近百名国内外著名专家在中国石油大学研讨水射流技术

2006年10月10日，第八届环太平洋国际水射流会议暨第十二届中国水射流技术研讨会在中国石油大学青岛校区隆重召开。会议由中国水射流技术专业委员会主办，中国石油大学承办，日本水射流技术学会和中国石油天然气集团公司钻井工程重点实验室协办，并得到中国石油天然气集团公司的资助。来自美国、日本、韩国、法国、澳大利亚、俄罗斯等国家的近40位国际知名水射流专家及50名国内专家、学者参加了会议。会议就高压水射流技术发展趋势和前沿成果、高压水射流技术的研究项目进展、高速射流及其破岩过程的数值模拟现状、国外新型射流调制机理研究进展、射流钻井关键理论或技术问题、高压水射流的应用技术等问题进行了交流和探讨。     

脉冲高压水射流工作原理及研究现状

综述了脉冲高压水射流技术的发展过程，指出脉冲水射流是一种有发展前途的新型射流技术。通过对脉冲高压水射流工作原理的分析，显示了脉冲射流切割和破碎材料的潜在优势，详细探讨了振荡脉冲射流、脉冲水炮和电液动脉冲射流的发生机理和脉冲特性，并简要介绍了几种其他型式的脉冲射流。     

利用电磁场实现预混合磨料射流的设想及验证试验

随着各国研究人员对高压水射流技术基础理论的深入研究和对应用设备的不断开发,高压水射流技术发展迅速,射流的品种已从纯水射流逐渐扩展为磨料射流、空化射流等,并广泛应用于煤炭、石油、化工、冶金、机械、军事等多行业,用以完成清洗、除锈、除尘、切割、钻孔、粉碎、注浆等作业。提出一种利用正交电磁场装置实现高效、连续预混合磨料射流的设想,阐述预混合磨料射流技术的内涵,介绍其理论依据,分析其技术可行性,提出该技术实现及实用化所需解决的技术问题,进行初步试验验证,为磨料射流技术发展提供新思路。     

测井资料在钻头选型方面的应用

利用测井资料进行钻头选型是一项新技术，可以用来解决目前国内在钻头选型方面存在的困难和问题。通过室内实验和现场资料统计，建立了地层岩石声波时差与岩石可钻性的关系模型，利用该模型并结合新疆塔西南巴楚地区的地震、地质、测井及钻井资料进行了钻头的选型，确定了适合该地区的钻头类型，并在现场进行了应用，取得了良好效果     

空化水射流研究现状及其应用

综述了高压水射流技术发展及应用过程,认为空化水射流是一种富有发展前途的高效新型射流．通过对空化水射流机理、空化数和冲击压力两个重要空化参数的分析,显示了空化射流的潜在优势．实验表明人工淹没空化射流具有较强的冲蚀效果,并克服了靶距范围的不足．简要介绍了该技术应用于火箭发动机内脏固体推进剂清洗工程的射流系统设计．     

高速超高压水射流喷管内外湍流流场的数值模拟

基于对现有研究成果的分析，选用了应用最广泛的涡动粘性系数法中的－κ－ε模型对高速超高压射流辅助钻井钻头井底湍流流场进行了数值模拟，研究了高速超高压射流的结构特性和喷管内外流场的分布规律。模拟精度基本达到了工程技术要求。对高速超高压射流喷管内外湍流流场的全场数值模拟表明，高速超高压射流井底流场是由射流冲击区，漫流区，涡流区和返游戏我组成的，对于有较大锥形角的斜面或曲面内流道喷嘴，一般可不必考虑流体的     

高压水射液切削技术

论述了利用高压水射流技术加工各种金属和非金属材料的基本原理，并给出了射流的主要参数和射流装置的组成。为高压水射流切削加工设备设计提供了理论依据。     

钻井用钻头和钻柱扭转振动的仿真分析

介绍了钻井过程中钻头和钻柱扭转振动模型的建立方法和对其进行仿真分析的过程。在建模型时主要考虑了钻井过程中由于钻头与岩石相互作用及钻柱的弹性变形而引起的钻头和钻柱扭转振动,并采用数值计算方法求解钻柱扭转振模型,     

