钻头分流降低井底压力机理的研究

论文摘要

深井、超深井钻进过程中,机械钻速随井深增加明显下降。重要原因之一是由于井底压差的增大,岩屑不能及时清除,造成钻头的重复破碎,致使机械钻速迅速下降。从井底压差影响钻速的基本原理看,通过钻头分流降低井底压差,能起到减小“压持效应”,提高机械钻速的作用。通过理论分析,应用数值模拟方法,改变分流喷嘴、钻头体流道等结构参数和水力参数,分析井底围压、钻头体流道结构、喷嘴与喉管直径、分流流量比、分流喷嘴距井底的位置、钻头与井壁的间隙等各因素对钻头分流降低井底压力的影响规律,无因次压降最大可达到0.26。应用附壁式双稳射流元件进行协调式脉动分流,无因次压降可达0.5,降压效果优于连续性分流。根据数值模拟所用的钻头及井筒模型设计实验工具进行实验,分析围压、分流流量比、分流喷嘴距井底的位置、钻头与井壁的间隙等各因素对分流降压效果的影响,无因次压降最大可达到0.35,实验结论与数值模拟结果相一致。最后,应用PDC钻头设计软件,结合数值模拟和室内实验的结论,进行分流钻头结构和水力参数设计,为新型高效钻头的进一步研发奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 研究内容
• 1.3 研究方法
• 第二章 井底负压提高钻速技术及研究现状
• 2.1 井底负压提高钻速机理
• 2.1.1 井底负压降低岩石的破碎强度
• 2.1.2 井底负压促进岩屑脱离井底
• 2.2 井底负压提高钻速技术的研究概况
• 2.2.1 射流式水力降压技术的研究
• 2.2.2 涡流效应降低井底压力技术的研究
• 2.2.3 负压脉冲射流钻井技术的研究
• 2.3 本章小结
• 第三章 钻头分流降低井底压力的数值模拟
• 3.1 FLUNET 软件简要介绍
• 3.1.1 FLUNET 软件组成部分
• 3.1.2 网格技术
• 3.2 几何建模与网格划分
• 3.2.1 分流钻头计算模型的设计
• 3.2.2 网格划分
• 3.3 求解模型的建立
• 3.3.1 确定湍流模型
• 3.3.2 紊流模型
• 3.3.3 控制方程及离散方法
• 3.4 计算条件及边界条件的设置
• 3.4.1 计算条件设置
• 3.4.2 边界条件设置
• 3.5 钻头分流降低井底压力的数值模拟结果
• 3.5.1 分流流道结构对井底降压效果的影响
• 3.5.2 分流喷嘴与流道直径关系对井底降压效果的影响
• 3.5.3 分流喷嘴位置对井底降压效果的影响
• 3.5.4 井底液柱压力对降压效果的影响
• 3.5.5 钻井液分流流量比对井底降压效果的影响
• 3.5.6 钻头与井壁的间隙对井底降压效果的影响
• 3.6 协调式脉动分流的数值模拟
• 3.6.1 协调式脉动分流的基本思想
• 3.6.2 几何建模及网格划分
• 3.6.3 计算条件及边界条件的设置
• 3.6.4 数值模拟结果分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 钻头分流降低井底压力的实验研究
• 4.1 实验目的
• 4.2 实验装置及实验过程
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 实验工具的设计加工
• 4.2.3 实验过程
• 4.3 实验记录
• 4.4 实验分析
• 4.4.1 井底压差与井壁间隙的关系
• 4.4.2 井底压差与围压的关系
• 4.4.3 井底压差与分流喷嘴位置的关系
• 4.4.4 井底压差分流流量比的关系
• 4.5 本章小结
• 第五章 分流钻头的设计
• 5.1 分流钻头的结构设计
• 5.1.1 剖面设计
• 5.1.2 布齿设计
• 5.1.3 保径设计
• 5.2 水力结构设计
• 5.2.1 喷嘴设计
• 5.2.2 分流流道设计
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