径向钻井倾斜井底高压水射流流场分析.pdf

2 0 1 3年第 4 1 卷第 5期 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MACHI NE RY 一1 9 一 ． ． 钻井技术与装备 径 向钻井倾斜井底高压水射流流场分析 易松林 汪志 明 1 ．中国石油大学 易先 中 吉源强 刘利军 北京 2 ．长江大学机械工程学院 摘要为了对径向钻井倾斜井底高压水射流的流场进行研究，建立了三维单喷嘴水射流井底 模型，采用F l u e n t 软件对模型的流场结构进行了数值模拟分析。分析结果表明，径向钻井高压水 射流喷嘴外部流场 中存在 “ 负压效应” 和 “ 水垫现象” ，负压的存在有利于射流从喷嘴 内部流出， 水垫会对喷头的推进产生阻碍作用；当径 向钻井临时井底倾斜角度 为0 。 时，射流到达井底后沿井 底壁面中心向外对称流动，但随着井底墙壁倾斜角度 的增大，由于倾斜井底 的引流作用，大部分 流体会沿着井底倾斜的方向流动，并且沿倾斜方向的流速较大 ；径 向钻井中，如果井底是倾斜的， 则沿着井底倾斜方向的压力比井底另一侧高。 关键词径向钻井；倾斜井底；高压水射流；单喷嘴；负压效应；水垫层；流场分析 中图分类号T E 9 2 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 0 5 An a l y s i s o f Hi g h Pr e s s u r e W a t e r J e t F l o w Fi e l d a t I n c l i n e d Bo t t o mho l e i n Ra di a l Dr i l l i n g Y i S o n g l i n Wa n g Z h i mi n g Y i X i a n z h o n g J i Y u a n q i a n g L i u L i j u n 1 ． C h i n a U n i v e r s i t y o fP e t r o l e u m， B e lti n g 2 ． C o l l e g e ofMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Y a n g t z e U n i v e r s i t y A b s t r a c t T o a n a l y z e t h e fl o w fi e l d o f h i g h p r e s s u r e w a t e r j e t a t i n c l i n e d b o t t o mh o l e i n r a d i a l d r i l l i n g ， t h e t h r e e - d i me n s i o n a l b o t t o mh o l e mo d e l o f s i n g l e ． n o z z l e wa t e r e t w a s e s t a b l i s h e d ． T h e F l u e n t s o f t wa r e wa s a d o p t e d t o c o n d u c t a n u me ric al s i mul a t i o n a na l ys i s o f t h e fl o w fie l d s t r u c t ur e o f t he mo d e 1 ． Th e a na l y s i s s h o ws t h a t t h e r e e x i s t‘ ‘ ne g a t i v e p r e s s u r e e f f e c t ”a n d“ w a t e r c u s h i o n p h e n o m e n o n ”i n t h e e x t e r n a l fl o w fi e l d o f r a d i a l d r i l l i n g h i g h p r e s s u r e w a t e r j e t n o z z l e ． T h e e x i s t e n c e o f n e g a t i v e p r e s s u r e i s f a v o r a b l e t o t h e j e t fl o w i n g o u t o f t h e n o z z l e ． T h e w a t e r c u s h i o n w i l l b e a b a r r i e r t o t h e a d v a n c e me n t o f t h e n o z z l e ． W h e n t h e t e mp o r a r y b o t t o mh o l e a n g l e o f i n c l i n a t i o n i n r a d i a l d ri l l i n g i s o ．