高速超高压水射流喷管内外湍流流场的数值模拟

基于对现有研究成果的分析，选用了应用最广泛的涡动粘性系数法中的ｋε模型对高速超高压射流辅助钻井钻头井底湍流流场进行了数值模拟，研究了高速超高压射流的结构特性和喷管内外流场的分布规律．模拟精度基本达到了工程技术要求．对高速超高压射流喷管内外（井底）湍流流场的全场数值模拟表明，高速超高压射流井底流场是由射流冲击区、漫流区、涡流区和返流区组成的，对于有较大锥形角的斜面或曲面内流道喷嘴，一般可不必考虑流体的压缩性影响（约为５％）．     

水力射流降低井底压差技术

降低井底压差,减小岩屑的压持效应,可以显著提高钻井的机械钻速。根据射流式水力降压技术的原理,结合环空射流泵、射流降压短节和射流泵钻头等射流降压工具的发展现状,提出一种新型的环形射流泵结构,采用混合网格数值计算的方法对影响其降压性能的关键因素进行分析。结果表明:井底流体的回流是导致射流泵钻头降压效果变差的主要原因,回流量与井壁间隙成正比,与反向喷嘴的轴向倾角成反比;密封钻头与井壁间的间隙是提高射流泵钻头性能的关键;新型涡流-射流混合降压钻头可降压0.45～0.88 MPa,是现有射流式射流泵钻头降压效果的3～4倍。     

利用岩屑波速随钻检测地层可钻性及优选钻头类型

研制了随钻测量钻井岩屑声波速度的便携式钻屑波速测试系统，并对岩屑波速进行了测试，建立了岩屑波速与可钻性级值的关系模型。利用该模型，可随钻标定地层的可钻性级值。对数百只钻头的使用资料进行了统计分析，建立了钻头类型与地层可钻性级值的对应关系。根据地层可钻性的随钻标定结果及变化趋势，利用钻头类型与地层可钻性级值的对应关系，即可优选出适合于待钻井段的钻头类型。在DW-1井上进行了钻头优选现场试验，证明该方法是有效的。     

喷射式钻头测绘方法

喷射式钻井,利用泥浆射流及时清除井底岩屑,避免钻头重复切削,同时有利于岩石破碎,可提高进尺20—30%。这种新型钻井方法国外早已大量使用,国内正在大力改善钻井条件逐步推广。现在要求设计及生产新钻头时,毛坯一律做成喷射式,以利进一步发展喷射式钻井。我们在钻头测绘中有些体会及教训,现总结如下。     

钻柱纵向振动模型的建立及求解方法

在牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上,将钻头在井底作纵向往复运动的位移作为钻柱纵向振动的下端边界条件,在适当简化的条件下,利用弹性杆理论和单元法建立了钻柱在钻井过程中由于钻头与岩石互作用及钻柱的弹性变形而导致钻柱产生纵向振动的动力学模型在给定初始条件和边界条件的情况下,采用数值计算方法求解了钻柱纵振模型。为进一步弄清钻头、钻柱在钻井过程中的实际运动规律和动力学性能,改进钻头、钻柱的设计方法,预防钻头、钻柱早期失效奠定了基础。     

牙轮钻头自激振荡脉冲喷嘴的实验研究

在理论和实验研究的基础上,设计了几种用于牙轮钻头的自激振荡脉冲喷嘴,在常压下进行了射流脉冲压力测试和冲蚀天然红砂岩的实验。实验结果表明,所设计的风琴管自激脉冲喷嘴和亥姆霍兹振荡腔脉冲喷嘴具有很强的脉冲效果,其冲蚀岩石能力大大高于普通锥形喷嘴,其中风琴管自激脉冲喷嘴的脉冲效果和破岩能力最强。实验还表明,自激振荡脉冲喷嘴射流存在最优喷距,最优喷距的大小为喷嘴出口直径的7～14倍。自激振荡脉冲喷嘴可直接应用在钻头上,能提高钻井速度,降低钻井成本。     

