气体钻井牙轮钻头井底流场特性分析

基于CFD 技术,通过建立井底流场计算模型,运用数值模拟的手段,对气体钻井的三牙轮钻头井底流场进行
了数值模拟,并分析了喷嘴侧倾角、前倾角和后倾角对井底流场的影响。结果表明：三喷嘴不同侧倾角设置比相同侧
倾角设置更利于井底清岩;三喷嘴复合前倾角比复合后倾角的井底清岩能力更强,但对牙轮切削结构的清洗效果较
差;在不改变气体排量的情况下,通过三喷嘴混合复合前倾角和后倾角的方式,可以在保证一个相对较好的井底清岩
能力的情况下,提高射流对牙轮切削结构的清洗能力和环空的携岩能力。分析结果为气体钻井系列牙轮钻头的设计、
评价以及现场气体钻井的技术措施提供了理论指导。     

井底漫流场数值模拟研究

理论研究、台架实验和现场经验表明:井底流场的特性与钻井效率、钻井安全、钻头寿命等有着密切的关系。而喷嘴几何形状、喷嘴布置方式是决定井底漫流场是否合理的关键因素。为了发展有预见性的定量化井底流场研究技术,应用势流理论对井底漫流场进行了数值模拟。模拟结果与台架实验对比表明,井底漫流场数值,模拟能比较客观的反映不同喷嘴组合、不同侧倾角、不同后倾角条件下几股射流的相互作用情况,可为评价井底流场的优劣、钻井效率的高低提供一定的理论依据。     

涡流式水力降低井底压差机制及现状

 石油与天然气钻探实践表明,降低井底压差,减小岩屑的压持效应,并尽量实现井底的欠平衡条件,可以显著提高钻井的机械钻速。本文在介绍涡流式水力降压技术的原理的基础上,综述了环空涡流泵、涡流式水力降压短节和涡流钻头等涡流式水力降压工具的结构特点、降压效果和研发应用情况,采用计算流体力学软件对涡流PDC(聚晶金刚石复合片)钻头的井底流场进行了数值模拟研究。结果发现,涡流钻头与井壁间的密封是降压的关键,推荐上返喷嘴的倾角为150°—180°,推荐上返流量为32%以上,为涡流钻头的研发提供理论指导。     

喷嘴倾角对PDC钻头齿水射流清洗力影响的实验研究

为了对PDC钻头水力结构及参数进行优化设计和优选,对不同喷嘴倾角下水射流钻头齿清洗力的影响进行了实验研究.实验装置的测量杆件是根据悬壁梁原理设计的.用均布于模拟钻头刀翼上的五根测杆,可以测出水射流对模拟钻头齿上的水力清洗力.实验结果表明,一般情况下.水射流对各测杆的清洗力随喷嘴倾角的增大而增大.倾角一定时,靠近喷嘴出口的测杆受力较大.钻头外缘上的测杆受力较小.     

PDC钻头泥包原因分析及对策

为满足快速钻进的需要,钻井工程现场越来越多地使用PDC钻头,提高钻井速度,减少起下钻次数,避免掉牙轮等复杂事故,但在应用中经常有PDC钻头泥包的现象.在分析泥包原因的基础上,从改善钻井液性能、改变钻井参数、精心操作等方面,提出了预防PDC钻头泥包的技术措施,有助于解决PDC钻头泥包的问题.     

锯齿形PDC刀具的破岩特性及温度场

PDC刀具的结构是影响钻头性能的重要因素，锯齿形PDC刀具性能较好但研究较少，缺乏相关理论支撑。因此，本文基于弹塑性力学及Drucker-Prager准则构建了刀具与岩石的有限元模型，对锯齿形PDC及常规PDC刀具的破岩和温度场进行对比研究。结果表明，锯齿形PDC通过剪切和犁碎的方式破岩，有效且明显提升了破岩效率。锯齿形PDC较常规PDC切削力均值减小约20%，波动明显更小。后倾角变大，其切削力增加，破岩比能先增加减小后又增加，存在最佳后倾角10°-15°；切削深度增大，切削力变大，破岩比能先减小后增加，存在临界切深1.5 mm-2 mm；锯齿数增加，刀具的切削力与破岩比能先增加后减小，3个锯齿为最佳。温度场研究结果表明，锯齿形PDC比常规PDC刀具散热面积大，热稳定性更好；其温度随着后倾角增加而降低，随着切削深度的增加而变大，随着锯齿数增加先增大后减小。研究深度揭示了锯齿形PDC刀具的破岩特性以及温度场，对PDC刀具优化及高性能钻头布齿具有较为重要的指导意义。     

