常压下淹没自振空化射流冲蚀岩石效果的试验研究

本文对常压下淹没自振空化水射流进行了试验研究,着重研究了风琴管空化喷嘴的冲蚀效果及其影响因素。对自振空化喷嘴的结构关系和设计模式进行了理论推导,并用半理论的方法对风琴管空化喷嘴和脉冲空化喷嘴进行了设计。用风琴管空化喷嘴、脉冲空化喷嘴和锥形喷嘴做了不同喷距时的冲蚀人造砂岩试验,得出了喷距影响规律。研究结果表明,自振空化喷嘴的冲蚀效果明显优于锥形喷嘴。在此基础上,通过对常压下风琴管空化喷嘴的冲蚀效果及其影响因素的研究,得出了一些规律性结果,为喷嘴优化设计提供了依据,使自振空化射流在工业上得到了广泛的应用。     

自激振荡脉冲射流喷嘴的试验研究

由作者发明和研制成功的自激振荡脉冲喷嘴所形成的脉冲射流，要相同条件下与常规的连续射流相比，射流的峰值压力，冲蚀体积和有效靶距均得到明显的提高，作者将多年来所进行的实验室实验（振荡腔内流体压力的测定；非淹没射流条件下的实验分析；淹没条件下自激振荡脉冲射流的性能实验及其分析；在淹没和非淹没条件下自激振荡脉冲射流的冲蚀效果；碰撞壁碰撞区域的磨损对自激振荡脉冲射流的影响等）及工业现场实验的主要结果进行了简要介绍。     

自振空化水射流冲击压力脉动的实验研究

研究了在常压和围压达到６ＭＰａ条件下，时域和频域上自振空化水射流的压力脉动特性．给出了评价压力脉动特性优劣的三个参数：最大脉动峰值压力、压力脉动幅度和脉动压力峰值差，得到了三个参数沿轴向和径向的变化规律及喷距、泵压、围压对射流压力脉动的影响规律。实验表明．自振空化射流存在最优喷距．在此喷距下脉动最强；在常压和围压条件下脉动规律不同，脉动随围压的升高而加剧．通过对风琴管脉冲喷嘴的改进，得到了一种新型的自振空化射流喷嘴。实验证明．这种新型喷嘴可提高射流的压力脉动强度及破岩效果。     

脉冲空化多孔喷嘴破岩效果试验研究

射流喷嘴是径向水平井技术中的关键部件,其破岩能力直接影响水平井眼的延伸能力和钻进速度。在多孔喷嘴的基础上,设计脉冲空化多孔喷嘴,分析其脉冲空化射流的调制机制,并通过试验与多孔喷嘴的破岩效果进行对比。结果表明:脉冲空化多孔喷嘴破岩效果优于多孔喷嘴,孔眼深度是多孔喷嘴的1.02~2.18倍,破岩体积是多孔喷嘴的1.23~2.35倍;为保证喷嘴破岩形成的最小孔眼直径大于喷嘴外径,试验岩样的喷嘴压降不能小于30 MPa;射流喷嘴破岩存在最优喷距,试验条件下的最优喷距为12 mm;利用脉冲空化多孔喷嘴可增加径向井的水平延伸长度,提高钻进速度。     

自激脉冲空化射流装置的冲蚀效果

运用正交实验方法,研究了自激脉冲空化水射流喷嘴装置的结构参数(腔室直径和下游喷嘴长度)对冲蚀效果的影响。在此基础上作者选用较优参数组合的自激喷嘴装置与传统用13°锥角喷嘴进行了对比冲蚀实验,研究了自激脉冲空化水射流的体积冲蚀速度随靶距和泵压的变化规律。     

自激振荡脉冲射流喷嘴的理论分析

由作者发明和研制成功的自激振荡脉冲喷嘴在相同条件下与常规的连续射流相比，射流的峰值压力，冲蚀体积和射流的有效靶距均得到明显的提高，文中简要地对作者发明和研制的自激振荡脉冲喷嘴的基本理论（剪切流动的稳定性、扰动波的有效反馈条件、振荡腔内剪切层的漩涡结构及在变换平面λp中点涡的复速度势的计算等）作了系统介绍。     

