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油气井射孔对固井水泥环损伤范围的试验

中国石油大学学报（自然科学版） 2022年第3期46卷 81-88页

作者：闫炎管志川王庆许玉强廖华林太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030600 中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580 中国石油集团工程技术研究院有限公司北京102206

射孔弹起爆后侵彻井筒与地层的同时,同样会破坏孔道周围的套管与水泥环。一旦水泥环出现微裂缝或固井界面出现微环隙将会在后续开发过程中诱发环空窜流。针对此问题,基于螺旋射孔方式,采用4种型号射孔弹进行大型射孔打靶试验,分析射孔... 详细信息

射孔弹起爆后侵彻井筒与地层的同时,同样会破坏孔道周围的套管与水泥环。一旦水泥环出现微裂缝或固井界面出现微环隙将会在后续开发过程中诱发环空窜流。针对此问题,基于螺旋射孔方式,采用4种型号射孔弹进行大型射孔打靶试验,分析射孔后水泥环与固井界面的破坏特征,并讨论两种水泥浆配方下射孔弹装药量、射孔密度对井筒局部失封范围的影响。结果表明水泥环内锥形孔道周围齿状微裂纹发展区域靠近固井二界面;孔道周围套管与水泥环形变能力的差异形成一界面马鞍形的脱黏区域;采用小药量射孔弹、降低射孔密度、改善水泥浆配方可减小水泥环内部损伤范围与界面脱黏区域,利于后期压裂过程中井筒密封完整性的保持。

关键词：螺旋射孔水泥环损伤范围裂缝密封完整性

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水力切割模拟水合物储层成孔特性试验

中南大学学报（自然科学版） 2022年第3期53卷 924-932页

作者：廖华林王鄂川董林牛文龙牛继磊戴子健闫传梁非常规油气开发教育部重点实验室山东青岛266580 中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580 中国石油集团海洋工程有限公司北京100028

为了探究水力割缝技术对于天然气水合物储层改造的适用性,开展了模拟水合物储层的地面水力割缝模拟试验。采用大尺寸试样,分析了喷射压力、喷嘴直径和加砂体积分数对套管及模拟试样的割缝形态、成孔特征以及破坏形式的影响。研究结果表... 详细信息

为了探究水力割缝技术对于天然气水合物储层改造的适用性,开展了模拟水合物储层的地面水力割缝模拟试验。采用大尺寸试样,分析了喷射压力、喷嘴直径和加砂体积分数对套管及模拟试样的割缝形态、成孔特征以及破坏形式的影响。研究结果表明:水力喷射切割过程中,由于高压射流的冲击力及冲蚀作用,模拟水合物储层中形呈近似椭圆锥体孔眼,内表面凹凸,并出现裂缝、凹坑及其他不规则形状;近喷嘴端孔眼会形成冲蚀空腔,孔眼直径较大,而随着孔眼深度增加,孔眼直径逐渐缩小;模拟水合物储层在水力切割后呈现破碎、不规则冲蚀、扩孔、冲刷、侧向裂缝等多种复杂破坏形式,比常规砂岩、煤岩的破坏形式更为复杂;孔眼深度随着喷嘴直径增加先增大后减小,而孔眼深度随着喷射压力逐渐增大;当喷射压力为25 MPa,喷嘴直径为5 mm,含砂体积分数为6%时,可形成深度约92 cm,最大直径约为14 cm的椭圆形孔眼;在套管与水合储层直接接触条件下,切割套管缝宽受喷嘴直径、喷射压力和加砂体积分数的影响,缝长主要由喷嘴移动距离决定。射流对水合物储层的破坏作用影响因素多,不仅与水射流及冲蚀条件有关,还与水合物储层的物化性质密切相关。

关键词：天然气水合物水力割缝孔眼形态成孔机制喷嘴直径

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高压水射流井底切槽应力卸载特性

石油学报 2022年第9期43卷 1325-1333页

作者：廖华林王华健牛继磊魏俊牛文龙刘建胜中国石油大学(华东)石油工程学院/非常规油气开发教育部重点实验室山东青岛266580

深井/超深井岩石应力大造成的岩石强度升高是导致钻头磨损快、钻井效率低的主要原因之一。高压水射流技术由于可以大幅度提高机械钻速而被广泛应用于钻井工程领域。传统高压水射流破岩理论认为水射流能够起到清岩和辅助破岩的作用,但水... 详细信息

