（油气井工程专业论文）井底直接调制式脉冲粒子射流性能分析与优化.pdf

c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) z 1 冬 j 可 毒： 1 ，穗 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：玺蒸挂 日期：为1 年r 月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 弓琳 指导教师签名： j 立j 幺髫。 日期：r 1 年r 月哆日 日期：1 口f 年s 月乙ze l 雾 i y f 尽 。尹 毒 摘要 随着浅层油气资源的不断枯竭，在深部坚硬地层以及复杂地质条件下发现油气是逐 渐成为勘探开发的重点。在钻井过程中，地层硬度和钻井难度随着井深的增加而不断增 大，提高硬地层钻速是世界公认的钻井难题之一。为了充分利用井底水力能量提高钻速， 提出了粒子脉冲射流钻井技术，并就粒子脉冲射流性能分析和优化的方法进行了探索， 研究兼具重要的理论与实际应用价值。 本文首先依据粒子脉冲射流钻井的设想，提出了井底直接调制式脉冲粒子射流的技 术方案，完成了配套射流调制工具，即自吸环空流体式自激振荡脉冲粒子射流钻井工具 的原理设计。通过对腔室内两相流场的流动特性分析，揭示了脉冲粒子射流的调制机理。 研究了粒子直径、粒子密度、围压和入口压力等井底实际工况对脉冲粒子射流调制的影 响，发现在井底条件下，自吸环空流体式自激振荡腔可稳定生成局部负压，因而可在钻 井工具内外形成压差，将环空粒子引入，参与调制生成脉冲粒子射流。研究证实了射流 调制工具的原理可行；其次，采用大涡模拟法分析了自吸环空流体式自激振荡脉冲射流 的瞬态变化及脉动特性，揭示了吸入环空流体强化自激振荡脉冲射流性能的机理，发现 自激振荡腔的结构参数对射流的脉动效应影响显著，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；然后，依据大涡模拟的结果，研制了自吸环空流体式 自激振荡脉冲粒子射流钻井工具的原理样机，并进行了射流破岩试验，对比分析了射流 调制工具自激振荡腔的结构参数对射流性能的影响作用规律。结果表明，射流调制工具 出口流速脉动值越大，破岩效果越好，二者呈显著线性相关；最后，以射流调制工具出 口流速脉动值为优选依据，采用正交试验法进行数值模拟试验，优选了调制工具的结构 参数，数值计算与试验结果吻合良好，证实了井底直接调制式脉冲粒子射流性能分析与 优化的方法可行。 本文通过数值模拟与试验研究相结合的方法，系统的研究了粒子脉冲射流的调制方 法和调制机理，并形成了一种优化射流性能的方法，数值计算结果与破岩试验结果相吻 合，表明本文所用的研究方法正确可行，研究结果丰富了射流理论，为实际技术的发展 奠定了理论基础。 关键词：硬地层；自激振荡；大涡模拟；岩石破碎；正交试验；结构优选。 t ? p e r f o r m a n c e a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h e p a r t i c l ep u l s ej e t d i r e c t l ym o d u l a t e di nb o s o m h o l e m a l i n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rn ih o n g - j i a n a b s t r a c t a st h ed e p l e t i o no fs h a l l o wl a y e ro i la n dg a sr e s o u r c e s ，f i n d i n go i la n dg a si nd e e pa n d h a r df o r m a t i o nh a sb e c o m et h ep o i l l to fc u r r e n t l ye x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n t , a n dt h ek e y p r o b l e mi st h ei m p r o v e m e n to fd e 印w e l lp e n e t r a t i o nr a t e t h ep u l s e dw a t e rj e td r i l l i n g t e c h n o l o g ys u c k - i na n n u l u sf l u i d si sp r o p o s e dt ot a k ef u l lu s eo ft h eb o t t o m - h o l eh y d r a