鱼骨刺井水力钻头与水力参数优化设计

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鱼骨刺井有很多钻进方式,其中一种是通过水力破岩方式,利用小直径钻管水力喷射破岩,实现定向、定点、定长造孔,是一种高效、精准连通油气藏的完井增产技术。将增产作用变为钻井作业的一部分,在储层中形成多个分支,增加储层裸露面积,无需下套管、固井、压裂等环节,是一种处于压裂投产和自然建产之间的新型完井方式,应用前景广阔。由于一次性钻出的分支众多,如何提高射流破岩效率以及优选水力参数配合就成为了重要的研究课题。首先,在对射流结构特性进行理论分析的基础上,确定采用旋转射流破岩钻进方式进行鱼骨刺井的钻进,并对旋转射流破岩机理及过程进行了模拟研究。结果表明旋转射流的流场最大速度并不在轴心,而是在距离轴心一定的环形位置,射流呈明显的扩散状,从而使得破岩面积扩大,并形成锥形孔眼,破岩效率高。其扩散角、喷距、射流速度等均对破岩面积和破岩效率产生明显影响。之后,通过室内破岩实验研究了叶片数量、叶轮出口角、叶片长度、叶片几何形状、入口直径、出口直径和扩散角等叶轮的结构参数以及喷嘴结构参数对射流结构特性及破岩效果的影响,据此进行了水力钻头优化设计、加工和综合破岩实验。综合破岩孔径和破岩深度,确定了破岩效果最好的N11B型水力钻头为本实验条件下的最优结构。再根据优选出的水力钻头,分别对水力钻头的压降、喷距、磨料类型、磨料粒径、磨料体积分数考虑,进行破岩实验,优选水力参数。最后,再通过不同岩性的岩石(固体水泥石、辉绿岩、花岗岩与粗砂岩)进行综合破岩实验,为进一步优选水力参数提供了依据。最后,依据鱼骨刺井的结构及钻进要求,在水力钻头室内破岩实验的基础上,以破岩钻进速度为目标函数,综合考虑鱼骨刺井全程流动压耗,设计了一套鱼骨刺井水力参数的计算方法,并编制了相应的设计软件。本文通过数值模拟与实验研究相结合的方式,设计了旋转射流水力破岩钻头,并通过室内破岩实验,优选了水力钻头的结构参数,结合地面泵压和排量的情况以及鱼骨刺井的实际情况,设计水力参数计算模型并编制了鱼骨刺井水力参数程序,为鱼骨刺井的工程施工提供了技术支撑。
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