尘装置三部分组成,分别具备尘源密闭、抽吸粉尘、捕集外溢粉尘等功能。水射流负压引射装置的工作水流量、抽吸量及引射系数均随工作水压的增大呈线性增大。气压0.70 MPa、水压0.18 MPa为单个干雾喷头的最佳工况参数,当干雾发生器挂载15个干雾喷头、干雾降尘装置距孔口1.2 m时,可实现对孔口全部漏尘点的雾场覆盖。新型孔口除尘装置现场应用后,钻机下风侧6 m和20m的全尘除尘率分别达到了88.9%和87.5%,取得了显著的除尘效果。

基于深度学习的高压水鱼片切段装置控制系统设计

为了实现鱼片的自动化、节能化切段操作,设计了一种基于深度学习的识别鱼片轮廓并规划切割路径的控制系统。使用深度学习模型对采集到的鱼片图像进行实例分割,根据识别结果规划切割路径,并由固定有高压水喷嘴的切割执行机构完成鱼片切段作业。目标检测试验中,在Mask R-CNN的基础上改进算法,加入Mosaic数据增强方法,主干网络使用ResNetXt50并加入注意力机制SKNet。改进后的模型检测精度达到98%,平均检测时间为0.058 s,相对于以ResNet50为主干网络的原模型,在检测时间仅增加0.001 s的基础上将检测精度提高了9.9%。鱼片切段试验中,平均切割合格率达到90%。研究表明,该系统可准确快速识别鱼片轮廓,高效完成鱼片切割作业,为未来向着智能化方向发展的水产品加工行业提供了新思路。

高压射流钻割一体化卸压技术在石门揭煤防治煤与瓦斯突出中的应用

高压射流钻割一体化卸压技术是指在瓦斯抽采钻孔施工完成后,再利用高压射流在钻孔内割缝,破解钻孔周围产生的瓶颈效应,从而达到卸压的效果。在白龙山煤矿一井一号101采区一区段运煤斜巷C3石门揭煤防治煤与瓦斯突出过程中,使用了高压射流钻割一体化卸压技术。结果表明,瓦斯钻孔施工完成后,再在钻孔内割缝可消除应力集中,提高单孔出煤量,扩大钻孔的卸压范围;经孔内割缝操作后,煤层内残余瓦斯含量已经低于突出危险临界值,在效果检验孔施工过程中未出现异常瓦斯动力现象,消除了煤与瓦斯突出危险性,取得了明显的防突效果。

基于高压水射流火炮清膛装置的研究与设计

为改变传统人工推拉的方式清洗炮膛的现状,以火炮清膛机的使用特点及技术要求为根据,通过对高压水射流基本结构和相关参数进行分析,采用固体有限体积法对清理过程进行仿真,研究水射流的清除机制,并设计一种基于高压水射流全方位清理火炮内膛积碳、挂铜和挂尼龙,且可实现在炮膛内伸缩回转往复运动的火炮清膛机。针对国内炮膛维护的需求及维护过程中存在的问题,结合野外作业的实际情况,重点给出该火炮清膛装置的设计方案、装置构成及工作原理。装置采用整体布局方式,在确保使用功能的前提下,该装置的操作较为简单、动作实用,并且能够对结构做进一步的优化,一定程度上缩短传动链,以保障装置正常运作,减少故障的发生,使得后期维修保养更加方便,最大程度上延长其使用寿命。

高压射流钻进工艺试验

在钻井过程中受松散覆盖层、强富水含水层、裂隙发育等多种复杂地质条件影响,常规钻井钻进效率较低、井壁稳定性较差,为提高钻进效率,结合国家重点研发计划项目重点对高压射流钻进工艺进行了研究,高速射流的水力能量迅速破坏土体结构,同时冲刷钻头,有效净化孔底环境,避免岩屑重复破碎。试验重点研究泵排量、喷嘴尺寸等对孔底压力和机械钻速的影响,通过工程试验发现合适的喷嘴直径配置是提高机械钻速的关键因素,利用高压射流钻进工艺可以提高钻进机械钻速,有效解决复杂地层快速钻进技术难题。

富水厚砂层引孔旋喷施工技术研究

本文以萝岗新城外环路(11#路-开创大道)道路及市政工程(第一标段)施工总承包项目高压旋喷桩在富水厚砂层中的施工难题作为研究对象,针对传统高压旋喷桩施工工艺在富水厚砂层中易出现塌孔埋钻、钻杆无法自然下钻、喷嘴堵塞、成桩质量较差等问题,提出了富水厚密实砂层高压旋喷桩引孔成桩施工技术。通过对自行设计调整配比的PVC花管进行现场引孔试验对比,经过工程实践检验,对传统引孔高压旋喷工艺进行优化改进,最后形成引孔旋喷施工新技术。该技术在富水厚砂层旋喷桩施工中取得良好成桩效果,具有广泛的推广意义。