u l i c p o w e ra n dp r o m o t et h er o c kb r e a k i n ge f f i c i e n c y , a n de x p l o r et h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o nm e t h o dw i t hb o t hi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e f i r s t l y , p u l s e dj e td i r e c t l ym o d u l a t e db o t t o mp a r t i c l ei sp r o p o s e db a s e do nt h ei d e ao f p u l s e dp a r t i c l ej e t , c o m p l e t e dt h ep r i n c i p l e so fd e s i g no fm a t c h i n gm o d u l a t e dj e td r i l l i n gt o o l w h i c hi ss e l f - e x c i t e d p u l s e dj e ts u c k - i na n n u l u sf l u i d sd r i l l i n gt 0 0 1 t h em o d u l a t i o n m e c h a n i s mi so b t a i n e db y a n a l y z i n gt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft w o - p h a s ef l o wf i e l d a n da l s o f o u n dt h a tm o d u l a t i o nt o o lc a nb ea c h i e v e dt o p i c a ln e g a t i v ep r e s s u r et ol e tt h ea n n u l a r p a r t i c l e si nt om o d u l a t et h ep u l s e dp a r t i c l ej e t ，n om a t t e rh o wt h ec o n f i n i n gp r e s s u r e ， p a r t i c l es i z ea n dp a r t i c l ed e n s i t yp a r a m e t e rv a r i a t i o n , d e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h e p r i n c i p l eo fm o d u l a t i o nt o o l s s e c o n d l y , h el e s ( 1 a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) n u m e r i c a la n a l y s i s m e t h o di sa d a p t e dt oa n a l y z ef l o wt r a n s i e n ta n df l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h i sj e tm o d u l a t i o nt o o lc a nb ei n h a l e dp a r t i c l e si n t oa n n u l a rc h a m b e r , a n dm o d u l a t e d c o n t i n u o u sj e ti n t op u l s e dj e t , a n dt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r st a k es i g n i f i c a n te f f e c to nt h e r i p p l ee f f e c t t h e n ，d e v e l o p e dap r o t o t y p et oc o n d u c t e de x p e r i m e n t so fr o c kb r e a k i n gb a s e d o nt h er e s u l t so ft h el a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，a