旋转射流钻头的叶轮设计

旋转射流钻头是一种新型高效水力破岩钻头，作为旋流发生器的叶轮，其性能直接影响破岩效果．文中分析了旋转射流钻头的内流场，在此基础上提出叶轮设计目标和要求，证明了对圆柱形叶轮，不存在既无径向流又等旋度的叶轮参数．同时，运用翼型绕流理论，推导出有关叶轮长度、半径、叶片安放角等参数与射流喷嘴直径、扩散角、旋度之间的关系式，分析并确定了叶片工作性能与来流压力的关系式．运用实例说明了这些公式的使用以及叶轮段水头损失的估算方法，可为叶轮的设计提供理论指导．     

PDC钻头切削齿运动规律的探讨

根据ＰＤＣ钻头的运动特点及工作特点，建立了描述ＰＤＣ钻头各个切削齿运动规律的理论分析体系，给出了计算或确定各切削齿运动速度、切削面积、井底角、旋转一周的破岩体系、切削齿的工作部位等参数的具体方法，为分析和评价或定量计算各切削齿工作条件和钻头总体性能奠定了基础。     

PDC钻头切削齿运动规律的探讨

根据ＰＤＣ钻头的运动特点及工作特点，建立了描述ＰＤＣ钻头各个切削齿运动规律的理论分析体系，给出了计算或确定各切削齿运动速度、切削面积、井底角、旋转一周的破岩体积、切削齿的工作部位等参数的具体方法，为分析和评价或定量计算各切削齿工作条件和钻头总体性能奠定了基础     

双射流破岩钻孔参数实验研究

双射流是由中心直射流和同轴的环形旋转射流形成的一种新型高效射流,用双射流能够克服门限压力与高破岩比能的制约而高效破岩。采用破岩实验研究了喷嘴锥角、叶片出口角、内喷嘴直径、喷距和压力5个主要参数对双射流破岩效果的影响。结果表明,喷嘴入口锥角为60°、叶片出口角为18°的喷嘴产生的射流具有较强的破岩能力;当双射流喷嘴当量直径一定时,大的内喷嘴直径获得的破岩深度较大但会减小破岩体积;实验条件下,双射流破岩的最优喷距为10~20 mm,破岩门限压力为20~25 MPa,破岩体积随压力的增加而增加。     

双射流破岩钻孔参数实验研究

双射流是由由心直射流和同轴的环形旋转射流形成的一种新型高效射流,用双射流能够克服门限压力与高破岩比能的制约而高效破岩.采用破岩实验研究了喷嘴锥角、叶片出口角、内喷嘴直径、喷距和压力5个主要参数对双射流破岩效果的影响.结果表明,喷嘴入口锥角为60°、叶片出口角为18°的喷嘴产生的射流具有较强的破岩能力;当双射流喷嘴当量直径一定时,大的内喷嘴直径获得的破岩深度较大但会减小破岩体积;实验条件下,双射流破岩的最优喷距为10～20 mm,破岩门限压力为20～25 MPa,破岩体积随压力的增加而增加.     

牙轮钻头喷嘴射流破岩机理研究

本文以喷嘴射流冲蚀岩石为依据,对牙轮钻头的破岩方式、喷嘴射流的水力破岩和水力辅助破岩机理以及破岩的基本作用和影响因素进行了分析研究。结果表明,在现有机泵条件下牙轮钻头喷嘴射流对泥岩、页岩和粗粒砂岩具有直接水力破岩作用,对石灰岩、细粒砂岩有较好的水力辅助破岩作用。喷嘴射流冲击压力、射流的脉动特性、岩石的孔隙度和裂缝发育条件是影响水力破岩和水力辅助破岩的三个重要因素。     