t h e j e t r e a c h e s t h e w e l l b o t t o m a n d t h e n f o l l o w s a s y mme t r ic a l o u t wa r d fl o w a l o n g t h e b o t t o mh o l e w al1 c e n - t e r ．Bu t wi t h t h e i n c r e a s e o f b o t t o m wa l 1 t i l t mo s t o f t he flu i d wi l 1 f l o w i n t he d i r e c t i o n o f b o t t o m t i l t d u e t o t h e d i v e r s i o n e f f e c t o f i n c l i n e d b o t t o m． A n d t h e fl o w r a t e i n t h e i n c l i n e d i r e c t i o n i s r e ma r k a b l e ． T h e p r e s s u r e i n t h e d i r e c t i o n o f b o t t o m t i l t i S h i g h e r t h a n t h a t o n t h e o t h e r s i d e i n r a d i a l d r i l l i n g i f t h e b o t t o mh o l e i s i n c l i n e d ． Ke y wo r d s r a d i a l d r i l l i n g ；i n c l i n e d b o t t o mh o l e ；h i g h p r e s s u r e w a t e r j e t ；s i n g l e n o z z l e ；n e g a t i v e p r e s s u r e e f f e c t ； wa t e r c u s h i o n l a y e r flo w fie l d a n a l y s i s O 言 径向钻井高压水射流技术是利用高压水射流在 同一 口井的同一个油层或不同油层 内沿径 向钻出 1 个以上的水平井 眼 卜 。当前 国内、外对径 向钻井 高压水射流单孔喷嘴垂直射流的二维简化模型研究 较多，但是由于井底环境复杂 ，加上钻井时管柱的 基金项目国家自然科学基金委员会一 中国石油天然气集团公司石油化工联合基金资助项目 “ 钻柱托压效应的振动释放机理与特征” U 1 2 6 2 1 0 8 ；国家自然科学基金项目 5 1 1 7 4 0 3 5 、5 0 9 7 4 0 2 3 、5 0 8 7 4 0 1 9 ；国家科技重大专项课题 “ 复杂结构井优化设计与控制关键技术” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 0 9 0 0 5 。 弓 一 2 4～ 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1 卷第 5期 3 结 论 1 径向钻井高压水射流喷嘴外部流场中存在 “ 负压效应”和 “ 水垫现象” 。负压有利于射流从喷 嘴内部流出，水垫会对喷头的推进产生阻碍作用。 2 当径 向钻井的临时井底倾斜角度为 0 。 时 ， 射流到达井底后沿井底壁面中心向外对称流动 ，但 随着井底墙壁倾斜角度的增大 ，由于倾斜井底的引 流作用 ，大部分流体会沿着井底倾斜的方 向流动 ， 并且沿倾斜方向的流速较大。 3 在喷 嘴外部 流场 中会 产生漩 涡 和 回流 ， 井底墙壁倾角为 0 。 时，会产生 2个关于喷 嘴轴线 对称的漩涡；当井底有倾角时 ，沿井底墙壁中心分 布着 2个大小不一 的漩涡 ，并且沿着井底墙壁倾斜 方向的漩涡大 ，其旋流强度也较另一个大。 4 射流快靠近井底 时，射流的动能转化为 对井底的冲击力 ，使井底墙壁上的压力有上扬 的趋 势 ，并且喷距越小、井底倾斜角度越大，压力上扬 的趋势越明显 ，从破岩的角度来说 ，这种上扬的趋 势越大越有利。 