n a l y z et h ee f f e c to fs 位u c t u r aip a r a m e t e r sc h a n g e o nt h er o c k - b r e a k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ep a r t i c l ep u l s e dw a t e rj e t i tw a sf o u n dt h a tt h eb i g g e r t h eo u t l e tv e l o c i t yo ft h eo s c i l l a t i o nc a v i t yi s ，t h eb e t t e rt h er o c k - b r e a k i n ge f f e c tc o u l db e o b t a i n e d ，a n dt h e r ei sag o o dl i n e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e m ，a n dt h e r ei sap o o rc o r r e l a t i o n b e t w e e no t h e ro s c i l l a t i o nc a v i t ya n dr o c k - b r e a k i n g f i n a l l y , t h em u l t i f a c t o r o m l o g o n a l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sh a v e b e e nd o n ea n dt h ep u l s e ds t r u c t u r eh a sb e e no p t i m i z e da c c o r d i n g 厂 冬 t ot h ev e l o c i t yo s c i l l a t i o n ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h el a b e x p e r i m e n t s a n dt h e i l ，s e v e r a lg r o u p s o fo p t i m u ms t r u c t u r em o d u l a t i o nt o o l sf o r r o c k - b r e a k i n gt e s tt os e l e c tt h eo p t i m a ls t r u c t u r a lp a r a m e t e r s i ti sp r o v e dt h a tb yt h el a r g e e d d ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hc o m b i n e da n a l y s i sr e v e a l e dt h em e c h a n i s mo f s e l f - e x c i t e dp u l s e dj e ts u c k - i na n n u l u sf l u i d sm o d u l a t i o nt o o li sf e a s i b l e i nt h i sp a p e r , e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc o m b i n e dt or e s e a r c h t h em o d u l a t em e t h o da n dm e c h a n i s mo fm o d u l a t i o n a n da l s of i n dam e t h o dt oo p t i m i z et h e m o d u l a t i o nt o o ls t r u c t u r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa lei n g o o da g r e e m e n t 谢也t h e l a b e x p e r i m e n t s ，w h i c hi n d i c a t e st h es 佃购1 r eo p t i m i z a t i o no ft h es e l f - e x c i t e dp u l s e dw a t e rj e ti s f e a l s i b l e t h er e s e a r c hl a y sab a s i