（油气井工程专业论文）粒子脉冲射流破岩实验研究.pdf

i 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： 邀越璺日 日期：动- 1 年歹月矽日 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： 么盥扯强一一 指导教师签名：拿丝k 日期：沙1 1 年歹月旷日 日期：2 , l o1 1 年妒 阴 - 、 r 摘要 目前，国内各油田在深井和超深井等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，直接制约着深井和超深井钻井技术的发展和勘 探开发的整体效益。在钻井过程中，地层硬度及其相应的钻井难度会随着井深的增大而 增大，提高硬地层钻井速度是世界石油工程领域面临的难题之一。粒子脉冲射流是在钻 井过程中调制混入坚硬粒子的脉冲射流，通过对井底岩石进行高频冲蚀和研磨，协同钻 头破岩，以提高钻进速度。因此，深入研究粒子脉冲射流的破岩过程及其破岩机理，对 于提高深井的速度和效益具有重要的意义。 本文综合了磨料射流、脉冲射流、粒子冲击钻井技术在钻井破岩中的优势，创新性 地提出了粒子脉冲射流破岩方法。首先，根据射流在振荡腔内速度场、压力场分布及流 场脉动特性，优选粒子脉冲射流调制元件的结构尺寸，研制了粒子脉冲射流的原理样机； 其次，设计了围压井筒等模拟实验装置，探索了粒子直径、粒子浓度、泵压、喷距、围 压等不同因素对射流破岩性能的影响规律，研究结果表明，粒子脉冲射流破岩性能显著 优于纯水射流，破岩效果随着粒子直径、粒子浓度、喷距的增加均呈现先增大后减小的 趋势，本实验条件下最优粒子浓度为1 5 ，吸入口直径与粒子直径最佳比为3 5 ：1 ，最 优粒径为1 7 m m ；采用正交实验分析粒子脉冲射流的影响因素，结果显示围压、泵压、 粒子浓度、粒子直径、喷距对射流破岩性能的影响依次减小；围压条件下破岩实验对比 发现，随着围压的增大，破岩效果显著降低，本实验条件下，围压2 m p a 时破岩效果比 常压下降低1 0 3 0 ；钢珠及工具的磨损实验证实，磨损主要发生在结构突变处，磨损 率随着工具工作时间的增加，逐渐降低，本次研究所用工具的磨损主要发生在缩颈处； 最后，利用数值模拟的方法分析射流加速粒子，冲击岩石过程中，粒子的运动变化规律， 以及岩石受到射流和粒子联合冲击作用，损伤破坏的过程，揭示了粒子射流破岩优于纯 水射流破岩的内在机理，研究结果为认识粒子射流高效破岩机理提供了依据。 本文采用理论研究和实验研究相结合、以实验研究为主的方法，对粒子脉冲射流的 破岩的过程和机理进行了系统研究，找出了相应规律，为新型高效石油钻井工艺技术的 开发提供了理论支撑。 关键词：粒子射流；水力脉动；调制方法；岩石破碎；磨损；实验研究；模拟分析 。、 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nr o c k b r e a k i n gu n d e rp a r t i c l ep u l s ej e t z h a n gs h u p e n g ( 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 rw a n gr u i h e a b s t r a c t a tp r e s e n t ，d o m e s t i co i l f i e l d si nd e e p w e l l s a n ds u p e rd e e p w e l l ，sh a r d r o c k s n a t a d r i l l i n gp r o c e s se x i s t sd r i l l i n gs p e e ds l o w l y ，d r i l l i n gt o o ll i f es h o r t l y ，d r i l l i n gc y c l e1 0 n ga n d t h ed r i l l i n gc o s th i g h e r ，w h i c hd i r e c t l yr e s t r i c tt h e d e e p w e l la n ds u p e rd e e p - w e l ld r i l l i n g s p e e d 觚de x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h eo v e r a l le f f i c i e n c y i nd r i l l i n gp r o c e s s ，此 s t r a t u mh a r d n e s sa n dc o r r