冲顶开窗径向水平井转向送进关键技术

为解决传统径向水平井技术套管段铣和大直径扩孔困难等问题,提出在免扩孔条件下一次性实现径向水平井开窗及钻进的技术方案,设计在Φ139.7 mm套管内使用的转向工具,该工具利用液压冲顶方式进行套管开窗,并采用Φ14 mm无缝钢管作为喷射钻进的钻管。数值模拟与室内试验表明,采用纵向冲顶方式可满足套管开窗要求;在45 MPa泵压作用下钻管能够克服转向阻力实现送进;当冲头下倾角度为11°时能有效地实现钻管矫直与长距离送进;采用液压冲顶套管与金属钻管送进相结合的方式可满足超短半径径向水平井作业要求,为下一步联合水力钻头进行高压喷射破岩奠定基础。     

自振阀式低压脉冲射流调制器振动特性仿真研究

基于脉动低压波克服井底压差提高钻速的机理，并根据自振阀式低压脉冲射流调制器的工作原理，利用Matlab环境下的Simulink系统建立了调制器液压振动力学的计算机仿真模型，对调制器的阀系运动进行了运动仿真。结果显示，调制器上阀和下阀协调振动具有可行性，调制器振动频率随钻头压降的增大线性增加，随钻井液流量、下阀质量、上阀行程的增加而减小。     

超高压水射流破岩及切割实验研究

利用国产高压水射流切割系统，对不同性质的材料进行了切割实验，考察了泵压、喷嘴横移速度、喷距和聚丙烯酰胺质量分数对射流切割效果的影响。实验结果表明，射流的驱动泵压与其切割深度成正比，喷嘴横移速度和喷距增加将使切割深度降低。聚丙烯酰胺对射流切割系统具有双重作用，因而其质量分数存在一个最佳值。对大理石、花岗岩和标准铝板等材料的切割实验表明，在其他实验条件一定的情况下，无孔隙材料的切割深度远低于大孔隙材料。     

低压脉冲射流的调制机理及调制器振动模拟

介绍和分析了钻井液主流阻断式调制射流产生低压脉冲的机理和可行性。初步设计出全尺寸低压脉冲调制器，利用MATLAB环境下的Simulink系统建立了调制器液压振动力学运动的计算机仿真模型。对调制器的液压控制过程及阀系运动进行了初步模拟，显示出调制器主阀和控制阀协调振动工作的可行性。仿真计算结果表明，调制器振动的频率、主阀启闭时间以及在下止点关闭主流的时间等重要工作性能指标基本符合射流低压脉冲的要求，这说明调制器的结构参数基本合理。调制器的实际工作性能、指标以及模型仿真的可靠性还有待于实验验证。     

磨料浆体旋转射流破岩钻孔特性实验研究

聚丙烯酰胺作浆体添加剂,由高压罐在高压管路中加入磨料形成磨料浆体,通过定点冲蚀岩石实验研究磨料浆体旋转射流的破岩钻孔特点。实验表明,磨料浆体旋转射流冲蚀岩石形成的破碎坑呈"V"形。与非旋射流相比,相同水力参数下磨料浆体旋转射流的钻孔直径增加1.2倍左右,破岩体积提高约4倍。添加剂聚丙烯酰胺的含量增加对提高射流的破岩钻孔深度有明显地促进作用。     

不扩孔径向水平井钻管转向仿真研究

针对177.8 mm套管内部空间尺寸的约束条件,建立转向器弯曲导向滑道及钻管模型,利用ANSYS软件,对钻管通过转向器滑道的转向过程进行有限元仿真研究。仿真结果表明:在钻管弯曲转向时钻管弯曲内侧更易发生失稳;转向器滑道曲率变化率是个非常重要的参数,钻管应力、截面变形、钻管阻力都与其有关,为了使钻管以低应力、较为安全的状态通过转向器,减小滑道轨迹的曲率变化率是必要的方式;材料为X的钻管可以安全穿过滑道,钻管转向后可以沿滑道水平钻进,钻管变形保持在许可范围内,能够满足径向水平井的钻进要求。     

磨料浆体旋转射流的速度分布及其受聚丙烯酰胺添加剂的影响

利用粒子成像速度场仪(PIV)对磨料浆体旋转射流的时均速度场进行了测量,得出了射流中磨料粒子的速度分布和滑移速度分布,并考察了聚丙烯酰胺添加剂对其的影响。结果表明,淹没条件下,射流中磨料粒子的速度分布仍类似于高斯分布;随喷距增加,在射流轴心附近的磨料轴向速度和滑移速度都先增加后降低;实验条件下,磨料浆体旋转射流的扩散角为20°,比非旋转射流的扩散角大1.52倍,因而旋转射流具有钻大直径孔眼的能力;聚丙烯酰胺具有抑制射流横向扩展和降低射流轴向衰减的作用,随聚丙烯酰胺质量分数的增加,射流固液两相的速度都相应提高。     

磨料浆体旋转射流的速度分布及其受聚丙烯酰胺添加剂的影响

利用粒子成像速度场仪(PIV)对磨料浆体旋转射流的时均速度场进行了测量,得出了射流中磨料粒子的速度分布和滑移速度分布,并考察了聚丙烯酰胺添加剂对其的影响.结果表明,淹没条件下,射流中磨料粒子的速度分布仍类似于高斯分布;随喷距增加,在射流轴心附近的磨料轴向速度和滑移速度都先增加后降低;实验条件下,磨料浆体旋转射流的扩散角为20°,比非旋转射流的扩散角大1.52倍,因而旋转射流具有钻大直径孔眼的能力;聚丙烯酰胺具有抑制射流横向扩展和降低射流轴向衰减的作用,随聚丙烯酰胺质量分数的增加,射流固液两相的速度都相应提高.     

聚丙烯酰胺浆体旋转射流速度分布的实验研究

利用先进的粒子成像技术及实验系统研究了聚丙烯酰胺水溶液旋转射流的速度结构.实验结果表明,聚合物对旋转射流的速度分布有较大影响.旋转射流轴向速度的最大值仍位于射流轴线上,在喷距超过4倍喷嘴直径后出现轴向速度的自相似区域.径向速度分布比较复杂.在射流外部,流体向射流轴心方向流动;而在内部存在着径向速度为正值的核心体.旋转射流的切向速度分布相当于射流中存在一个旋转的涡核.涡核内部的切向速度随半径呈线性增加,涡核边界处的切向速度最大.喷距超过4倍喷嘴直径以后的涡核呈锥体状,并以35°锥角沿流向扩展,表现出速度的自相似性.切向速度随喷距的变化呈现出两个以喷距等于4倍喷嘴直径为界的线性降低阶段.     

前混式磨料水射流切割套管的深度计算模型

基于能量原理 ,建立了前混式磨料水射流切割套管的物理模型和数学模型。理论分析和实验结果表明 ,前混式磨料水射流切割套管的深度与磨料的种类有密切的关系。采用石榴石作磨料 ,其切割深度明显大于采用石英砂时的切割深度。该研究结果为将前混式磨料水射流技术应用于井下套管切割提供了理论根据。