cf o rt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h ep u l s e dw a t e r j e t s 缸u d u r e k e yw o r d s ：h a r df o r m a t i o n ；s e l f - e x c i t e d ；l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ；r o c kb r e a k i n g ； o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ，、 j 1 一目录 第一章绪论1 1 1 国内外研究现状及发展趋势1 1 1 1 脉冲水射流技术的研究进展1 1 1 2 磨料水射流技术的研究现状。4 1 1 3 粒子冲击钻井方法的研究现状5 1 2 射流特性的模拟研究现状6 1 3 研究目标与研究方法j 7 1 3 1 研究目标7 1 3 2 研究内容7 1 3 3 研究方法7 第二章井底直接调制式脉冲粒子射流调制原理研究8 2 1 井底直接调制式脉冲粒子射流钻井技术思路8 2 2 井底直接调制式脉冲粒子射流的数值模型10 2 2 1 数学模型二10 2 2 2 物理模型1 4 2 3 井底直接调制式脉冲粒子射流的性能分析一1 6 2 3 1 原理分析1 6 2 3 2 粒子直径对射流性能的影响2 0 2 3 3 粒子密度对射流性能的影响2 2 2 3 4 围压对射流性能的影响2 4 2 3 5 泵压对射流性能的影响2 6 2 4 本章小结2 8 第三章井底直接调制式脉冲粒子射流的大涡模拟研究2 9 3 1 大涡模拟模型：2 9 3 1 1 基本假设2 9 3 1 2 控制方程3 0 3 1 3 物理模型3 1 3 1 4 网格的划分。3 2 3 1 5 边界条件及初始条件3 3 3 1 6 数值计算算法3 4 3 2 模拟结果分析。：3 4 3 2 1 压力场和速度场3 4 3 2 2 流场脉动特性3 6 ， 3 2 3 结构参数对流场特性的影响3 7 3 3 试验验证4 0 3 3 1 破岩试验装置：4 0 3 3 2 破岩能力对比试验4 0 3 3 3 结构参数对比试验4 2 3 4 本章小结。4 3 第四章井底直接调制式脉冲粒子射流的优化方法研究4 4 4 1 脉冲粒子射流破岩的试验研究4 4 4 1 1 破岩试验装置。4 4 4 1 2 破岩试验内容。4 6 4 2 试验结果与模拟结果对比分析4 7 4 2 1 稳态模拟的结果对比分析4 7 4 2 2 大涡模拟的结果对比分析4 9 4 3 井底直接调制式脉冲粒子射流钻井工具的结构优选5 2 4 3 1 正交试验设计。5 2 4 3 2 数值模拟正交试验设计：5 3 4 3 3 正交试验结果分析5 4 4 3 4 调制工具水力结构的确定5 5 4 4 本章小结。5 6 结论。5 7 参考文献。5 8 攻读硕士学位期间的研究成果6 0 致谢6 1 一气 广 尽 尹 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百化 随着我国浅层油气资源的不断枯竭，在深部坚硬地层以及复杂地质条件下发现油气 是目前勘探开发的重要工作。在钻井过程中，地层硬度和钻井难度随着井深的增加而不 断增大，提高硬地层钻速是世界公认的难题之一。国内外各油田在深井、硬岩地层钻进 中普遍存在钻井速度慢、钻具寿命短、钻井周期长、钻井成本高等难题，制约着勘探开 发的整体效益，因此研究深井硬地层高效钻井新方法是油气钻探的重要研究方向，对高 效获取地下油气资源具有重要的意义。 r 1 国内外研究现状及发展趋势 1 1 1 脉冲水射流技术的研究进展 所谓脉冲射流，即指射流各参数是随时间变化的，射流对物体的打击力也是随时间 不断变化的n 吲。脉冲射流是一种重要的射流形式，可用在石油钻井方面用来提高机械钻 速阳3 。脉冲射流在井底流场的脉动效应可迫使岩屑翻转启动，强化井底的净化，减少由 于“压持效应 引起的重复切削，同时改善岩石受力状况，使得钻头的破岩效率提高阳1 。 这种提高钻井速度的方法，由于实现方式相对简单，易于见到效果，因而受到了广泛重 视。6 0 年代以来，国内外专家学者对脉冲水射流进行了大量的研究，现在已广泛应用于 各个场合。脉冲水挤压冲击式、射流分阻断式和激励式三种类型n 训。 ( 1 ) 挤压冲击式脉冲射流 纯挤压式脉冲射流 该种脉冲射流形成的原理是利用一个有大小两个面的活塞，利用液压增压对大面施 加作用力，促使活塞做往复运动，然后利用小面将液体排出，形成高速的脉冲水射流， 装置如图1 1 所示。 