射流技术应用的发展

一射流技术国外是在五十年代末出现的。初期过分估计了它的作用,结果大量应用项目或因技术不成熟、或因应用场合不恰当而被淘汰。之后,有的人又全面否定它的作用。在科学研究和实际应用取得了一定经验的基础上,人们对射流技术有了较为客观的认识,射流技术有一些独特的优点,因而在自动控制中占有一定的地位;近年来,随着射流传感器和功率射流的发展,又为它的应用打开了新的前景。国外射流技术是在继续向前发展的。     

钻头选型通用方法研究

提出了一种既考虑地层的多种岩石力学特性又考虑钻头经济效益的具有通用性的钻头选型方法。该方法在待钻地层岩石力学性质评价的基础上，首先应用模糊优选理论建立了地层岩石力学性质相似层位的模糊优选模型，用其进行相似层位的优选，然后应用经济效益指数法对相似层位的钻头性能进行评价，最后给出合理的钻头选型结果。该通用钻头选型方法不受区域限制，克服了常规的依据地质分层或钻井经验进行层位相似判断的不足，不仅适用于PDC钻头选型，也适用于牙轮钻头选型。应用该方法对某新探区进行了钻头选型。现场试验结果表明，该方法是合理、有效的。     

三牙轮钻头喷射流至井底位置及喷距的计算

本文在以钻头中心线为Z轴,钻头顶部端面为XOY平面所建立的空间坐标系OXYZ中,推导了射流轴线方程及井底形状曲面方程,从而提出了确定牙轮钻头喷射射流冲击井底位置及喷距计算的一种解析方法,并给出了计算机程序框图及计算示例。与原来的图解法相比,解析法具有简单、准确及通用性好等特点,为钻头设计及喷射钻井参数设计提供了方便。     

水力喷射径向钻井极限深度预测及分析

以旋转射流钻头为研究对象,通过分析径向钻井系统的受力和压力损失,建立了钻井极限深度预测模型;计算了某一工程实例的钻井极限深度,并得到了系统压力损失和受力情况;利用建立的极限深度预测模型研究了钻头主要结构参数对极限深度的影响规律.结果表明,钻进过程中,软管压力损失是系统主要损失,后喷嘴反冲力为系统前进的唯一动力,前喷嘴反冲力、软管与孔壁摩擦力为主要阻力;极限深度随后喷嘴直径的增大呈近似线性增大,随前喷嘴直径的增大呈近似线性减小,随旋转射流扩散角的增大呈二次函数关系增大,随后喷嘴安装角度的增大呈二次函数关系减小.本文工程实例的钻井极限深度预测值可达72.1m.     

PDC钻头条件下圆喷嘴撞击射流井底流场的数值模拟

为了研究ＰＤＣ钻头条件下圆喷嘴射流撞击井底流场的基本规律，在分析ＰＤＣ钻头的基本水力结构特点的基础上，建立了ＰＤＣ钻头条件下并底结构的物理模型。采用ｋ－ε双方程模型封闭湍流Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，利用求解压力耦合方程的半隐式方法，对这一物理模型条件下的流场进行了数值模拟，并将数值结果与实验研究结果进行了对比。结果表明，所建立的控制方程、控制条件以及所采用的数值方法是合理的根据数值结果，研究了ＰＤＣ钻头条件下，射流撞击井底时的流场结构、轴心速度变化规律以及井底漫流的流动规律。     

起下钻时井眼内动态波动压力的预测

以流体力学不稳定流动的基本理论为基础，建立了钻井起下钻作业过程中井眼内动态波动压力预测的理论模型。介绍了动态波动压力的基本方程及求解该方程的特征线差分和方格网加插值的求解方法。给出了考虑不同井身结构、钻具组合、钻头和喷嘴（包括泥包钻头）、起下速度和加速度变化等因素后边界条件及初始条件的处理方法。以算例的形式介绍了模型的应用情况。