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。     

脉冲喷嘴射流特性试验研究

对常压下脉冲喷嘴自由淹没射流结构特性进行了试验研究.并对设计出的脉冲喷嘴进行了大量试验.结果表明,脉冲喷嘴射流的外边界变化规律、等速核和无因次速度分布规律等均与普通射流有较大差异.脉冲喷嘴射流的外边界为一波浪线,且在喷距达一定数值后,随着喷距的加大,呈非线性缓扩直至平直趋势.脉冲喷嘴射流不存在明显的等速核,射流从喷嘴一射出就有较大的速度脉动.文章给出了脉冲喷嘴射流轴心线上的脉动速度与无因次喷距之间的变化规律.     

自激振动空化水射流的冲蚀研究

基于文献〔1,2,3〕,我们设计了一自激振动空化射流装置,对其空化机理和冲蚀白沙砖的结果进行了分析;并在同种条件下,以冲蚀体积为指标,与普通水射流的冲蚀结果进行了比较。实验发现,空气引入位置和引入量,装置几何参数对自激振动空化射流的冲蚀强度影响很大。而且由于空化射流以脉冲形式喷出,靶物遭受空泡和水滴作用,故在一定靶距范围内,冲蚀效果随靶距变化不明显。与连续水射流相比较,自激振动空化射流的冲蚀体积和冲蚀面积均比普通连续水射流大一倍以上。     

全尺寸脉冲射流喷嘴的优选研究

对全尺寸脉冲射流喷嘴进行了优选研究,得到了四种最优尺寸关系。所得最优的全尺寸脉冲喷嘴的功率是同尺寸普通喷嘴的1.5倍。并通过冲蚀砂砖的实验研究,作了验证。     

围压下双射流喷嘴空化初生能力的实验研究

为了提高射流破岩效果和深井钻井的速度，实验研究了双射流喷嘴在不同围压下的空化初生能力，并与普通锥形喷嘴进行了比较。结果表明，在同等条件下，双射流中心喷嘴出口直径对双射流喷嘴空化初生能力影响明显；在高围压条件下，双射流喷嘴比普通锥形喷嘴具有更大的初生空化数，且大都大于1．0，而锥形喷嘴最大仅为0．43。     

围压下双射流喷嘴空化初生能力的实验研究

为了提高射流破岩效果和深井钻井的速度,实验研究了双射流喷嘴在不同围压下的空化初生能力,并与普通锥形喷嘴进行了比较。结果表明,在同等条件下,双射流中心喷嘴出口直径对双射流喷嘴空化初生能力影响明显;在高围压条件下,双射流喷嘴比普通锥形喷嘴具有更大的初生空化数,且大都大于1.0,而锥形喷嘴最大仅为0.43。     

一种新型自振脉冲喷嘴的设计

根据涡旋运动理论，对自振脉冲射流进行了深入分析，认为由振荡腔喷出的射流为一系列不连续的涡旋。对涡旅的产生和增大的规律进行了描述，根据理论计算和大量的试验数据，设计了一种新型的自振脉冲射流喷嘴，对射流轴心冲击压力进行了测试及冲蚀岩样试验，并与普通自振脉冲喷嘴及锥形喷嘴进行了对比．研究结果表明，这种新型自振脉冲喷嘴可产生很强的压力脉动，并能有效地提高射流的冲蚀破碎能力。     

长圆形出口喷嘴射流特性的实验研究

在研究矩形出口喷嘴射流的基础上,对长圆形出口喷嘴的射流特性进行了室内实验研究.结果表明.长圆形喷嘴射流在短轴剖面上的扩散角比在长轴剖面上大.随喷距的增大.其横向截面将逐渐变为圆形.长圆形喷嘴的流量系数大于同样结构特征的矩形喷嘴,其射流的轴心动压力衰减以及横向动压力梯度分布规律与矩形喷嘴射流相似.随喷距增加.长圆形喷嘴的轴心动压力衰减比矩形喷嘴衰减慢.在钻头上使用的长圆形喷嘴的最佳无因次喷距应在无因次等速核长度L_1和最大轴心动压力衰减梯度所在的无因次喷距L_(max)之间.     