3 冲击挤压式脉冲射流 图1 - 1 纯挤压式脉冲射流 f i g l 1 p u l s ej e to fe x t r u s i o nt y p e 然释放水的压力， 体，形成周期性的脉 ( 3 ) 激励式脉冲射流 通过特殊调制结构的喷嘴，改变连续射流的能量分布，使其产生周期性的能量脉动， 形成脉冲射流。 其中激励式脉冲水射流中的自激振荡脉冲水射流最具发展前途n 卜1 2 1 。自激振荡脉冲 水射流的研究是从8 0 年代开始的，自激振荡脉冲射流利用一些特殊结构及流体的不稳 定特性，将连续射流的流动参数改变，产生一些原生涡环，将连续射流调制成脉冲式射 流，将作用在靶体上的力按一定的频率发生变化n 争1 引。这种射流的优点在于不需要外加 激励源，利用一些特殊结构就能自激产生脉冲射流，因此，近年来成为国内外学者研究 的重点。国内外学者提出许多自激振荡装置，用以产生脉冲射流，典型的自激气蚀喷嘴 如图1 - 3 ( a ) 、c o ) 和( c ) 所示。 2 。1 l 彳 r 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( a ) 自激气蚀喷嘴( b ) 风琴管喷嘴( c ) 脉冲反馈喷嘴 图l - 3 自激振荡脉冲喷嘴简图 f i g l - 3 s e r f - e x c i t e do s c i l l a t i o np u l s e dj e tn o z z l e 国内开展自激振荡脉冲射流的研究已有2 0 多年的历史了，试验表明，相比于连续射 流，自激振荡脉冲射流的的最大冲蚀速度大大提高，在淹没状态下为连续射流的4 倍， 对于自激振荡喷嘴来说，调制出的自激振荡射流的频率是射流性能的关键n7 1 。其中以重 庆大学、西南石油大学和中国石油大学( 华东) 的研究成果最值得关注。 重庆大学的李晓红等人从产生自激振荡的工具结构出发，研究了自激脉冲射流结构 参数对射流频率的作用规律n 引。廖振方、唐川林教授根据理论分析和室内试验，设计了 适合牙轮钻头用自激振荡脉冲射流喷嘴“引。西南石油大学熊继有、廖荣庆等对自激振荡 腔的震荡机理进行了理论分析，通过试验研究影响自激振荡的主要结构参数，并对全尺 寸脉冲喷嘴的结构尺寸进行了优选研究啪1 。中国石油大学的沈忠厚等人也对自激振荡气 蚀结构射流的水声学特性，结构化特性等进行了研究，发现采用风琴管谐振腔振荡模型 设计的喷嘴具有良好的破岩效果瞳。 但是由于该技术所产生的脉冲幅度和脉冲峰值相比与上覆岩层压力和井眼内的液 柱压力有限，且存在较大的沿程损耗，因此一般只能在中深井的范围内见到效果，随着 地层埋深的增大，效果迅速衰减，利用井底水力脉动提高深部地层破岩钻进效率的优势 逐渐减弱。 有关脉冲水射流的形成规律和作用机理的研究伴随着脉冲水射流钻井技术的发展 而发展，在经历过2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代初的高速发展期后，近些年随着国内外油 气勘探、开发正向深部地层发展，寻找新的、高效破岩方法的技术需求强烈，又促使人 们逐渐将目光投向了它，特别是近年来脉冲水射流破岩、辅助破岩机理研究和脉冲调制 技术有所突破，水力脉冲幅度和峰值得到了很大提高，使人们认识到脉冲射流钻井技术 仍具有巨大的发展潜力。 3 第一章绪论 1 1 2 磨料水射流技术的研究现状 磨料射流是磨料与高速流动的水，或者与高压水互相混合而形成的液固两相介质射 流，利用射流和固相颗粒的冲击研磨协同作用，显著降低射流破碎物料的门限压力，提 高破碎效率，根据供料方式的不同又分为前混式和后混式两种形式乜2 吨5 l 。 唐料箱 ( a ) 后混合磨料射流系统( b ) 前混合磨料射流系统 图l - 4 高压水射流切割系统简图 f i g l - 4h i g hp r e s s u r ew a t e rj e ts y s t e m 大规模磨料射流研究和应用是在七十年代后期，在八十年代得到了迅速的发展。被 广泛用于石油、矿业、建筑等领域，展现了广阔的应用前景。除了被用于油管的清洗、 除垢等地面常规作业外，一项重要应用是用于射孔和割缝等油井增产作业，代替射孔弹 直接钻穿或割穿套管，在地层中形成更大深度或宽度的油气通道汹啪3 。 目前，在我国应用磨料水射流切割海洋导管及井口技术刚刚起步。中国石油大学( 华 东) 在这方面的研究已走在前列，由高压水射流研究中心的王瑞和、周卫东等人开发的 水下磨料水射流切割装置已初步成功。整个装置如图1 5 所示，主要由定子、转子、外 桶、中心轴、喷头、喷嘴组成。其工作压力，一般在2 0 5 0 m p a 之间，流量约3 5 0 l m i n 左右，磨料为3 0 - - 6 0 目石英砂。这套装置利用前混合磨料射流，切割对象范围广，能够 顺利切割套管和隔水管及水泥环。它切口质量高，表面光滑，并且切割材料石英砂沉积 后对环境无污染，安全环保。 