水平井鉆進(jìn)中往往因攜巖不利、清巖不及時、鉆屑在低邊堆積等問題產(chǎn)生巖屑床,由此導(dǎo)致托壓、底部鉆具組合粘托甚至卡鉆等。針對這些問題,本文在分析巖屑床形成的基礎(chǔ)上,基于赫姆霍茲諧振-脈沖生成、射流泵-負(fù)壓抽汲、高壓射流和粉塵碰撞等理論,設(shè)計了一種新型水平井脈沖內(nèi)磨鉆頭,可通過高速脈沖射流、反向射流及內(nèi)磨削結(jié)構(gòu),實現(xiàn)高效破巖,減小壓持效應(yīng),清除水平井巖屑床�；陲L(fēng)琴管脈沖生成理論及自激振蕩噴嘴和自旋轉(zhuǎn)噴嘴的良好水力輔助破巖效果,并根據(jù)水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則,對赫姆霍茲式脈沖內(nèi)磨鉆頭進(jìn)行改型,分別設(shè)計了風(fēng)琴管式脈沖、串聯(lián)式脈沖增強(qiáng)式、自激振蕩脈沖增強(qiáng)式和中心旋噴脈沖等多款內(nèi)磨鉆頭,可階段性增強(qiáng)脈沖生成裝置的脈沖射流效果,結(jié)合自激振蕩噴嘴和自旋轉(zhuǎn)噴嘴的水力特性,可望進(jìn)一步提高水力破巖和攜巖效率。分別建立了脈沖生成裝置、高效破巖裝置、反向抽汲裝置和巖屑內(nèi)磨裝置的水力模型,以赫姆霍茲振蕩器固有頻率、諧振管諧振最優(yōu)排量、下噴噴嘴出口流體速度、最優(yōu)流量比、高壓作用力、最小內(nèi)磨末速和最小加速管長度為特征參數(shù),建立了水平井脈沖內(nèi)磨鉆頭的參數(shù)計算模型。算例分析得到赫姆霍茲振蕩腔固有頻率為24.00Hz,諧振最優(yōu)流量為23.92L/s,最優(yōu)流量比為0.59;以鉆井液為高速流體,通過算例分析得到赫姆霍茲振蕩器固有頻率為24Hz,砂巖的最小內(nèi)磨末速為64.65m/s,最小加速管長度為67.72mm;泥巖的最小內(nèi)磨末速為67.08m/s,最小加速管長度為100.57mm。參數(shù)研究表明,諧振最優(yōu)流量隨著進(jìn)給腔直徑、反饋腔直徑的增大而增大,隨著諧振腔直徑的增大而減小;最優(yōu)流量比隨著無量綱流量比先增大后減小,隨著無量綱面積比的增大而減小,最小內(nèi)磨末速隨著內(nèi)磨能量系數(shù)(f_i)和機(jī)械鉆速(ROP)的增加而增大,隨著內(nèi)磨終止粒徑(d_t)增大而減小,特別是當(dāng)f_i0.2、ROP3.048m/h和d_t0.3mm時,其影響比較明顯;最小加速管長度隨著諧振管固有頻率的增大而減小,隨著流量分配系數(shù)的增大而減小。并通過實例分析驗證了參數(shù)計算模型的可行性�；谒畡恿W(xué),通過鉆頭-鉆具系統(tǒng)力學(xué)分析,建立了脈沖內(nèi)磨鉆頭自進(jìn)力、水平井極限延伸長度的計算模型,通過算例分析得到脈沖內(nèi)磨鉆頭的進(jìn)給力為4333.92N,極限延伸長度為4024.67m。參數(shù)研究表明,極限延伸長度隨著抽汲腔孔徑、下噴流道噴嘴數(shù)和分離區(qū)流量分離系數(shù)的增大而增大,隨著下噴流道軸線與鉆頭軸線夾角、井壁摩擦系數(shù)的增大而減小,鉆井液流量對極限延伸長度的影響很小。通過實例分析驗證了水力模型的可行性。本文研究為清除水平井巖屑床提供了一種解決方案。
【學(xué)位單位】：中國石油大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TE921.1
【部分圖文】：