具有共振腔的喷嘴紊流射流特性试验研究

对带有共振腔的特种喷嘴进行了试验研究。试验得到了脉冲射流并给出了定量数据。这种脉冲射流除了具有脉冲性能外,还同样具有一般射流的特性。射流结构分为初始段和基本段,且在基本段中射流存在自模性。本文给出了其数学表达式以及轴心速度沿喷距的变化规律。文中给出的脉冲射流的定性和定量结果将有助于射流技术的发展及其在喷射钻井中的应用。     

不同形状喷嘴的高压水射流冲击力特性实验

高压水射流的柔性冲击力是评判其能否有效破碎物料的力学判据,喷嘴的出口形状对射流的冲击力影响较大。设计了5种不同形状的喷嘴,在自主设计的水射流冲击测试平台上开展了冲击实验,并采用PVDF压电薄膜传感器和高速摄像机来记录测试数据。实验结果表明：在相同的工况下,圆形喷嘴水射流的集束性最好,冲击诱导的冲击波对流体的扩散形态影响最大,最终导致其中心冲击压力最大;依次是正方向喷嘴、三角形喷嘴与十字形喷嘴,椭圆形喷嘴的水射流形态最为发散,其中心冲击压力最小;所有喷嘴形状水射流的峰值压力均随系统泵压的增加呈现非线性增加的趋势,而峰值压力持续时间几乎保持不变。     

高分子添加剂射流结构特性

针对实际钻井过程中洗井液内大都加入了高分子添加剂的特点,探索了高分子聚合物对射流结构特性的影响规律。用试验方法对淹没状态下高分子添加剂射流轴向动压力分布进行了研究。结果表明,在合适的浓度范围内,高分子添加剂可以降低流体在管路中和喷嘴处的能量损耗,提高射流在喷嘴出口处的速度和动压力,并使圆射流的等速核增长。高分子添加剂射流的动压力分布具有自模性,但在淹没条件下,添加剂射流的衰减速度比清水射流快,并存在一个最优添加剂浓度。破岩试验的结果表明,高分子添加剂能够提高射流的破岩能力     

超临界二氧化碳射流破岩试验

采用超临界二氧化碳射流进行破岩钻井是一种极具潜力的非常规油气藏钻采方法。依据石油钻完井的特点和超临界二氧化碳流体的特性,研制超临界二氧化碳钻完井试验系统,并进行超临界二氧化碳射流破岩试验。结果表明:超临界二氧化碳射流比高压水射流破岩具有显著优势;喷嘴直径、喷距、射流压力和岩石性能对超临界二氧化碳射流与高压水射流破岩的影响规律基本一致;井底环境温度对超临界二氧化碳射流破岩效果影响显著,在向超临界态转变的过程中,射流破岩效果随着温度的升高急剧增强,当温度超过临界值后,温度升高对射流破岩效果的改善趋缓。     

水力脉冲振动注水泥装置的设计与试验

研制了新型水力脉冲振动注水泥装置,该装置安装在套管底部,在注水泥过程中产生水力冲击作用于套管、水泥浆和钻井液,通过消除气泡、清除泥饼、提高顶替效率和水泥石强度来提高水泥胶结质量.试验测量了水力脉冲装置的脉冲特性.结果表明,当喷嘴压降产生的上推力超过弹簧预紧力时,脉冲装置可以形成幅度为0.5～1.5 MPa、频率为22～25 Hz的压力脉冲,压力脉冲波形规则.调整喷嘴直径,可以控制压降;调整弹簧预紧力,可以控制脉冲压力幅度.该水力脉冲振动注水泥装置活动部件少,安全可靠,便于现场应用.