4 1 t ， j 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 5 水下磨料水射流切割装置 f i g l - 5c u t t i n gd e v i c eo fu n d e r w a t e ra b r a s i v ew a t e rj e t 理论研究和现场应用密不可分，且相互促进。自2 0 世纪9 0 年代以来，磨料射流与激 光切割和等离子切割等技术齐头并进，逐渐形成了优势互补的局面。在理论研究的带动 下，磨料射流射孔、切割套管或割缝油井增产技术也有明显的进步。 1 1 3 粒子冲击钻井方法的研究现状 磨料射流和脉冲射流的特点鲜明，在解决某些问题时，具有非常突出的优势，但是 这两种射流形式并非完全独立，不可融合，适当的调制方法，可让这两种射流形式实现 优势互补，获得比单独使用任何一种射流更好的效果。人们已经注意到这点，并进行了 一些有益的探索，取得了部分积极的成果，有助于拓展射流应用领域，发展新型、高效 射流。研究表明，磨料在脉冲射流状态下的能量交换和加速效果优于普通磨料射流，能 够降低比能耗、提高射流的冲蚀效果，如脉冲磨料射流的最优深度切割速度和体积冲蚀 速度在淹没状态下分别是前混合磨料射流的1 6 7 倍和1 7 2 倍，而在非淹没状态下为1 3 9 倍和1 4 7 倍睁制。 粒子冲击钻井方法就是在脉冲射流和磨料射流的基础上形成的新型钻井方式，但并 非两种射流的简单结合，其中涉及流体的自激振荡、粒子与流体的相互作用等诸方面， 各种因素相互联系并最终影响着破岩效果。 该钻井技术首次是由美国的c u r l e r hb 、s h a r pd p 和g r e g o r y m a 等人提出的，并 在美国申请了相关专利。2 0 0 5 年，p d t i 公司在盐湖城钻完井试验室里进行了模拟井下 工况试验，该试验模拟钻井现场的实际钻井的扭矩和钻压，使用真实的泥浆形成的水力 流场，钻头采用公司自行设计的p i d 钻头。试验结果证实粒子冲击钻井技术对于大排量 p i d 钻头更具有优势，但还有很多技术上仍需要改进和完善的方面，此后该公司又进行 5 第一章绪论 了一系列的设计和试验，评价了粒子冲击钻井技术钻硬地层的钻速和效果，并对相应的 设备进行了改进和完善。 该技术显著的提高了能量的利用率，对硬地层破岩具有很大的优势，但是该套系统 的工作可靠性较低，而且使用寿命短，因此，该技术仍需进一步的完善和改进。 1 2 射流特性的模拟研究现状 数值模拟研究相对于试验研究有其独特的优点，比如成本低，周期短，能获得完整 的数据，能模拟出实际运行过程中的各种数据动态，对于试验应用能起到重要的指导作 用。求解流体力学问题虽然有些可以应用理论或试验的方法，但对于大量的实际流体力 学问题来说，或者做不到，或者有困难，因此常常需要依赖于数值解法。 研究和实践均证实，脉冲射流可改善井底岩石的受力状况，强化井底岩屑的净化， 明显提高钻井速度。脉冲射流的性能与调制方式密切相关，寻找高效调制方法，对射流 性能进行优化是脉冲射流钻井技术发展的关键。但是射流调制元件结构较复杂，优化脉 冲射流性能涉及的因素较多，试验量大，而且受制于研究条件，大尺寸的调制元件往往 得不到充分的试验分析。多年来，各国学者花费了巨大的精力研究湍流流动的机理，经 过多年的探索研究，目前对湍流研究的数值模拟方法主要有四种：直接数值模拟方法 ( d n s ) ，概率密度函数法( p d f ) ，雷诺时均n - s 方程法( 黜s ) 和大涡模拟方法( l e s ) 【3 l 】 o 目前国内学者对于湍流流场的数值模拟研究主要是采用r a n s 雷诺时均n 一s 方程 方法。西南石油大学的钱声华，熊继有教授对自激振荡腔室内的三维流场的数值模拟研 究，描述了自激振荡腔腔室内流场特性，找出了自激振荡腔室自增流量与腔室结构参数 及流体性质之间的关系口2 1 ；浙江大学的王乐勤等人通过对脉冲喷嘴腔内流场进行二维非 定常数值模拟，发现空化气囊的周期性变化是产生脉冲射流的根本原因1 ：重庆大学的 李晓红教授通过对高压磨料射流的多相流模型的研究，数值模拟了淹没磨料射流流场与 压力场。 本论文拟通过对工具腔内固液两相流场的模拟研究，揭示井底直接调制式脉冲粒子 射流钻井工具的调制机理，并对腔室内固液两相流场进行动态数值模拟，通过分析流场 特性揭示脉动水力破岩机理，对调制工具结构的优化设计方法进行初步探索，为实际钻 井工具的研制和结构优化提供理论依据。 6 ， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 研究目标与研究方法 1 3 1 研究目标 通过研究井底实际工况对射流性能的影响情况，进行调制工具的方案设计，探索调 制工具结构参数的优化方法，为实际钻井工具的研制和相关工艺技术的开发提供理论依 据。