锥形旋转射流井底流场的数值模拟

针对旋转水射流代替机械钻头破岩钻径向水平井的实际要求,运用数值模拟方法研究了旋转射流在井底的流动规律。结果表明,旋转射流的流动不同于普通圆射流,它的第一个质点都具有三维速度,射流能量不是集中在射流中心部位,而是集中在定定半径的圆环上,同时具有明显的扩散性,并在中心形成回流区。随着旋流强度的增大,射流扩散能力增强。 数值模拟得到的流动规律与实验结果完全一致。     

双级PDC钻头井底应力场分析

介绍了双级PDC钻头特征，建立了双级PDC钻头的井底应力场分析模型，给出了相关参数和边界条件以及分析方法，利用有限元方法对双级钻头井底进行三维应力场数值分析得到了井底应力场云图和曲线图，并与常规钻头井底应力场进行了对比。分析和研究认为，双级PDC钻头井底形成了径向应力小、周向应力大的二次应力场，等效应力卸载明显，且总等效应力是常规钻头的85．56％，提高机械钻速的潜力较大。     

双级PDC钻头井底应力场分析

介绍了双级PDC钻头特征,建立了双级PDC钻头的井底应力场分析模型,给出了相关参数和边界条件以及分析方法,利用有限元方法对双级钻头井底进行三维应力场数值分析得到了井底应力场云图和曲线图,并与常规钻头井底应力场进行了对比.分析和研究认为,双级PDC钻头井底形成了径向应力小、周向应力大的二次应力场,等效应力卸载明显,且总等效应力是常规钻头的85.56%,提高机械钻速的潜力较大.     

井底受限射流流场的数值模拟

考虑到深井、超深井中井底围压对射流流场有一定的影响，建立了井底受限射流流场的物理模型。采用κ-ε模型，并对模型的主要系数进行了优选，用有限元方法对围压条件下井底受限射流的流场进行了数值模拟。给出了高围压条件下射流轴心动压力、径向速度和轴心线上湍流动能等流场参数分布，并与零围压条件下淹没自由射流的参数进行了比较，得出了高围压条件下受限射流轴心动压力衰减规律的数学模式，进一步完善了钻井水力参数设计的理论和方法。     

井底边界条件下喷嘴射流流的数值模拟

用数值模拟的方法研究了符合井底边界条件的轴对称单喷嘴淹没非自由射流流场，给出了不同喷嘴直径、不同喷速、不同喷距下的流场磁量图，并研究了上述工况下的射流轴心速度衰减规律。结果表明，除射流区、撞击区、漫流区、返回区之外，还存在一明显的回流旋涡区，射流出口雷诺数对轴心速度衰减的影响很小，而温流的存在命名得射流轴心速度在靠近井底的区域内受到很大程度的影响。     

井底受限射流流场的数值模拟

考虑到深井、超深井中井底围压对射流流场有一定的影响 ,建立了井底受限射流流场的物理模型。采用k ε模型 ,并对模型的主要系数进行了优选 ,用有限元方法对围压条件下井底受限射流的流场进行了数值模拟。给出了高围压条件下射流轴心动压力、径向速度和轴心线上湍流动能等流场参数分布 ,并与零围压条件下淹没自由射流的参数进行了比较 ,得出了高围压条件下受限射流轴心动压力衰减规律的数学模式 ,进一步完善了钻井水力参数设计的理论和方法。     

热膨胀系数对气体钻井井底岩石应力场的影响

气体钻井中高压气体通过喷嘴发生焦耳—汤姆逊效应,导致井底温度降低,井底低温影响井底附近岩石应力分布。在热膨胀系数为常数和随机变量两种情况下,研究了低温对气体钻井中井底岩石应力分布的影响。结果表明：井底温度降低,切向应力增大,径向应力减小,意味着井底温度降低,岩石变得容易破裂,有利于提高机械钻速;热膨胀系数为常数和随机变量两种情况下,应力分布趋势相同,只是数值上有所差别,热膨胀系数为随机变量时的切向应力数值大于热膨胀系数为常数时的切向应力。     

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。     

井底边界条件下单喷嘴射流流场的数值模拟

用数值模拟的方法研究了符合井底边界条件的轴对称单喷嘴淹没非自由射流流场，给出了不同喷嘴直径、不同喷速、不同喷距下的流场矢量图，并研究了上述工况下的射流轴心速度衰减规律。结果表明，除射流区、撞击区、漫流区、返回区之外，还存在一明显的回流旋涡区，射流出口雷诺数对轴心速度衰减的影响很小，而漫流的存在使得射流轴心速度在靠近井底的区域内受到很大程度的影响．数值模拟结果和有关实验数据有较好的一致性。     

高压水射流破碎岩石的有限元分析

根据连续介质力学和有限元理论 ,给出了高压水射流破岩系统中流体和岩石的控制方程 ,并建立了相应的有限元列式。采用交错迭代的解耦方法求解了水射流与岩石的耦合问题 ,并就非线性动力有限元数值计算中应注意的问题进行了讨论。数值计算的结果较真实地反映了水射流破岩过程中岩石的动态响应以及水射流动力学特性的演化过程 ,并与相关试验规律吻合良好 ,这表明该分析方法是有效的 ,可用来指导高压水射流破岩理论的进一步研究及应用。     