锥形齿PDC钻头台架试验研究

设计并加工锥形齿PDC钻头、锥形PDC齿与常规PDC齿混合的复合式钻头、常规PDC齿钻头,在不同性质的岩样上进行台架试验研究,分析锥形齿PDC钻头钻进硬地层的破岩效果以及钻压、转速等钻进参数对其钻进性能的影响规律,并与常规PDC钻头的破岩效果进行对比。结果表明:锥形齿PDC钻头具有钻进硬岩能力,机械钻速随钻压和转速的增加而增大;锥形PDC齿与常规PDC齿混合的复合式钻头在硬岩中可获得较高的破岩效率,机械钻速可提高90.6%。     

复合运动岩石破碎试验设备和试验方法

本文介绍一种研究牙轮钻头破岩机理的新型试验设备和试验方法。这套由微机控制和测量数据的试验机与国内外现有的钻头试验架有所不同,能更真实地模拟实际钻头牙齿破岩时的运动和动力状态,更精确地测定试验过程中的各项动态参数以及它们之间的对应关系。文中给出了用本试验机在钻头结构、钻井条件、岩石性质等参数的不同组合时进行破岩试验的大量实例和试验结果分析。这些试验研究证明这套新型试验装置工作可靠,操作方便、数据测量精度高、试验结果正确可信。     

旋切方式作用的新型钻头破岩特性与试验分析

在分析传统三牙轮钻头破岩特性的基础上,提出一种旋切方式破岩的新型钻头(旋切钻头)。运用柱坐标与复合运动原理,建立破岩过程切削齿的位置方程、速度方程和加速度方程。同时结合算例参数,分析不同齿圈切削齿破岩过程接触段上的速度和加速度分布规律。根据加速度计算结果进行切削齿破岩工作力学和失效机制研究。结果表明:在钻进过程中,旋切钻头的切削齿以冲击、旋切方式破岩,不同齿圈切削齿同时切削井壁,且大齿圈切削齿过井眼中心,运动速度快,可有效地提高钻头心部破岩效率。试验结果验证了算例分析和计算方法的正确性,建立的计算方法修正了现有研究的部分错误,且适用于其他牙轮钻头与复合钻头的研究。     

新型直旋混合射流破岩特性及机理分析

为了揭示直旋混合射流的破岩机理,开展了直射流、旋转射流与直旋混合射流的冲蚀实验,并利用3DPIV测试系统获得了3种射流的速度场,通过对比分析相同靶距下冲孔深度及射流速度沿径向的分布规律,揭示了直旋混合射流的损伤破岩特性。结果表明,直旋混合射流可消除旋转射流的中心低速区和冲孔的中心凸台,该射流沿径向的分布宽度和破岩直径大于直射流,射流结构可分为直射流区、强旋射流区、弱旋射流区和外围射流区。直射流区的冲击破岩能力主要取决于射流能量;强旋射流区具有较大的径向和切向速度,当对岩石施加径向张力和周向剪力且在其合速度小于直射流的情况下,该区破岩深度仍可达到直射流区破岩深度;在弱旋射流区,受直射流和强旋射流的共同作用,岩石强度降低,但当三向速度均较小时亦能有效破岩;外围射流区主要是通过返回流携带岩屑对孔壁起磨削作用。     

牙轮钻头牙齿破岩有限元分析

牙轮钻头是石油钻井中主要的破岩工具。牙轮钻头的破岩是通过其齿圈上的牙齿和岩石相互作用完成的。本文通过建立牙轮钻头单个牙齿与岩石互作用模型,用有限元方法完成了牙轮钻头破岩过程的分析,获得岩石的破碎坑;进一步通过等效应力云图确定了牙齿破岩过程牙齿及岩石的应力分布情况,为进一步分析牙轮钻头破岩效率提供依据。     

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。     

新型磨料水射流钻头岩石钻进过程关键水力学参数研究

喷嘴直径、泵压、磨料浓度是磨料水射流辅助岩石钻进技术的关键水力学参数,这3个因素直接影响磨料射流的冲孔速度,从而影响磨料水射流钻头的破岩效率.通过理论分析建立了冲孔速度与关键水力学参数的关系式,并进行了磨料射流冲蚀灰岩试验.理论分析和试验结果表明:喷嘴直径对冲孔速度影响最大,其次是泵压和磨料浓度的影响.对试验数据进行回归分析,得到了方便现场应用的冲孔速度计算公式.本文的研究成果为新型磨料水射流钻头岩石钻进速度的选择提供了依据.     