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 井底直接调制式脉冲粒子射流调制原理研究 调制工具的技术思路研究； 调制工具的调制原理分析； 不同工况对调制工具射流性能的影响分析。 ( 2 ) 井底直接调制式脉冲粒子射流性能研究 调制工具流场脉动特性分析； 结构参数对工具流场特性的影响； 调制工具射流性能的验证性室内试验研究。 ( 3 ) 井底直接调制式脉冲粒子射流调制工具的优化方法研究 脉冲粒子射流破岩的试验研究； 数值模拟结果与试验结果的对比分析； 调制工具水力结构的优化方法研究。 1 3 3 研究方法 采用理论研究和试验研究相结合、以理论为主的研究方法开展本项课题研究。理论 研究部分以数值模拟为主，主要通过对井底直接调制式脉冲流场进行瞬态模拟，揭示脉 冲粒子射流流场特性，分析脉冲粒子射流辅助破岩的物理机制及其不同因素对破岩的耦 合作用。通过理论研究与试验研究的有效结合，形成一套系统的调制结构优选方法，为 实际钻井工具的研制和相关工艺技术的开发提供理论依据。 7 第二章井底直接调制式脉冲粒子射流调制原理研究 第二章井底直接调制式脉冲粒子射流调制原理研究 井底直接调制式脉冲粒子射流钻井结合了磨料射流和脉冲射流的优势，直接从井底 调制脉冲粒子射流，提高机械钻速。实现井底直接调制式脉冲粒子射流钻井的关键是配 套的“井底直接调制式脉冲粒子射流钻井工具 。本文在并底直接调制式脉冲粒子射流 钻井方案和钻井工具原理设计的基础上，着重模拟分析了该钻井工具调制射流的原理和 性能，考察了实际工况对调制射流的影响，研究结果为原理样机的研制提供了依据。 2 1 井底直接调制式脉冲粒子射流钻井技术思路 实践表明，合理利用高压水射流能量在井底直接破岩或辅助破岩是坚硬地层提速的 重要途径，喷射钻井技术所产生的广泛而深远的影响有力证实了这一点。粒子脉冲射流 是坚硬地层提速的一种重要方法。 美国p d t i 公司开展粒子射流钻井技术研究与应用较早，该公司提出了一种粒子射 流钻井方案( 图2 1 ) ：通过配套的粒子注入系统和回收系统等地面设备，在井口注入粒 子，通过钻井液输送到井底，在井底形成粒子射流，配合专用钻头提高机械钻速m 嗡1 。 p d t i 公司的现场试验证实了粒子射流确实可明显提高坚硬地层钻速，但同时也反映出 设备投入大、系统复杂、稳定性差、管线磨蚀严重、钻头寿命短等问题，目前该项技术 尚未形成工业化应用。 绝 两 蟪 l z 图2 - 1p d t i 粒子射流钻井系统工艺流程图 f i 9 2 - 1 p i d tp a r t i c l ej e td r i l l i n gs y s t e m 系统构成复杂是限制p d t i 公司粒子射流钻井技术应用的本质问题，粒子射流钻井 若要真正形成规模化应用，必须在系统方案上有本质创新。基于这种认识，结合实际， 本着易于实现，现场易于接受的原则，在探索性研究的基础上，提出了一种新型粒子钻 井方法( 图2 2 ) ，即井底直接调制式脉冲粒子射流钻井方法，设想以钻探地层生成的岩 r 图2 3 井底直接调制式脉冲射流钻井工具 r i 9 2 - 3 p a r t i c l ep u l s ej e td i r e c u ym o d u l a t e di nb o t t o mh o l ed r i l l i n gt o o l 该工具的原理是钻井液经水力振荡器调制形成高速脉冲射流，并在水力振荡器的出 口附近，由射流卷吸作用形成一个低压区，将环空中含有粒子的钻井液引入钻柱内部， 9 第二章井底直接调制式脉冲粒子射流调制原理研究 与高速脉冲射流混合，经钻头喷嘴加速后喷出，形成作用于井底的脉冲粒子射流，与破 岩工具协同作用，提高破岩钻井效率。 相比于p d t i 公司的技术方案，该井底直接调制式脉冲粒子射流的钻井方法极大的 简化了系统构成，只利用常规工具，不增加地面设备，而且就地取材，以岩屑粒子为主 调制粒子射流，间歇投入钢制粒子，并循环使用，因而极大地削减了钢制粒子的消耗量， 显著提升粒子射流钻井的经济性，使规模化的工业应用成为可能。若要实现这个技术设 想，必须首先了解该钻井工具的调制方法。 2 2 井底直接调制式脉冲粒子射流的数值模型 井底直接调制式脉冲粒子射流调制工具内的流场是典型的固液两相流场，采用两相 流的数值模拟方法进行流场的原理性研究。其次采用离散相模型，将粒子作为离散相颗 粒，通过计算粒子的运动轨迹，了解粒子在工具内的运动过程，揭示调制工具的调制机 理 2 2 1 数学模型 1 、混合模型的数学模型 采用m i x t u r e 混合相模型，是将粒子流作为拟流体形态，将粒子视为连续介质，各 种流动性质均与连续相相同，并在同一坐标系下考虑两种流体的相互作用。利用混合相 模型，能够全面、合理的了解两相流中颗粒相的湍流扩散，揭示粒子在工具内的加速机 理及工具的调制原理。 