e s p o n d i n g d r i l l i n gd i f f i c u l t yw i l li n c r e a s ee x p o n e n t i a l l yw i t hw e l l d e p t h1 n c r e a s e ，i m p r o v i n gh a r ds t r a t a d r i l l i n gs p e e di sr e c o 嘶z e da s d r i l l i n gd i f f i c u l t p r o b l e m si nt h ew o r l d p a r t i c l ep u l s ej e td r i l l i n ga d d e dl i t h i ca n ds t e e lp a r t i c l e sc a n p r o d u c e h l g h - f r e q u e n c ye r o s i o na n da b r a s i v e n e s s ，w h i c hg r e a t l ye n h a n c e st h ej e t q u a l i t ya n dw o r k e f j f i c i e n c ya n de f f e c t i v e l yr e d u c e sd r i l l i n g e q u i p m e n tw o r k i n gp r e s s w e i ti sak i n do f a u x l l l a r y1 m p r o v i n gt h e e f f i c i e n c y o f h a r ds t r a t a e x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n to f r o c k - b r e a k i n gd r i l l i n gm e t h o d b a s e do nt h e p u l s ej e t ，a b r a s i v ej e ta n dp a r t i c l e i m p a c td r i l l i n gt e c h n 0 1 0 9 y w c 1 n n o v a t i v e l yp r o p o s ep a r t i c l ep u l s ej e tr o c k b r e a k i n g t e c h n o l o g y a tf i r s t ，w es e l e c tt h e s t m c t u 0 fp a r t i c l ep u l s ej e ta n dd e s i g na s e to fp a r t i c l ep u l s e j e tm o d u l a t i o nt 0 0 1 s e c o n d l v w ed e s l g ne x p e r i m e n t a ls c h e m e sa n dd ot h ed i f f e r e n tf a c t o r se x p e r i m e n t s ，s u c h a sp a r t i c l e d l 锄e t e r ，p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n ，p u m pp r e s s u r e ，j e tl e n g t ha n da m b i e n tp r e s s e r e s e a r c h r e s u l ss h o w h a tp a r t i c l ep u l s e j e tr o c k - b r e a k i n gh a sp u r ew a t e rr o c k b r e a k i n gi n c o m p a r a b l e a d v a n t a g e s a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fp a r t i c l ed i a m e t e r , p a r t i c l ec o n c e n n a t i o na n dj e t l e n g t h ， t h er o c k - b r e a k i n gp e r f o r m a n c ef i r s t i n c r e a s e s ，t h e nd e c r e a s e s t h ee x i s t e n c eo f 姗b i e n tp r