深水钻井喷射下导管技术水力参数优化

摘要

深水钻井喷射下导管技术是深水浅层钻进不可缺少的技术之一，安全高效的喷射钻进是工程中最关心的问题。本文对排量、钻头伸出量、喷嘴角度等喷射下导管水力参数的优化方法进行了研究。 结合喷射下导管技术的特点，综合考虑携岩能力、下入速度、井壁稳定性、水力开口直径、喷射深度等因素，提出了排量、钻头伸出量、喷嘴角度等参数的优化方法，在射流理论的基础上，建立深水钻井喷射下导管技术水力参数的优化模型；用ABAQUS软件模拟了不同的因素对水力开口直径及喷射深度的影响规律；通过室内实验方法，研究了排量、钻头伸出量、喷嘴角度对土体的影响规律并对理论研究结果进行应用和验证。 研究结果表明：破岩体积与排量的平方成正比，携岩体积与排量成正比关系；其他参数不变时，单位时间内破岩体积与喷嘴角度的关系为△V ~(1-cosθ)；通过对实验及参考文献的数据分析，表明了建立的两个钻头伸出量临界值计算模型，对钻头的伸出量设计具有指导作用；利用ABAQUS软件对喷射下导管进行了数值模拟，得到了不同变量对土层应力场位移场的影响规律。模拟结果表明，射流产生的应力场位移场的最大值位置与管鞋之间的距离随着钻头伸出量增加而变大；通过室内模拟实验下入速度与排量的关系及结果分析，得出了实验条件下合理排量范围的确定方法，合理排量范围为6.06L/min~42L/min，基于相似原理，36in导管的合理排量范围是10.3L/s~70L/s（本文的合理排量范围是在研究的目标土层及实验条件下得到的，现场的排量范围还需要根据具体土层资料进行确定）；根据实验得到了下入速度与钻头伸出量关系，下入速度存在两个明显变化的位置：钻头伸出量增大至 △H1时，下入速度开始迅速增大；钻头伸出量为增加至 △H2，下入速度增加缓慢直至不再增加；数值模拟及实验结果表明：喷嘴角度对导管下入速度有重要影响，在满足导管稳定性要求的条件下，优化的喷嘴角度为45°~60°。

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摘 要

Abstract

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第一章 绪 论

1.1 课题的背景和研究意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3喷射下导管技术概述

1.3.1喷射下导管技术原理

1.3.2喷射下导管技术特点

1.4课题的研究内容及拟解决的关键问题

1.4.1 课题的研究内容

1.4.2 拟解决的关键问题

第二章 喷射下导管水力参数优化设计理论分析

2.1水射流喷射钻进理论

2.1.1 影响水射流破土效果的因素及对土体的破坏作用

2.1.2喷嘴射流冲击力

2.1.3射流沿程压力分布

2.1.4土体临界破坏压力

2.1.5水射流破土方程

2.1.6 射流临界长度

2.2排量的理论分析

2.2.1排量携岩能力

2.2.2安全钻进

2.3钻头伸出量的理论分析

2.4喷嘴角度的理论分析

2.5本章小结

第三章 喷射下导管水力参数数值模拟分析

3.1ABAQUS理论基础

3.2模拟原理

3.2.1条件假设

3.2.2模型建立

3.3排量模拟结果及分析

3.3.1模型模拟云图

3.3.2结果分析

3.4伸出量模拟结果及分析

3.4.1模型模拟云图

3.4.2结果分析

3.5喷嘴角度模拟结果及分析

3.5.1模型模拟云图

3.5.2结果分析

3.6本章小结

第四章 喷射下导管水力参数的实验研究

4.1喷射下导管水力参数实验

4.1.1实验设计

4.1.2 实验方法及步骤

4.1.3 实验结果及分析

4.2水力参数优化方法的实例应用

4.3本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士期间获得的学术成果

致 谢