高压水射流破岩钻孔过程的理论研究

对高压水射流破岩钻孔的试验结果、岩石内孔隙流体的运动规律以及水射流破岩过程中的能量分布变化趋势进行了分析 ,对高压水射流破岩钻孔过程进行了系统的研究。研究结果表明 ,高压水射流破岩钻孔过程分为两个阶段 ,初期以应力波作用为主 ,形成岩石损伤破坏的主体 ;后期以射流准静态压力作用为主 ,主要是使岩石孔眼直径扩大。水射流破岩钻孔过程中射流和岩石的相互作用以界面耦合为主 ,水射流的冲击载荷在岩石内产生的应力波和射流准静态压力共同作用使岩石破碎 ,其中应力波的作用占主导地位。     

高压水射流破岩应力波效应的数值模拟

高压水射流破岩是一个涉及诸多因素的复杂的非线形动力学问题,利用非线形有限元法,采用动态接触模拟高压水射流对岩石冲击作用.结果显示岩石内部最初受到冲击时的不稳定性由强变弱,反映了岩石的动态响应特性;模拟了在不同冲击速度下应力波在岩石中的传播和衰减过程,结果表明应力波的传播速度与冲击速度成正比,射流速度越大,应力波衰减越快;同时还模拟了以相同的速度分别冲击砂岩和煤时的应力波效应,计算表明在相同的冲击速度下,射流冲击煤的局部性效应比冲击砂岩时更为显著,应力波在砂岩中的传播范围要广泛一些.     

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。     

高压水射流破岩机理研究

由于高压水射流破岩涉及的因素较多 ,且影响因素的作用规律比较复杂 ,致使其破岩机理一直未能被准确揭示 ,从而制约着水射流技术的应用和发展。对水射流破岩理论研究的状况进行了回顾 ,系统评述了水射流破岩研究中的理论要点 ,在此基础上指出水射流的冲击动载荷、岩石的动态本构关系、岩石与水射流的耦合作用以及水射流破碎岩石的数值模拟研究等是水射流破岩机理研究的发展方向 ,这对高压水射流破岩理论的深入研究和水射流技术的应用具有现实的意义     

气液两相射流破岩流场数值模拟

为解决传统水射流破岩资源消耗巨大的问题,急需研究出一种高效节能的射流破岩技术,以达到节能减排、绿色可持续发展的目的。本文基于计算流体力学方法,在水射流的基础上加入定量气相,形成气液两相射流,并对其进行数值仿真,研究了气液两相射流的速度场、压力场特性,分析了气相体积分数、入射压力和喷距对气液两相射流破岩性能参数的影响规律。研究结果显示：气相体积分数为30%的气液两相射流的最大轴向速度为288 m/s,相比纯水射流提升超过19%。当射流从喷嘴喷出,高压的气泡溃灭会形成高速溃灭微射流,提高射流速度和射流冲击力。随气相体积分数增加,射流最大轴向速度不断增加,而驻点压力略有下降。随入射压力增加时,射流最大轴向速度呈上升趋势,但增幅逐渐变缓。当喷距增加到35 mm时,射流中的大部分气泡在靶面附近发生溃灭,对靶面产生脉动冲击,使驻点压力回升到26 MPa,此时驻点压力高,射流扩散较小,射流破岩性能良好。     

油田注水诱发应力场演化及地层活动机制研究

基于多孔介质理论建立注水诱发应力场变化定量评价的力学模型,利用有限元方法对耦合模型进行求解,分析注水过程中超孔隙压力与应力场演化规律,揭示注水诱发地层活动的力学机制。计算结果表明:注水形成的超孔隙压力控制局部应力场分布,一方面导致垂向、水平有效应力减小,Mohr应力圆左移,地层活动趋势增加;另一方面削弱注水层段水平地应力的作用效果,导致主应力差值减小、Mohr应力圆直径缩小,易于地层稳定。注水诱发地层活动与岩层渗透性能、吸水软化与构造应力环境等组合因素密切相关。     

基于近场动力学与有限体积法耦合的裂隙岩体渗流模拟

考虑在不降低求解精度的情况下有效地减少计算量,基于有效应力原理提出了一种有限体积法与近场动力学耦合的方法来模拟饱和孔隙裂隙介质中水力裂缝扩展问题。首先,通过多孔介质渗流模拟算例验证了所提方法的有效性;其次,通过几个数值算例进一步验证了该方法在流体驱动下模拟饱和裂隙孔隙介质中裂纹扩展的能力和主要特点;最后,通过对5个工况的模拟,展现了围压差对水力压裂裂缝扩展具有诱导作用的现象。同时,将该耦合方法的数值模拟结果与其他数值、解析结果或试验结果相对比,进一步说明所提出的耦合方法能够有效模拟岩石流固耦合的力学扩展破裂过程。     

热孔弹塑性完全耦合作用下的井底岩石应力分布

井底待破碎岩石所处的应力状态作为影响其破碎的关键因素而直接影响着钻井效率,建立综合考虑上覆岩层压力、水平地应力、液柱压力以及孔隙压力和地层温差完全耦合作用下井底岩石的三维物理模型,借助有限元软件进行求解,研究在不同液柱压力、不同井深、不同温差以及不同渗透系数作用下井底岩石应力分布的数值解。结果表明:液柱压力、井深以及温差越大,井底表面岩石最大主应力越大;渗透系数减小,井底表面最大主应力先增大后减小;在井眼轴向方向,在距离井底表面以下一定距离之后,液柱压力和井深越大,岩石最大主应力越小;温差对岩石最大主应力没有影响。