提高微小井眼钻头破岩效率的研究

论文摘要

微小井眼钻井技术是指井眼直径小于88.9mm的钻井技术,是石油工业的重要技术发展方向之一。本文的研究目的是结合国内外现有研究基础,针对微小井眼钻井特点,研究提高微小井眼钻头破岩效率的因素,确定满足钻进88.9mm井眼要求的微小直径钻头的设计方案,设计出适合在软到中硬地层中钻进的微小井眼PDC钻头,为提高微小井眼钻井破岩效率打下基础。本文首先在常压淹没条件下进行了高压泥浆流冲蚀人造砂岩室内实验研究。实验表明,破岩体积随射流压力的升高而增大;喷嘴倾角为30°时破岩效果最佳;射流压力和喷射角度不变时,存在着双优喷距,第一个峰值喷距出现在6～10倍喷嘴直径处,第二个峰值喷距出现在18～24倍喷嘴直径处。通过理论分析计算,得到了微小井眼连续管内流体紊流运动时压耗计算模型,环空内幂律流体紊流运动时压耗计算模型。以获得最大钻头水功率为目标函数对微小井眼钻井进行了水力参数优化设计,优选出微小井眼钻井所用钻井泵的最优排量为7.43L/s,微小井眼钻头喷嘴当量直径为6.4mm。利用Pro/E软件建立了简化的PDC钻头三维几何模型及微小井眼井底的物理模型,采用标准k ?ε紊流模型及壁面函数法,在钻头静止条件下对不同倾角的单喷嘴射流及多喷嘴射流进行了井底流场数值模拟。通过模拟分析可知,当α=30°时,射流具有最佳的清岩效果;α=30°时,喷嘴在微小井眼钻头上的最佳安放位置为钻头底面上距钻头中心的距离约13mm,17mm处;各喷嘴射流冲击井底后形成的漫流场对井底的覆盖面积大,能够全面的清除钻头冠部流道的岩屑,并及时清洗和冷却钻头刀翼表面的切削齿。在以上研究的基础上,通过理论计算和优化设计,优化钻头的水力结构,设计出了一种适用于微小井眼钻进的新型高效破岩PDC钻头。本文的研究对提高微小井眼钻头的破岩效率,提高微小井眼钻速,发展微小井眼钻井技术具有重要的工程实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 课题研究背景及研究意义
• 1.2 课题研究内容、研究方法及技术路线
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 研究方法
• 1.2.3 技术路线
• 第二章 国内外研究现状
• 2.1 微小井眼钻井国内外技术现状
• 2.1.1 小井眼钻井技术现状
• 2.1.2 微小井眼钻井技术现状
• 2.1.3 微小井眼钻井技术设备
• 2.2 PDC钻头水力结构研究现状
• 2.2.1 PDC钻头水力结构研究概况
• 2.2.2 PDC钻头水力结构国内外研究现状
• 2.3 射流数值模拟研究现状
• 2.3.1 紊流数值计算方法
• 2.3.2 紊流数值方程模型
• 2.3.3 射流流场数值模拟进展
• 2.4 本章小结
• 第三章 微小井眼钻头喷嘴破岩规律实验研究
• 3.1 研究内容
• 3.2 实验设备、实验试样的制备
• 3.2.1 实验设备及原理
• 3.2.2 实验试样的制备
• 3.3 实验方法及实验步骤
• 3.4 数据的测量及处理方法
• 3.5 实验结果及分析
• 3.5.1 射流压力对破岩效果的影响规律
• 3.5.2 喷射角度对破岩效果的影响规律
• 3.5.3 喷距对破岩效果的影响规律
• 3.6 本章小结
• 第四章 微小井眼水力参数计算及优化设计
• 4.1 射流特性及其对井底的作用
• 4.1.1 射流特性
• 4.1.2 射流对井底的清洗作用
• 4.1.3 射流对井底的破岩作用
• 4.2 射流及钻头水力参数计算
• 4.2.1 射流水力参数
• 4.2.2 钻头水力参数
• 4.3 水力参数优化设计
• 4.3.1 确定最小排量
• 4.3.2 微小井眼钻井循环压耗模型建立及计算
• 4.3.3 选择缸套直径
• 4.3.4 排量及喷嘴直径的确定
• 4.3.5 参数设定及计算
• 4.4 本章小结
• 第五章 微小井眼井底流场模拟分析
• 5.1 FLUNET软件简要介绍
• 5.1.1 FLUNET软件组成部分
• 5.1.2 网格的介绍
• 5.1.3 网格质量
• 5.2 FLUENT模拟方法可靠性的验证
• 5.2.1 实验模型
• 5.2.2 实验结果的分析
• 5.2.3 结论
• 5.3 模拟方案设计
• 5.4 模拟实验过程
• 5.4.1 实验模型的建立
• 5.4.2 网格生成
• 5.4.3 求解模型的建立
• 5.4.4 指定流体物理性质
• 5.4.5 边界条件
• 5.4.6 设置求解控制参数
• 5.4.7 残差设置和流场的初始化
• 5.5 模拟结果分析
• 5.5.1 单喷嘴射流撞击井底时的流场模拟
• 5.5.2 多喷嘴射流撞击井底时的流场模拟
• 5.6 本章小结
• 第六章 微小井眼钻头设计
• 6.1 微小井眼PDC钻头的结构特点及工作方式
• 6.2 微小井眼PDC钻头的破岩机理
• 6.3 微小井眼PDC钻头设计
• 6.3.1 冠部轮廓设计
• 6.3.2 切削结构设计
• 6.3.3 水力结构设计
• 6.3.4 稳定性设计
• 6.3.5 微小井眼PDC钻头总体结构
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