e s s u r ei sr e d u c e dt ot h e r o c k b r e a k i n gp e r f o r m a n c e m u l t i f a c t o r i a le x p e r i m e n t r e s u l t sc o n f i r m e dt h a t t h ei n f l u e n c e d e g r e eo ft h e r o c k b r e a k i n g e f f e c ti s a m b i e n t p r e s s u r e p u m pp r e s s u r e p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n p a r t i c l ed i a m e t e r j e tl e n g t ha c c o r d i n gt ot h e s e q u e n c e w h e nt h ea m b i e n tp r e s s u r ei s2 m p a ， r o c k b r e a k i n ge f f e c tr e d u c e s1 0 3 0 a n d w i t ht h ei n c r e a s eo fa m b i e n tp r e s s u r e r o c k - b r e a k i n ge f f e c th a sb e e ns i g n i f i c a n t i yr e d u c e d 币k 电 p a r t i c l ea n de x p e r i m e n t a lt o o la b r a s i o nt e s tc o n f i r mt h a tt h ea b r a s i o nr a t ed e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo ft h et o o l sw o r k i n gt i m e ，a n dt h et o o l sa b r a s i o nm a i n l yh a p p e ni ns h r i n kn e c k p l a c e f i n a l l y ，w eu s en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oa n a l y z et h ep r o c e s so f w a t e rj e ta c c e l e r a t i n g p a r t i c l e ，w h i c hs u m m a r i z e dt h ep a r t i c l e sm o v e m e n tr u l ei ns h o c k i n gr o c kp r o c e s sa n dt h e r o c k - b r e a k i n gp r o c e s sb yt h ec o m b i n a t i o no fw a t e rj e ta n dp a r t i c l e si m p a c t t h er e s u l to f s t u d yr e v e a l st h a tt h ei n t e m a lm e c h a n i s mo f t h ep a r t i c l ej e tr o c k b r e a k i n gb e t t e rt h a nt h ep u r e w a t e rj e ta n dp r o v i d e st h eb a s i st ou n d e r s t a n dt h e p a r t i c l ej e t e f f i c i e n t r o c k - b r e a k i n g m e c h a n i s m t h i sp a p e ru s e st h em e t h o do fc o m b i n i n gt h e o r e t i c a lr e s e a r c hw i t hl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a n dm a i n l yb a s e do ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c ht oc a r r yo u tp a r t i c l ep u l s ej e tr o c k b r e a k i n g