连续性方程 盖( ) + 呱吒) = r h ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中的吃表示的是质量平均速度，表达方式如下： 弋 乙i d t k p pk 吃= q 也 式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 中的是混合密度，表达方式如下： 万 二epm r ( 2 3 ) = r ( 2 。3 ) k = l 1 0 式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 中的吒表示第k 相的体积分数，风表示第k 相的密度，移七为 第k 相的速度。式( 2 1 ) 中的廊用来描述自定义的质量源进行的质量传递陟蚓。 动量方程 混合模型中动量方程的求解是通过对粒子相和连续相的动量方程求和得到的，表达 式如下： 去( 陬吒) + v ( 吃吃) = 一即+ v 心( v 吒+ v ) + p m g + f + v l 吼风铲毋乒矿蛳i ( 2 - 4 ) 厂打、 k - - - 1 式( 2 - 4 ) 中的n 表示相数，户表示体积力，以表示混合相的粘性系数，表达式如 式( 2 5 ) ： 一 f f ：v 口f f 。 ( 2 5 ) 2 乙心 “。， k - - i 式( 2 5 ) 中d r , k 表示粒子相流动时的飘移速度： v 由七2v k 一 能量方程 混合模型的能量方程表达式如下： ( 2 6 ) 昙窆( 成e ) + v 主 吼瓦( 成也+ p ) = v ( v 丁) + 品 ( 2 - 7 ) u i , k = l i 越 式中，b 是有效热传导率，= 七+ 屯，毛表示紊流的热传导率，根据使用的紊流 模型来确定；式( 2 7 ) 中的v ( 锄v r ) 表示了由于热传导导致的能量传递，体积热源表 示为s e 若连续相为不可压缩相，式( 2 7 ) 巨的表达式如下： e = 吃 ( 2 8 ) 相对滑移速度 相对速度( 也指滑移速度) 被定义为流动过程中，粒子相相对于纯水相的速度大小： 1 1 第二章井底直接调制式脉冲粒子射流调制原理研究 。哆一名 ( 2 9 ) 式中，露为粒子相的速度，露为水相的速度。此次模拟采用了代数滑移公式，其基 本原理是假设了各相之间的相对速度的代数关系，其形式如下式： = 厅 ( 2 - 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 中，厅表示粒子相的加速度，表示粒子相的弛豫时间，的形式为： ：续监 ( 2 - 1 1 ) 矿萌 心j 式( 2 - 1 1 ) 中，嘭表示粒子的直径，砟表示粒子的密度，心表示水相的剪切粘度， 缸表示的是曳力函数，表达式如下： = 1 + o 1 5 r e o 6 8 7 r e 1 0 0 0 ( 2 - 1 2 ) t 一， i ，一，l j 嘲1 0 0 1 8 3 r er e 1 0 0 0 r e 为相对雷诺数，粒子相的加速度反的形式为： 厅= 季一( 吒v 吒) 一! ( 2 1 3 ) 优 最简单的代数滑移公式是所谓的飘移流量模型，其中粒子的加速度由重心或离心力 给出，粒子的弛豫时间考虑其他粒子的存在而被修正驯u 。 ( d 第二相的体积分数方程 第二相( 粒子相) 的体积分数方程是通过对连续方程的求解得到的： 昙( 纬) 4 - v ( 砟吃) = v ( 砟豇，) ( 2 1 4 ) 2 、离散相模型的数学模型 离散相模型是将粒子视为离散相颗粒，忽略颗粒与颗粒之间的相互作用，以及颗粒 相与连续相之间的影响。利用该模型，能够追踪粒子的运动轨迹，详细描述粒子在工具 内的运动情况，以及在不同因素影响下，粒子运动轨迹的变化规律。 颗粒运动方程 离散相模型中求解颗粒的运动轨道，是通过对拉式坐标系下的微分方程积分得到 的： 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 c l 衍u , , - _ 小鸣) + 掣+ e 协1 5 ) 昂( 甜一) 为颗粒的单位质量曳力： 晶2 豢譬 +(2-16) 其中，u 为流体相速度，m s ；砟为颗粒密度，k g m 3 ：以为颗粒直径，m m ； 为 流体动力粘度，n s i n 2 ；为颗粒速度，m s ；p 为流体密度，w ；l 沁为相对雷诺 r e ：丝睦二丑( 2 - 1 7 ) a 曳力系数c d 的表达式如下： c d = 芸( + q r e 口2 ) + 丽a 3 ( 2 - 1 8 ) 在一定的雷诺数范围内，式中的即口2 、口3 、口4 均为常数 h a i d e ra n dl e v e n s p i e l 式( 2 1 5 ) 中包含的其他作用力e 在某些情况下可能很重要，这些力中最重要的一