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超高压水射流理论与应用基础研究

徐依吉  
【摘要】:高压、超高压水射流在石油工程中的应用越来越受到人们的广泛重视,超高压射流是近年来发展起来的一种新技术,超高压射流流动规律的系统研究在国内外几乎还是空白。本论文使用理论分析、数值模拟和实验研究等手段,全面系统的研究了超高压射流的流动规律和水力参数,成功地解决了高压、超高压射流水力破岩参数优选的关键问题,首创了一种高效清洗水泥堵塞油管新技术,实验室研究和现场试验取得了突破性进展。 根据流体力学基本原理采用大涡模拟方法、高雷诺数K-ε方程和Simple算法,分析了单喷嘴及组合喷嘴超高压淹没射流喷嘴出口的射流和井底流场结构特性,模拟的射流和速度为200-450m/s。模拟计算表明,超高压射流结构具有自模性和相似性;超高压射流等速核长度为8-10倍喷嘴直径,超高压射流撞击井底流场由自由射流区、冲击区、漫流区、旋涡区和返流区组成:倾斜喷嘴射流井底漫流层变厚,有利于清洗岩屑。 利用射流动力学原理,对常用锥形喷嘴射流破碎岩石规律进行了实验研究。实验结果表明,锥形喷嘴射流冲蚀岩石的最优喷距应超过等速核长度,一般为7-12倍喷嘴直径:射流冲蚀岩石的最优喷距还与喷嘴入口锥角及内流道圆柱段长度有关,与冲蚀时间无关,入口锥角为60°,圆柱段长度为2倍喷嘴直径的喷嘴和入口锥角为13°30,圆柱段长度为5倍喷嘴直径的喷嘴冲蚀岩石效果较好。 在前人研究基础上,分析了水力破岩和水力与机械联合破岩原理及有关参数的影响规律,设计制作了水力与机械联合破岩模拟钻头,实验测试了射流压力、旋转速度等参数对破岩效果的影响。实验结果表明,在相同条件下,超高压射流钻头比常规机械钻头破岩效率提高2~3.6倍。 在系统研究高压、超高压射流特性和水力破岩规律的基础上,首创了利用超高压水射流清洗水泥堵塞油管和MTC堵塞钻杆新技术,并设计制造了专用工具和设备。该技术在胜利油田孤东采油厂、胜利油田钻井二公司等单位地面现场实验,取得了极大成功,现已清洗堵塞油管68000多米,平均清洗速度38米/时,清洗堵塞钻杆2500米,平均清洗速度达28.5米/时,为油井井下破岩提供了一种高效新技术,开辟了超高压射流新技术的研究和应用领域。


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