e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h ee f f e c t i v ec o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a l r e s u l t ss y s t e m a t i c a l l ye x p l o r e st h ep r o c e s so fp a r t i c l ep u l s eje tr o c k b r e a k i n gf o rf i e l d a p p l i c a t i o np r o v i d i n gt h e o r e t i c a ls u p p o r t k e y w o r d s ：p a r t i c l ej e t ，h y d r a u l i cp u l s e ，m o d u l a t i o nm e t h o d ，r o c k - b r e a k i n g ，a b r a s i o n ， e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，s i m u l a t i o na n a l y s i s q i l n 卜 目录 第一章绪论1 1 1 国内外研究概况。1 1 1 1 高压水射流破岩机理研究1 1 1 2 磨料水射流技术研究2 1 1 3 脉冲水射流技术研究4 1 1 4 粒子冲击钻井技术研究6 1 2 本文的研究目标和研究内容7 1 2 1 研究目标7 1 2 2 研究内容7 第二章粒子脉冲射流破岩实验装置研制9 2 1 井底直接调制式粒子脉冲射流钻井工具原理样机。9 2 1 1 原理样机的结构优选标准9 2 1 2 原理样机的研制1 1 2 2 粒子脉冲射流破岩实验装置1 l 2 3 实验材料15 2 4 粒子脉冲射流破岩的实验方法1 6 2 5 本章小结1 7 第三章粒子脉冲射流破岩的实验研究1 8 3 1 粒子类型对破岩效果的影响1 8 3 2 破岩能力对比实验2 0 3 3 工作参数对破岩效果的影响2 l 3 3 1 粒径对射流破岩的影响2l 3 3 2 喷距对射流破岩的影响2 2 3 3 3 泵压对射流破岩的影响2 3 3 3 4 粒子浓度对射流破岩的影响。2 3 3 4 围压对破岩效果的影响2 4 3 4 1 喷距对破岩效果的影响2 5 3 4 2 泵压对破岩效果的影响2 6 q fr t 3 4 3 粒子浓度对破岩效果的影响2 6 3 4 4 粒径对破岩效果的影响2 7 3 5 参数优化实验2 8 3 6 粒子脉冲射流实验装置的磨损分析2 9 3 6 1 粒子对工具磨损过程分析2 9 3 6 2 磨损实验数据分析31 3 6 3 工具转弯处磨损分析3 5 3 6 4 粒子磨损分析。3 6 3 7 粒子脉冲射流对岩石性能的影响3 8 3 7 1 岩心制备3 8 3 7 2 岩石性能测试3 9 3 8 本章小结4 0 第四章粒子射流破岩机理的数值模拟研究4 2 4 1 基本物理模型及定解条件4 2 4 2 流场的有限元分析4 3 4 3 岩石的有限元分析4 4 4 4 粒子射流与岩石的耦合求解4 6 4 5 粒子射流破岩过程及机理分析4 6 4 5 1 粒子射流破岩体系参数4 6 4 5 2 粒子射流破岩过程及机理分析4 7 4 5 3 射流冲击速度对岩石损伤的影响5 4 4 5 4 射流直径对岩石损伤的影响5 5 4 5 5 粒子直径对岩石损伤的影响一5 6 4 6 本章小结5 7 第五章结论一5 8 参考文献5 9 攻读硕士学位期间的研究成果6 1 致谢6 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 目前，国内各油田在深井和超深井等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，直接制约着深井和超深井钻井技术的发展和勘 探开发的整体效益。在钻井过程中，地层硬度及其相应的钻井难度会随着井深的增大而 增大，提高硬地层钻井速度是世界石油工程领域面临的难题之一。探索高效破岩钻井方 法是油气钻探领域的重要研究方向i 。 1 1 国内外研究概况 1 1 1 高压水射流破岩机理研究 高压水射流技术经过几十年的发展，已经成功地应用到石油、冶金、航空、化工、 机械、建筑和交通等领域。石油工业中，由以前单纯的提高射流压力转变为改变射流方 式提高射流工作效率，在此期间，出现了以高频冲击射流、共振射流和磨料射流等为代 表的新型射流方式，使破岩效果有了明显的改善。水射流作为一种良好的切割、破碎和 清洗除垢的工具，已为人们所公认，一大批水射流切割机、采煤机、掘进机、打桩机和 不同用途、不同形式的清洗机已投入市场。 