实体PDC钻头流场数值模拟与实验验证

利用计算流体动力学技术对聚晶金刚石(PDC)钻头(型号为BK432)的三维湍流进行了数值模拟。模拟中考虑了钻头的切削齿和射流喷嘴对流场的影响。流场的网格划分采用局部加密的混合网格形式,保证了计算精度和运算速度。流场的三维模拟结果揭示了钻头流场存在低速区、回流区和滞流区域,为钻头水力结构优化分析奠定了理论基础。为了对数值模拟的结果进行检验,建立了PDC钻头流体测试实验台架,利用粒子成像测速技术对PDC钻头4个喷嘴的出口流场进行了测试。将测试的喷嘴轴向速度与数值模拟结果进行了对比分析,两者吻合较好。     

用矩形出口喷嘴改善PDc钻头水力结构的研究

如何充分发挥水力能量清洗井底和冷却钻头的作用,是PDC钻头水力结构设计中要考虑的一个重要问题.本文通过室内实验研究,分析了矩形出口喷嘴的射流结构特性,得出了射流轴心动压力衰减规律及横向动压力和横向动压力梯度的分布规律.将矩形出口喷嘴与圆形出口喷嘴的射流特性进行了对比.从清岩和冷却钻头的效果考虑,提出了矩形喷嘴在PDC钻头上使用的合理高度.     

煤层割缝器用双梯度喷嘴结构设计与优化

为提高高压水射流煤层割缝器的切割能力,提出采用双梯度结构对喷嘴这一关键部件进行结构设计及优化来改善喷嘴喷射性能的新思路。针对安装于63割缝器总长为17 mm的双梯度喷嘴,在正交实验指导下,采用Realizable k-ε湍流模型对不同参数组合下喷嘴出口流场进行了模拟。数值模拟结果表明双梯度喷嘴结构参数为L1=6 mm、θ1=18°、θ2=35°、L=6 mm、d=2.5 mm时,其轴向速度在150 mm靶距处最大且衰减较慢。通过对数值模拟优化喷嘴结构进行试制,在室内运用3DPIV对其性能实验测试。实验结果表明在本文实验条件下,双梯度喷嘴结构参数为L1=6 mm、θ1=18°、θ2=35°、L=6 mm、d=2.5 mm时,其射流出口流场平均速度最大,速度场分布较为理想,在150 mm靶距处的平均速度为普通喷嘴的1.4倍。     

水力喷射压裂用喷嘴结构分析

为提高水力压裂用喷嘴在喷砂压裂过程中的喷射性能，利用计算流体力学软件建立了喷嘴流场模型，分析了喷嘴直圆柱段长度、收缩角和喷嘴全长对水力喷射特性的影响。结果表明，随着喷嘴直圆柱段长度的增加，喷射流体速度增加，能量损失减小；收缩角较小的喷嘴喷射动能较大且能量损失较小；喷嘴总长越长，流体速度保持越好。在井底空间条件限制下，通过分析3种结构参数的变化对水力性能的影响，最终确定了最优喷嘴结构参数。     

四川盆地双鱼石区块深井钻井井斜规律研究

针对双鱼石区块井斜控制问题,考虑钻头与地层互作用、地层倾角、井斜角、地层各向异性指数、地层自然造斜力、钻头侧向力,综合建立了钻头侧向力模型,根据不同影响因素探讨了井斜变化规律,通过实钻资料验证了模型的正确性。结果表明,与常规钻井方式相比,空气钻井条件下地层自然造斜力增加,且增加幅度较大。随着地层倾角增加,地层自然造斜力增加。随着井斜角的增大,钻头综合侧向力减小,在空气钻井中和常规泥浆钻井中,钻头综合侧向力均存在零值平衡点。随着地层各向异性指数的增加,地层自然造斜能力增大导致井斜角增大。结合理论研究,通过钻具组合优化、钻井参数优选提出井斜控制措施,将该区块深层易斜地层井斜角降低至0.50°～1.15°,机械钻速提高了40%～85%。研究结果可为超深层井斜规律的研究和高效控制提供重要的参考和指导。     

内螺旋刀翼PDC钻头研究

针对自掩埋钻井新方法需要内排屑的问题,采用螺旋刀翼、内锥面、中心腔体等结构设计内螺旋刀翼PDC钻头,研究刀翼螺旋升角的变化规律,分析岩屑在刀翼刃部和刀翼面上的受力,建立岩屑推动力与刀翼螺旋升角的关系,优化刀翼螺旋升角,并进行台架实验。结果表明:内螺旋刀翼PDC钻头刀翼螺旋升角的理想设计范围为9°~52°,考虑加工和排屑通道大小等影响因素,其合理的设计范围为26°~52°,研制的钻头能迫使岩屑向其中心运移,并实现岩屑的良好流动,满足内排屑要求。     