5 在径向钻井 高压水射流 中，如果井底是 倾斜的，则沿着井底倾斜方 向的压力 比井底另一侧 高 ，这是因为沿井底倾斜方 向的速度大，当射流沿 临时井底返 回时 ，由于水平井壁的阻滞作用 ，射流 的动能转化为压力能 ，所以对井底倾斜方向的那一 侧压力大。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 参考文献 易松林 ，汪志明 ，刘 旭辉 ．两种 径向水平钻 井技术 特点与应用分析 [ C]∥第三届油气 田开发技术大 会暨2 0 0 9年天然气学术年会 ． 2 0 0 9 8 0 78 1 2 ． 易松林，李雪辉，贺会群 ，等 ．径向水平钻井技术 研究 [ C ]∥中国石油学会石油工程专业委员会钻 井工作部 2 0 0 5年学术研讨会暨第五届石油钻井院所 长会议 ．北京 机械工业 出版社 ，2 0 0 5 4 8 9 4 9 6 ． 沈忠厚 ．水射流理论与技术 [ M]．东营石油大 学 出版社 ，1 9 9 8 ． 张佐刚．磨料射流近井地层处理技术的理论及参数 的研究 [ D]．阜新辽宁工程技术大学 ，2 0 0 6 ． 杨国来，周文会，刘肥 ．基于 F L U E N T的高压水 射流喷嘴的流场仿真 [ J ]．兰州理工大学学报， 2 0 0 8 ，3 4 2 4 95 2 ． 徐依吉．超高压水射流理论与应用基础研究 [ D]． 成都西南石油学院，2 0 0 4 ． 第一作者简介 见本刊 2 0 1 3年第 3期。 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 2 9 本文编辑王 刚庆 上接第 1 8页 [ 7 ] 参考文献 中国石油钻井 编辑委员会 ．中国石油钻井综 合卷 [ M]．北京石油工业出版社，2 0 0 7 ． 陈庭根，管志川，刘希圣 ．钻井工程理论与技术 [ M]． 东营石油大学出版社，2 0 0 0 ． 高德利 ． 钻井科技发展的历史回顾现状分析与建议 [ J ]．石油科技论坛，2 0 0 4 2 2 9 3 9 ． 沈崇棠，刘鹤年 ．非牛顿流体力学及其应用 [ M]． 北京高等教育出版社，1 9 8 9 4 1 5 4 ． 韩洪升，魏兆胜 ． 石油工程非牛顿流体力学 [ M]． 哈尔滨哈尔滨工业大学出版社，1 9 9 3 1 1 61 4 5 ． He r s c h e l W H， B u l k l e y R． Me a s u r e me n t o f c o n s i s t e n c y a s a p p l i e d t o r u b b e r b e n z e n e s o l u t i o n s 2 9 t h An n u a l Me e t i n g o f t h e Ame ri c a n S o c i e t y T e s t i n g Ma t e ri a l s At l a n - t i c C i t y ，J u n e ，1 9 2 6[ C]． P r o c ．A S T M，1 9 2 6 ，2 6 Ⅱ6 2 16 3 3 ． 胡茂炎，尹文斌 ，郑秀华，等 ．钻井液流变参数计 算方法的分析及流变模式的优选 [ J ]．探矿工程 岩土钻掘工程 ，2 0 0 4 7 4 1 4 5 ． [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] 张晋凯，李根生 ．连续油管螺旋段摩阻压耗数值模 拟 [ J ]．中国石油大学学报自然科学版，2 0 1 2 ， 3 6 2 1 1 51 1 9 ． 韩占忠，王敬，兰小平 ． F l u e n t 流体工程仿真 计算实例与应用 [ M]． 2版 ．北京北京理工大学 出版社 ，2 0 0 5 ． 高学平 ．高等流体力学 [ M]．天津天津大学出 版社 ，2 0 0 5 ． 王福军 ．计 算流体 动力 学分 析C F D 软件 原理 与应用 [ M]．北 京清华大学 出版社，2 0 04 1 2 21 2 6 ． K i t o h 0 ． E x p e r i me n t a l s t u d y of t u r b u l e n t s w i d i n g fl o w i n a s t r a i g h t p i p e[ J ]． J ． F I u i d Me c h ，1 9 9 1 ，2 2 5 4 454 79 ． 第一作者简介张晋凯 ，生于 1 9 8 0年，现为中国石油 大学 北京在读博士研究生，主要从事油气井流体力学 与工程方面的研究工作。地址 1 0 2 2 4 9 北京市昌平区。E ma i l b o b 3 3 1 6 3 ． c o m。 收稿 日期 2 0 l 3 0 21 9 本文编辑刘峰 ] {1 J 1 J 1 J