回顾水射流技术的发展历史，大体上可分为四个阶段：即2 0 世纪6 0 年代初期的探 索实验阶段，主要研究低压水射流采矿；6 0 年代初至7 0 年代初为基础设备研制和攻关 阶段，主要研制高压泵、增压器和高压管件及推广水射流清洗技术；7 0 年代初至8 0 年 代初为工业实验和工业应用阶段，主要特点是大量的水射流采煤机、切割机、清洗机相 继问世，并开始了较大规模的工业实验和应用推广。其应用领域也由采矿业发展到其它 领域。8 0 年代以来是高压水射流迅速发展阶段，主要特点是水射流技术研究进一步深化， 磨料射流、空化射流和自激振动射流等新兴射流形式发展很快，许多产品已达到商品化。 现代高压水射流技术从最初的探索性实验到目前较为广泛的工业化应用，其发展历 史也不过3 0 多年的时间，这充分体现了这项技术的生命力和优越性，随着人们对射流 工作机制认识的深入，水射流技术必将还有长足的发展和迸步。可以肯定一个能够根据 实际需要，自由控制高压水射流的技术特性，为人类服务的时代即将到来。 高压水射流除了单独破岩外，还可以辅助刀具破碎岩石。1 9 7 2 年日本铁道技术研究 所首次提出在凿岩机上采用水射流辅助刀具破岩，破岩效果可提高2 5 倍，目前机械、 水力联合破岩技术已在采矿与石油等行业中得到了广泛的应用【2 训。 第一章绪论 近年来国内外对水射流辅助破岩机理开展了大量的研究。目前许多学者对于水射流 破岩机理主要持有三种观点，“水楔”胀裂机理；“冲蚀 破碎机理；“联合” 破碎机理。“水楔 胀裂机理主要认为由于岩石形成过程的复杂性，岩石表面不可避免 地存在微裂纹水射流的压入使裂纹扩展降低了钻头的切削力；“冲蚀 破碎机理则认为 水射流中高速冲击的射流对材料的冲击是引起材料表面发生破坏的主要作用；“联合 破碎机理。国内有学者认为水射流破碎机理是水楔胀裂机理和冲蚀破碎机理的综合。射 流破碎岩石的过程中，射流经过岩石与流场的流固耦合面时，射流在钻具到达岩石之前 在岩石上切出自由面，并且射流能量渗入岩石的初始裂隙中，与钻具共同扩展裂隙直至 岩石发生破碎；破碎后的岩石附着在岩石表面，此时，射流的作用是清洗破碎的岩屑， 减小钻具的切割阻力，增大钻具的破岩效率，此外钻具在工作的过程中，钻具的温度较 高容易引起钻具的疲劳破坏，射流的作用可以帮助冷却钻具的温度。延长钻具的工作寿 命【5 1 。 目前，国内外对于高压水射流的破岩过程及机理研究仅限于描述破碎现象的表面过 程，对于高压水射流破岩的实际应用和物理机制的探索难以形成有效的指导。高压水射 流破岩的过程涉及到许多复杂的问题，例如，流固耦合作用、大变形、几何非线性等问 题，我们把高压水射流破岩的实质归结为柔性体冲击接触问题，这主要是由于岩石是多 孔性介质，自身性质决定了岩石本身具有多样性及相互联通性，水射流与岩石相互作用 时，由于水射流体系的物质特性及载荷特性，所以高压水射流携带着能量将会渗入到岩 石空隙内部，引起岩石微裂纹发生扩展，最终引起岩石发生损伤破碎，高压水射流破岩 的实质是水射流与岩石相互作用，引起岩石损伤破碎的过程。 1 1 2 磨料水射流技术研究 磨料射流是八十年代后发展起来的新型射流方式，它是由固体磨料( 金刚砂、石榴 石、石英砂) 与高速流动的水流相互混合而形成的液固两相介质射流。磨料水射流破岩 过程中切割及破岩过程中，通过磨料注入系统注入磨料，高压水射流经过磨料的过程中， 将一部分动能传递给磨料粒子，磨料粒子在射流的加速下与射流共同冲击岩石，与传统 的高压水射流相比，磨料射流改变了射流对岩石的冲击作用方式，由于磨料粒子一般为 硬质粒子，且密度一般为纯水的几倍，所以磨料对岩石的切割过程一般可以归结为水射 流对岩石的冲击以及磨料粒子对岩石的冲击及磨削，两个过程同时作用共同破碎岩石， 从而有效地提高了射流的品质和效率，高速磨料粒子流对岩石产生的高频冲蚀作用，能 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 够有效地降低了泵压【6 】o 美国在6 0 年代首先利用磨料射流钻油井，结果证实了这种方法能够大幅度提高钻 井速度。我国对磨料射流的发展相对比较落后，直到2 0 世纪7 0 8 0 年代开始，人们才 开始展开磨料射流的研究，起初国内学者只是对后混合式磨料射流的破岩及切割效果进 行了分析研究，并有针对性地做了大量的实验，对磨料射流的影响因素及磨料射流射流 的性能进行了有效地验证，此时由于高压发生设备的落后，在我国磨料射流仅仅是用于 采掘、清洗、除锈等现场应用中。但是在一些西方国家及日本，已经出现了压力可以达 到上千兆帕的高压发生设备增压器，由此出现了各种磨料水射流切割装置，以切割 各种金属板材和其它坚硬物料，如混凝土、硬岩、陶瓷和玻璃、复合材料和塑料等【7 1 。 