井下增压装置提高钻速机理与适用性

利用井下增压装置产生高压射流辅助钻头机械破岩是提高机械钻速的有效手段之一,现有井下增压装置可分为利用钻井液水力能量和钻柱振动能量2种增压方式。针对不同地层对井下增压装置输出压力要求和不同增压方式适用井深条件等问题,通过数值模拟和现场试验分析等手段,研究了地层岩石力学参数对增压射流破岩的压力要求,探讨了2种井下增压方式的适用条件。结果表明,在地层岩石的摩擦角为20°~50°、内聚力小于60 MPa、当井下增压装置输出射流压力达到100 MPa以上、喷距不超过10倍当量喷嘴直径时,增压射流具备直接破岩能力。钻柱减振增压集钻柱减振和井底钻井液增压为一体设计新思路,装置活动部件少,受井深、钻井液性能参数等影响小,井下最长工作时间已达230h以上,比利用钻井液水力能量的增压方式具有更宽的适用范围。

一种转化钻柱振动能量的井底高压喷射钻井装置

通过转化井下钻柱振动能量来增加井底钻井液喷射压力是提高钻井速度的重要途径,而现有技术还未能充分合理地利用钻柱振动能量。为此,基于井下钻柱振动能量的利用理论,提出了钻井液井下增压、增排量的井底高压喷射钻井理念,设计出了井底高压喷射钻井装置,并对其进行了数值仿真研究。结果表明:(1)井底高压喷射钻井装置可以将钻柱振动能量有效转化给井底钻井液从而实现井下高压喷射钻井;(2)井底高压喷射钻井装置增加了喷嘴钻井液过流流量,在?215.9 mm井眼中,其输出的钻井液流量可以提高5 L/s;(3)增大了钻井液喷射压力,喷嘴处钻井液脉冲压力最高达到11.3 MPa;(4)深井内井底高压喷射钻井装置应用效果比上部地层更加显著。结论认为,井底高压喷射钻井装置为高压喷射钻井技术的实现提供了一种新的手段,可以解决现有高压喷射钻井技术设备费用昂贵、安全性差、适用范围有限的问题。

超高压水射流辅助破岩钻孔研究进展

将喷嘴出口压力大于140MPa定义为超高压水射流。介绍了早期超高压水射流钻孔试验及其应用,综述了超高压水射流辅助深井钻孔技术的发展状况,概括了超高压水射流辅助破岩机理和岩石性质与水射流结构参数对破岩效果的影响规律。在此基础上,对今后超高压水射流辅助破岩技术的研究提出了一些建议。

超高压射流辅助钻井技术研究进展

超高压射流辅助机械破岩钻井是提高深井钻井速度的一项前沿技术,关键技术包括井下增压器、超高压射流辅助破岩机理和钻头、超高压射流钻井参数和工艺等。主要介绍了超高压射流破岩机理、井底流场和辅助破岩钻头研究进展,在此基础上提出了超高压水射流辅助钻井技术的研究方向。

井下增压钻井技术前景展望

用成本分析的方法，预测了井下增压钻井技术中关键设备增压泵的性能、寿命、成本与钻井成本的定量关系；提出了该系只有达到最佳设计目标，推广应用才能有钻井成本下降和钻井周期缩短的最大效益；并初步对增压回路和有关参数从增压钻井机理、工艺要求和最佳设计目标等方面进行了定性、定量分析与对比；认真剖析了国外增压泵在井下机械断裂、密封失效、整机可靠性差的原因；介绍了国内井下增压泵取得的最新进展，同时指出，这项关键技术所具有的特点，已为达到最大效益创造了条件，带来了希望。

石门揭煤钻孔布置优化分析及应用

为优化突出煤层石门揭煤钻孔布置,在理论分析射流割缝影响半径的基础上,提出基于高压脉冲水射流割缝技术的钻孔布置的新工艺。在理论分析圆形紊动射流结构的基础上,研究了射流冲击破碎煤体时射流速度分布,基于动量守恒定律得出射流作用于煤体的应力分布。并选取重庆某煤矿K1煤层煤体制作原煤煤样进行孔隙率测试和单轴压缩实验,得出煤体的初始损伤和煤体力学参数,基于损伤力学对煤体发生损伤破坏的门槛值进行了计算,得出射流冲击煤体的最大深度和钻孔切缝后影响半径,并应用于重庆某煤矿+175N2号石门揭煤工程。应用结果:钻孔数量减少32个,减少钻尺718.4 m,钻进工程量减少35.7%。

水射流技术在石油工程中的应用及前景展望

论述了水射流技术在我国石油工程中的研究和应用情况。应用实验方法建立了淹没非自由射流压力及水功率衰减计算模型 ,建立了以井底获得最大水功率 ,优选水力参数设计的新方法和新模型。应用瞬态流理论及水声学原理建立了两种谐振腔的基本关系式和结构数学模型。建立了在钻井双向应力作用下 ,岩石裂纹发展方向模型。介绍了研制的 3种新型高效钻头 ,即加长喷嘴牙轮钻头、自振射流钻头和射流及机械联合破岩钻头。展望了水射流技术在超高压射流钻井、稠油及低渗油藏开采、提高采收率等方面的应用前景。