粒子脈沖射流破巖實驗研究.pdf

1、目前,國內各油田在深井和超深井等硬巖地層鉆進中普遍存在鉆井速度慢、鉆具壽命短、鉆井周期長、鉆井成本高等難題,直接制約著深井和超深井鉆井技術的發(fā)展和勘探開發(fā)的整體效益。在鉆井過程中,地層硬度及其相應的鉆井難度會隨著井深的增大而增大,提高硬地層鉆井速度是世界石油工程領域面臨的難題之一。粒子脈沖射流是在鉆井過程中調制混入堅硬粒子的脈沖射流,通過對井底巖石進行高頻沖蝕和研磨,協(xié)同鉆頭破巖,以提高鉆進速度。因此,深入研究粒子脈沖射流的破巖過程及其

2、破巖機理,對于提高深井的速度和效益具有重要的意義。
　　 本文綜合了磨料射流、脈沖射流、粒子沖擊鉆井技術在鉆井破巖中的優(yōu)勢,創(chuàng)新性地提出了粒子脈沖射流破巖方法。首先,根據射流在振蕩腔內速度場、壓力場分布及流場脈動特性,優(yōu)選粒子脈沖射流調制元件的結構尺寸,研制了粒子脈沖射流的原理樣機;其次,設計了圍壓井筒等模擬實驗裝置,探索了粒子直徑、粒子濃度、泵壓、噴距、圍壓等不同因素對射流破巖性能的影響規(guī)律,研究結果表明,粒子脈沖射流破巖性能

3、顯著優(yōu)于純水射流,破巖效果隨著粒子直徑、粒子濃度、噴距的增加均呈現先增大后減小的趨勢,本實驗條件下最優(yōu)粒子濃度為15％,吸入口直徑與粒子直徑最佳比為3.5:1,最優(yōu)粒徑為1.7mm;采用正交實驗分析粒子脈沖射流的影響因素,結果顯示圍壓、泵壓、粒子濃度、粒子直徑、噴距對射流破巖性能的影響依次減小;圍壓條件下破巖實驗對比發(fā)現,隨著圍壓的增大,破巖效果顯著降低,本實驗條件下,圍壓2MPa時破巖效果比常壓下降低10-30％;鋼珠及工具的磨損實驗

4、證實,磨損主要發(fā)生在結構突變處,磨損率隨著工具工作時間的增加,逐漸降低,本次研究所用工具的磨損主要發(fā)生在縮頸處;最后,利用數值模擬的方法分析射流加速粒子,沖擊巖石過程中,粒子的運動變化規(guī)律,以及巖石受到射流和粒子聯(lián)合沖擊作用,損傷破壞的過程,揭示了粒子射流破巖優(yōu)于純水射流破巖的內在機理,研究結果為認識粒子射流高效破巖機理提供了依據。
　　 本文采用理論研究和實驗研究相結合、以實驗研究為主的方法,對粒子脈沖射流的破巖的過程和機理進