后混合磨料射流对于提高破岩及切割能量具有重要的作用，但是在实际应用过程中 人们逐步发现，后混合磨料射流对于磨料的加速过程比较短，磨料与靶物发生作用时， 磨料的速度低于水射流的速度，因此，国内外学者开始致力于前混合磨料射流设备及性 能的研究。英国的流体工艺协会在1 9 8 2 年首先建立了前混合磨料水射流实验装置，他 们主要利用磨料流态化原理通过使压力罐下部的磨料流态化，为了促使磨料浆流入压力 管道中，在压力罐的下口安一个水力引射器，以便造成负压 s l 。我们把这种磨料射流叫 做直接加入式磨料射流，简称( d i a j e t ) 。该装置的特点是磨料的流量比较均匀，但结构 比较复杂随后，我国在1 9 8 3 年也正式建造了第一台前混磨料射流实验架。 近几年来，随着磨料射流的发展，出现了浆体磨料射流切割技术。刘小健和俞涛在 磨料浆体射流技术的应用研究中，指出磨料浆体射流技术，首先将磨料与水及添加剂按 一定的比例与工艺方法配制成为浆料，将其通过高压发生装置加速后，形成磨料浆体射 流，利用添加剂本身具有的物理化学特性，可使磨料在水中均匀地悬浮，并能降低浆料 的摩阻系数，减少能量损失，并使射流的集束性增强，与其他水射流形式相比，磨料浆 体射流的切割能力大致相同，但切割质量好，切割比能耗低 9 1 。在磨料浆体射流切割中 添加剂的性能研究中，结合高聚物添加剂的性能，讨论其在磨料射流切割中的作用。研 究了使用高聚物添加剂后的切割效果、特点，首次分析了磨料浆体射流中比能耗的变化 趋势，并进行了相关实验结果的机理分析。 杨海滨，杨永印等在磨料浆体旋转射流破岩钻孔特性实验研究中，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 第一章绪论 的破岩钻孔深度有明显地促进作用【l o l 。 1 1 3 脉冲水射流技术研究 从6 0 年代开始，各国专家对脉冲水射流进行了大量的理论和实验研究，现已广泛 应用于石油钻井、表面清洗等场合。石油钻井过程中，由于射流对井底岩石的连续冲击， 破碎的岩石在射流的作用下不能及时上返，导致射流对井底已经破碎的岩石产生压持效 应，钻头及射流会重复切削岩屑，降低了射流及钻井工具的钻井效率。脉冲射流的发展 及应用改变了这一问题，由于脉冲射流的作用，井底流场产生脉动效应，井底破碎的岩 屑产生翻转启动，使岩石破碎区域表面的岩屑能够及时得到清理，避免重复切削，同时 在一定程度上改善井底附近岩石受力状况，提高了钻头的破岩效率。脉冲水射流由于实 现方式比较简单，并且对于改善钻井效率的效果比较明显，因此该种射流方式具有很好 的发展前途【l l 】。 脉冲水射流按其作用方式可以分为阻断式、激励式和挤压冲击式。阻断式脉冲水射 流由于对射流的能量利用率比较低，利用间隔器进行隔断不可避免的会导致噪音大、机 械磨损严重；挤压冲击式脉冲水射流需要专门的装置将能量传递给水体产生脉冲射流， 因此必须具备专用的设备，两种脉冲射流方式的缺点，决定其不可能在现场应用过程中 获得更多的认可。激励式脉冲水射流对作用物体的冲击力最大可达连续水射流滞止压力 的1 0 倍，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【1 2 】。 自激振荡脉冲射流是一种利用自激振荡脉冲喷嘴而形成的脉冲射流形式，不需要利 用外加激励，有着广阔的发展应用前景，经过几十年的研究已经获得很大的进展。 。，- d d 娟 丁t l 图1 - 1 振荡发生示意图 f i 9 1 1s t r u c t u r eo fo s c i l l a t i o no c c u r 在国际水射流会议上s a m i 矛h a n d e r s o n ，报告了利用受激赫姆霍兹振荡器产生自激振 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 荡脉冲射流，其工作原理如图1 1 所示。 图1 - 2 赫姆霍兹振荡腔 f i g l - 2 h e l m h o l t zo s c i l l a t i o nc a v i t y 中国石油大学沈忠厚教授等赫姆霍兹振荡器的数学分析模型： l 一( n3 8 昙n ) k三： d ls , ( m a k + 1 ) ( 卜1 ) 鱼：! 垒! 垡： d l 2 兀s r m a ( 卜2 ) 经过研究c h a h i n e 和c o r m 提出利用自振喷嘴装置来产生脉冲射流，由风琴管和赫姆 霍兹振荡腔组成。他们研究了脉冲发送喷嘴、风琴管喷嘴和脉冲反馈喷嘴三种喷嘴( 图 1 - 3 ) ，并得出卸载效应准则、缓冲效应准则和气动效应准则【1 3 】。 ( a ) 赫姆霍兹振荡喷嘴( b ) 脉冲发送喷嘴( c ) 风琴管喷嘴( d ) 脉冲反馈喷嘴 图1 3自激振荡脉冲喷嘴简图 f i g l 3 s e l f - o s c i l l a t i o np u l s en o z z l e 脉冲水射流的形成规律和作用机理的研究经历过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，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 第一章绪论 技术有所突破，水力脉冲幅度和峰值得到了很大提高，重新使人们认识到脉冲射流钻井 技术具有巨大的发展潜力。 粒子脉冲射流破岩的实质是水射流协同各种粒子经过脉冲射流工具的调制作用后 于受冲击的岩石发生相互碰撞作用，并因此带来的岩石损伤破碎过程，粒子脉冲射流破 岩过程中水射流为粒子提供能量，射流经过粒子后携带其一起运动，粒子利用射流的动 能以一定的加速度开始运动，射流冲击到岩石表面后，岩石表面的初始裂纹逐渐扩大， 当粒子冲击岩石表面时，由于射流的辅助破岩作用使粒子以较低的能量就能达到岩石的 门限压力，使岩石发生破碎。此外，射流的流动作用也可以携带粒子冲击产生的岩屑等 物料。粒子在整个破岩过程起到主要的作用，水射流起辅助作用，但二者缺一不可。在 模拟过程中，国内外部分学者，将粒子射流的模拟过程仅仅局限为单个粒子冲击岩石或 者将粒子与射流按照一定的比例混合后形成伪流体冲击岩石，此两种情况都忽略了射流 与粒子的耦合作用，因此结果具有很大的局限性。模拟过程中，我们将岩石与粒子假设 为弹性体，因此，粒子脉冲射流过程涉及弹性体及柔性体冲击问题，而非单纯的其中一 种形式的冲击过程。整个粒子脉冲射流破岩过程涉及高应变率、大变形、几何非线性、 材料非线性等复杂问题，对其真实物理机制的揭示具有很多工作要做1 1 4 】。 粒子射流与岩石之间主要存在三类耦合作用：一是岩石与岩石内孔隙流体的耦合， 此时两相域部分或全部重叠在一起，难以明显地分开，二是射流与固体岩石接触交界面 上的耦合【t 5 1 ；三是粒子与岩石的耦合，由于粒子相对于岩石体积很小，我们可以近似的 认为是点与面的接触，由于粒子的硬度及密度大于纯水，当粒子动能近似等于射流的动 能时，第三种耦合方式对岩石的损伤破坏占有重要的作用，现有的粒子射流破岩耦合理 论都是仅限于第一、二种或者单纯第三种理论为理论基础建立起来的，因此具有一定的 片面性，验证三种耦合作用的相互作用方式具有重要的意义。 1 1 4 粒子冲击钻井技术研究 粒子脉冲射流钻井技术( p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g ，简称p i d ) 就是利用钻井泥浆的水力 能量作为驱动力，硬质钢珠粒子在泥浆的水力能量加速下高速冲击坚硬的岩石，以此为 主要能量来破碎岩石。这是由美国人c u r l e t t eh b 、s h a r pdp 和g r e g o r yma 最早提出 来的，该公司已经对这项技术进行了比较深入的研究，最初在理论研究中取得了一定的 成果；现已经应用于现场钻井过程中，并取得良好的效果，其发展主要经历了室内实验 及现场实验两个阶段： 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 室内实验阶段 为检验粒子冲击钻井工具的性能，2 0 0 5 0 3 2 8p d t i 公司在盐湖城t e r r at e k 的钻井 完井实验室里模拟钻井现场的实际钻井的扭矩和钻压，该实验使用真实的泥浆形成的水 力流场，利用自行设计的新型p i d 钻头，进行了全尺寸模拟井下工况的实验。实验结果 证实粒子冲击钻井技术更适用于大排量p i d 钻头，但无论是大排量还是小排量p i d 钻头 都有很多地方需要改进和完善，此后该公司又进行了一系列的设计和实验，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【1 6 ，1 7 1 。 ( 2 ) 现场实验阶段 2 0 0 6 年，p d t i 公司先后进行了两次现场实验，了解实际钻井时粒子冲击钻井系统 的各个零部件的工作性能和薄弱环节，实验发现粒子注入设备、地面泥浆泵、管线、阀 门等的性能都需要进一步提高。经过多次的重复现场实验，p d t i 公司公布了粒子冲击 钻井所取得的最新成就：成功的钻出了6 4 口孔径为61 2 英寸的井，其中岩石碎屑和粒 子的移除率为1 0 0 ：目前应用最广泛的钻头尺寸为97 8 英寸。目前p d t i 公司正在实 验室中实验尺寸更小的和更大的p i d 钻头，增加新尺寸钻头功能的可靠性，扩大粒子冲 击钻井的适用范围【1 8 , 1 9 。 