圖 1.1 射流磨鉆頭示意圖Fig. 1.1 Jet mill bit內(nèi)置上返通道，區(qū)別于普通 PDC 鉆頭。內(nèi)置的上文丘里管抽汲井底流體及巖屑，經(jīng)高壓射流粉碎壓破巖管，射流磨鉆頭其上返通道抽吸井底流體，從而塑性、破碎強(qiáng)度，提高破巖效率；減輕井底巖屑時外排，避免重復(fù)破碎，提高機(jī)械鉆速。碎碎巖般為含原生裂紋以及因應(yīng)力形成的次生裂紋，在擴(kuò)展，引起巖屑粉碎。射流磨鉆頭利用高速射流屑，利用高速射流沖擊效應(yīng)，使巖屑顆粒之間、碰撞、剪切，從而破碎。

圖 1.2 巖屑水楔粉碎和撞擊粉碎Fig. 1.2 Grinding mechanism of cuttings（3）粉碎巖屑攜巖水平井鉆進(jìn)中，大顆粒巖屑難以有效運(yùn)移，井底巖屑形成重復(fù)破碎；水平井段容易形成巖屑床，影響 ROP。基于中小巖屑顆粒的運(yùn)移效率顯著優(yōu)于大巖屑，射流磨鉆頭能夠有效地提高巖屑運(yùn)移效率。1.3 存在的問題上述巖屑運(yùn)移理論、數(shù)模和實驗均是建立在穩(wěn)態(tài)循環(huán)流體條件下，包括鉆井液和氣體，對非穩(wěn)態(tài)循環(huán)流體，例如脈沖流體的研究是不充分的，而脈沖射流相對于常規(guī)穩(wěn)態(tài)流體，以其對巖石非對稱、非均勻的切削，可以大幅度提高水利輔助破巖、清巖效率[17]，在鉆頭底部形成負(fù)壓，減小壓持效應(yīng)，清除巖屑床，其非凡的效果已經(jīng)吸引了越來越多研究者的關(guān)注。相關(guān)的數(shù)值模擬和實驗研究也證明脈沖射流鉆井技術(shù)在提高鉆進(jìn)效率的同時，可改善油田的開發(fā)效果[18]。同時，改進(jìn)的射流磨鉆頭設(shè)計僅局限于氣體鉆井設(shè)計，針對常規(guī)鉆井液循環(huán)

圖 1.3 技術(shù)路線圖Fig. 1.3 Technology roadmap基于射流磨鉆頭設(shè)計，通過分析赫姆霍茲諧振腔脈沖生成理論和鉆井液流學(xué)相關(guān)循環(huán)理論，在高壓水射流、鉆井液流體力學(xué)和粉塵破碎力學(xué)的基礎(chǔ)上計新型脈沖內(nèi)磨鉆頭，為清除水平井的巖屑床提供一種解決方案。在結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，分別從脈沖生成裝置、高效破巖裝置、負(fù)壓抽汲裝巖屑內(nèi)磨裝置對脈沖內(nèi)磨鉆頭進(jìn)行水力學(xué)建模和分析，同時考慮實際應(yīng)用中沖內(nèi)磨鉆頭與鉆具系統(tǒng)在水平井水平段鉆進(jìn)時的系統(tǒng)力學(xué)分析，建立極限延度的計算模型。最后為了進(jìn)一步優(yōu)化脈沖內(nèi)磨鉆頭的破巖、清巖和攜巖效果，對脈沖內(nèi)磨的流道進(jìn)行改進(jìn)，以提高鉆頭的破巖和清巖效率，更好清除水平井中的巖屑床

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本文編號：2817303