改善井底流场能够提高钻速

自从喷射钻井技术广泛应用以来,人们一直在研究如何充分利用喷射钻头在井底获得的岑力功率,,以获得更好的钻井经济效益。本文介绍了喷射钻头井底流场液流流向、井底排屑量和井底液流压力的试验研究方法及其应用。研究表明,由于井底流场的不完善而形成的涡旋、回流和滞流区是造成岩屑在井底重复破碎,影响井底净化效率的重要因素,改善喷射钻头的井底流场,最大限度地减少这些因素的影响,能够更好地发掘喷射钻井技术的潜力,提高钻井速度,降低钻井成本。     

环空注气气举反循环钻井工艺及关键参数设计

利用气举反循环钻井技术解决长宁页岩气表层钻井漏失问题,需要解决常规气举反循环钻井技术井口敞开、井底压力控制不精确等问题。为此,在常规气举反循环钻井技术的基础上,设计了一种环空注气气举反循环钻井新工艺,新工艺加装旋转防喷器、钻杆旋塞等工具,具备井控能力。通过调节注气量、钻井液排量等关键施工参数,控制井底压力,减少钻井漏失。在多相流理论基础上,建立了与新工艺匹配的环空注气气举反循环井底压力计算模型,分析了关键施工参数对井底压力的影响规律,建立了关键参数设计方法,在安全窗口范围内优选关键施工参数,保证安全钻井。结果表明：井底压力随注气量的增大先减小、后增大,存在临界注气量;井底压力随井深增大而增大;井底压力随钻井液排量增大而增大。在长宁某井表层进行了现场试验,与同井段井漏地层相比,较常规钻井工艺技术井漏减少83.6%。研究成果为解决四川长宁页岩气表层井漏问题提供了一种新的技术措施。     

底部钻具组合参数设计的评价方法

考虑钻具的设计参数对钻进趋势的影响,提出了钻进趋势角的概念,以此作为底部钻具组合设计效果的评价指标。结合底部钻具的力学分析方法与钻头和地层各向异性理论,建立了一套钻具参数设计效果的评价方法。该方法可分析钻具结构参数、地层参数、钻井施工参数等对钻进趋势的影响规律,从而可以为适应不同井眼条件对钻具性能的要求,提供合适的钻具结构设计参数和操作参数。理论及应用研究表明:(1)钻头侧向力等于零的位置并不是钻具钻进趋势发生改变的位置;(2)如果稳定器位置安放合适,钻压也可以在一定范围内改变钻具的钻进趋势;(3)在直井防斜作业中,使用牙轮钻头比PDC钻头可以起到更好的防斜效果。     

井底牙轮钻头的钻速方程及现场应用

以岩石侵入理论为基础,在考虑井底压力的条件下,建立牙轮钻头的钻速模型。结果表明:在地层由软、中硬到硬地层过渡过程中,钻速方程能够解释不同破岩方式下牙轮钻头的机械钻速问题;随着刃尖角的增大,锥形齿和楔形齿的牙齿侵深都呈指数递减趋势;随着井眼内钻井液柱压力的增大,侵入深度呈指数递减趋势,其中锥形齿递减趋势大于楔形齿;模型理论钻速计算结果与实际钻速数据接近,最小欧式距离为25.8。     

厚渣层熔融还原铁浴混合特性的物理模拟

设计了应用于厚渣层冶炼的铁浴熔融还原炉模型,通过水模实验研究了反应器在不同底吹布置下多层侧枪操作参数对熔池混匀时间的影响规律.单孔底吹实验结果表明,与纯侧吹实验相比,中枪角度、深度以及下枪角度的影响变弱,下枪插入深度的影响增强.多孔底吹实验结果表明:双孔底吹的混匀时间总体上小于四孔底吹布置;当喷嘴数目相同时,非对称底吹的混匀时间小于对称底吹布置.通过比较6种底吹布置下最优参数组合所对应的混匀时间,确定反应器最佳底吹参考布置为双孔非对称底吹,相应的侧枪参数为中枪角度50°、中枪水平深度180mm、下枪角度50°、下枪水平深度180mm.     

涡流钻头降压机制及设计原则

涡流钻头通过反向喷嘴和高速旋转形成负压漩涡,降低井底压差,提高钻井的机械钻速。对涡流钻头降压机制进行研究。采用混合网格计算方法分析反向喷嘴的轴向倾角、径向倾角、上返流量、出口高度和旋转速度等对涡流钻头降压性能的影响,并提出涡流钻头的设计原则。结果表明:反向喷嘴下方井底钻井液回流是影响涡流钻头降压能力的主要因素。涡轮钻头设计的理论原则:轴向倾角为150°~180°、径向倾角为60°~75°、上返流量大于30%、反向喷嘴的出口高度为100~140 mm,井壁间隙应小于3 mm,尽可能地提高钻头旋转速度。