1 2 本文的研究目标和研究内容 粒子脉冲射流钻井技术作为一种近几年发展起来的提高硬地层钻速的新兴钻井方 法，国外已经从室内实验向现场应用过渡，国内尚未见这方面的研究，借鉴国外粒子射 流冲击钻井的成功经验，同时结合丰富的水射流理论基础，进行粒子脉冲射流破岩的实 验研究，探索影响因素对破岩效果的作用规律，分析总结粒子脉冲射流对提高钻进速度 的重要作用，为新型高效石油钻井工艺技术的开发提供了理论支撑。 基于上述认识，确定本文的研究目标和研究内容如下： 1 2 1 研究目标 通过开展粒子脉冲射流破岩的室内实验研究，探索出不同因素对粒子脉冲射流破岩 效果的影响规律，优选参数，提高粒子脉冲射流破岩效率，为新型高效石油钻井工艺技 术的开发提供了理论支撑。 1 2 2 研究内容 ( 1 ) 粒子脉冲射流破岩的实验研究，探索出不同因素对破岩效果的影响规律： 7 釜二兰堑丝 一 g 根据粒子的材质、粒径分布、浓度、射流参数、井下状况等影响参数，制定实验 方案。 固迸行初步实验，探索不同参数的影响规律。 幼定轻因素实验条件下的最优参数。 ( 2 ) 对最优参数进行分析、重复实验，研究各参数间的相互影响规律 在拜下( 围压、淹没) 状况一定的情况下，进行不同参数影响实验。 在单因素实验的基础上，进行多因素影响实验，找出个参数间的影响规律。 u ) 乖! 用数值模拟方法分析粒子脉冲射流破岩机理。 w 向压水射流与岩石耦合作用机理研究。 粒子射流破岩过程及破岩机理研究。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章粒子脉冲射流破岩实验装置研制 p d t i 公司经过室内及现场实验证实了粒子冲击钻井技术对于破碎硬岩层具有广阔 的应用前景。但是，目前该公司还没有研制出适用于p i d 的新型泥浆泵、粒子储罐和注 入设备、泵送粒子的高压管线和阀门等硬件设备，阻碍了粒子冲击钻井技术的发展。井 底直接调制式粒子脉冲射流钻井工具既综合了粒子冲击钻井技术与脉冲射流技术的优 势，提高了硬地层的破岩效率；又解决了粒子冲击钻井对地面注入及回收设备的依赖性， 根本上解决了阻碍粒子冲击钻井技术发展的瓶颈。因此，开展粒子脉冲调制方法的研究， 研制适用于粒子脉冲射流的实验装置，具有重要的理论意义和实际意义。 2 1 井底直接调制式粒子脉冲射流钻井工具原理样机 2 1 1 原理样机的结构优选标准 粒子脉冲射流调制工具可以在其腔室内产生自激脉冲，在腔室内的流场中产生涡环 结构，而腔室内的而腔室内的涡环结构在很大程度上决定了该结构的激振效果和有效输 出能量。相同的能量输入的情况下喷嘴的能量输出是不同的，只有当腔室内只产生一对 涡环时，其能量损失最小，能产生最大的能量输出。我们通过数值模拟分析该工具腔室 内产生的涡环结构，寻找最佳腔体的结构参数，给出自激喷嘴优化的数值基础。 ( 1 ) 压力场和速度场 数值模拟过程中，调制工具腔室内压力和速度分区示意图如下图( 图2 1 ，图2 2 ) 所示。 图2 - 1工具腔室内压力分区示意图 f i g2 - 1 t o o li n t r a l u m i n a lp r e s s u r ep a r t i t i o n 图2 - 2 工具腔室内速度分区示意图 f i g2 - 2 t o o li n t r a l u m i n a lv e l o c i t yp a r t i t i o n 9 第二章粒子脉冲射流破岩实验装置 分析上图，压力场和速度场均分为5 个区。对压力场来说，这5 个区分别是上喷嘴 出口低压1 区、中心汽化低压2 区、碰撞高压3 区、边界负压4 区以及下喷嘴段压力下 降5 区。其中最关键的是中心汽化低压2 区，这是腔内压力最低的一个区，在这个区中 会形成低压和大小呈周期性变化的涡环，并对轴心处的射流中心形成周期阻尼，将连续 射流调制成脉冲射流。工具最佳长径比的压力分区均有明显的分界，且各分区内压力梯 度较大【2 0 1 。 对应的速度矢量场也可分为5 个区( 图2 2 ) ，即上喷嘴出口加速1 区、中心原生涡环2 区、下喷嘴射流接收3 区、边界低速4 区以及下喷嘴段射流调整5 区。与压力场相似，中 心原生涡环2 区最为关键，由于高速射流遇到下游碰撞高压区的阻挡，向四周扩散引发 一个以射流轴线为轴心的原生环状涡，又由于该区处于腔内压力最低的部位( 压力场2 区) ，低压区形成如图所示的“8 ”字形气囊区。 通过对应力场和速度场的分析，调制工具能够有效的将连续射流调制成脉冲射流。 ( 2 ) 流场脉动特性 1 21 41 6 破岩深度u 图2 - 3出口流速脉动与破岩深度关系图 f i g2 - 3 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no u t l e tv e l o c i t yp u l s ea n dr o c k - b r e a k i n gd e p t h 图中显示了出口流速脉动值与破岩深度的关系图。出口流速脉动值与破岩深度成线 性关