煤矿井下用内锥型PDC钻头工作状态模拟分析

为提高煤矿井下硬岩钻进破岩效率,设计了Φ94mm内锥型PDC钻头,并对其进行了破岩过程仿真分析,以研究其受力特性。结果表明：与相同规格三翼内凹PDC钻头相比,在同等工况条件下,内锥型PDC钻头所需轴向载荷降低近13%,破岩效率提高近30%;内锥型PDC钻头破岩受到的径向不平衡力占钻压的9.8%,钻头容易产生涡动,因此对于内锥型PDC钻头应关注其侧向力平衡的设计。根据分析结果,试制Φ94mm钢体内锥PDC钻头并进行现场试验,相比于工区现用Φ94mm普通钢体三翼内凹PDC钻头,试验钻头平均寿命提高2倍左右、破岩效率提高40%以上,表明研制的新型内锥PDC钻头有助于降低钻进成本,提高破岩效率。     

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。     

关于PDC钻头破岩效率的研究

钻头作为钻进过程中主要的破岩工具,其质量的优劣直接影响钻进速度以及钻井的质量和成本。PDC钻头作为金刚石钻头的一种,其在低钻压下可以获得比较好的进尺和钻速,因而得到了广泛的应用。对于PDC钻头,其切削齿尺寸、后倾角和布齿密度是影响其性能的重要参数,本文通过对PDC钻头的室内试验,探讨了切削齿尺寸、后倾角和布齿密度对PDC钻头破岩效率的影响。     

布齿参数对PDC钻头破岩效率影响的试验

PDC切削齿尺寸、后倾角和布齿密度是影响PDC钻头性能的重要设计参数.采用室内钻进试验方法,考察切削齿尺寸、后倾角和布齿密度对PDC钻头破岩效率的影响.结果表明:对可钻性为Ⅲ级以下的岩石,直径19 mm切削齿的破岩效率最高;对可钻性为Ⅳ～Ⅴ级的岩石,直径16 mm切削齿的破岩效率最高;采用直径19 mm和16 mm切削齿时,后倾角为15°左右时的破岩效率最高;随布齿密度增大,破岩效率降低,特别是在可钻性为Ⅲ级以下的岩石中,布齿密度的影响更为明显.     

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。     

旋转水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型模拟了旋转水射流作用下岩石的损伤破坏过程，其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。同时还对旋转水射流的破岩机理进行了分析。模拟计算结果与前期的试验结果一致，均显示旋转射流具有较强的破岩能力，其原因在于旋转射流的质点具有三维速度，破岩时以倾斜冲击为主，易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏，回流的干扰较少；破岩过程首先是形成一环形破碎带，然后沿径向和轴向发展，所形成的破碎坑呈内凸锥状。旋转射流破岩的优势在于破碎面积大、效率高。     

自振空化射流研究与应用进展

介绍一种新型射流——自振空化射流的设计原理、冲击压力特性、冲蚀破岩特性和现场应用情况。研究表明，以风琴管结构为基础设计的喷嘴可以产生强烈的自振空化射流，与锥角为 120°的普通锥形喷嘴相比，冲击压力脉动幅度和峰值分别提高24 ％和37 ％，冲蚀岩石效果提高1～2倍。自振空化射流已成功应用到石油工程中，研制出自振空化射流钻头、高压旋转自振空化射流处理近地层技术和自激波动注水技术，取得明显的经济效益。