深井/超深井岩石应力大造成的岩石强度升高是导致钻头磨损快、钻井效率低的主要原因之一。高压水射流技术由于可以大幅度提高机械钻速而被广泛应用于钻井工程领域。传统高压水射流破岩理论认为水射流能够起到清岩和辅助破岩的作用,但水射流形成的凹槽对井底岩石应力状态分布的影响一直没有引起足够的重视。结合钻头与高压水射流联合破岩过程,提出了高压水射流井底切槽应力卸载方法。基于Biot多孔弹性力学理论,建立了深部岩层物理模型,分析了不同井深、地应力状态、井底压差条件下岩石有效应力的分布形态和切槽应力的卸载程度;结合不同围压条件下花岗岩的力学特性,使用自定义岩石抗压强度函数分析了井底切槽对岩石强度分布特征的影响规律。研究结果表明:随着井深的增加,应力卸载效率不断升高,井底轴线处有效应力卸载效率在70%以上,井底周围有效应力卸载效率约为50%;钻井液压力的升高减小了应力卸载效率,且井底轴线处应力卸载效率受钻井液压力的影响较大;水射流切槽显著降低了井底轴线处岩石的强度,卸载效率达50%以上,井底周围岩石强度卸载效率约为30%;井底凹槽的存在释放了岩石的有效应力,并将井底岩石应力集中于区域推离切削面,从而降低了钻头作用区域的应力值,在一定程度上降低了岩石的强度,进而提高机械钻速。

关键词：深井/超深井高压水射流切槽应力卸载多孔弹性井底应力场

围压条件下空化磨料射流的冲蚀特性与机制分析

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高压物理学报 2012年第5期26卷 590-594页

作者：廖华林牛继磊易灿中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室北京102249

磨料射流在水利水电、石油工程和海洋资源开发等领域有着广泛的应用,研究射流的冲蚀特性和破坏物料机制对提高水射流利用效率具有重要意义。利用自行研制的实验装置,研究了围压条件下自振空化、文丘里和锥形3种喷嘴形成的磨料射流冲蚀特... 详细信息

磨料射流在水利水电、石油工程和海洋资源开发等领域有着广泛的应用,研究射流的冲蚀特性和破坏物料机制对提高水射流利用效率具有重要意义。利用自行研制的实验装置,研究了围压条件下自振空化、文丘里和锥形3种喷嘴形成的磨料射流冲蚀特性,分析了空化磨料射流冲蚀物料的机制。结果表明:自振空化喷嘴和文丘里喷嘴的冲蚀效果优于锥形喷嘴,空化作用有助于提高磨料射流的冲蚀效果;磨料射流的冲蚀效率随围压的增大而降低,主要原因是围压对纯水射流和空化磨料射流的压力脉动和冲击力具有抑制作用。分析认为,空化磨料射流冲蚀破碎物料的机制主要包括冲蚀、气蚀和共混磨蚀3种作用。

关键词：磨料射流空化效应围压物料破坏

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三向应力下砾岩的动力学特性及能耗分析

中国石油大学学报（自然科学版） 2023年第4期47卷 102-110页

作者：魏俊廖华林梁红军李宁高富成张端瑞陈龙冯惠非常规油气开发教育部重点实验室(中国石油大学(华东)) 山东青岛266580 中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580 中国石油塔里木油田公司新疆库尔勒841000 辽河油田公司勘探事业部辽宁盘锦124010

塔里木油田库车山前巨厚砾石层钻井井底岩石处于冲击与地应力的复杂载荷状态,是制约该区块钻井效率的主要难题,探明三向应力条件下砾岩的动载力学特性与能耗规律是砾石层破岩提速的关键。通过真三轴霍普金森压杆试验分析中等应变率下砾... 详细信息

塔里木油田库车山前巨厚砾石层钻井井底岩石处于冲击与地应力的复杂载荷状态,是制约该区块钻井效率的主要难题,探明三向应力条件下砾岩的动载力学特性与能耗规律是砾石层破岩提速的关键。通过真三轴霍普金森压杆试验分析中等应变率下砾岩的动载强度与变形特征,研究动载应变率对砾岩力学特性及能耗规律的影响。结果表明:冲击载荷下砾岩抵抗变形的能力随应变率的提高显著增强,试样的破坏时间缩短,应力增长速率提高,强度和破坏应变增加。构建三向应力下岩石的动载损伤本构模型和能耗模型,得到中等应变率下岩石的动载强度、破坏时间和能耗特征与加载应变率呈幂函数关系,该模型计算结果与砾岩的试验测试结果吻合度较高,表明所建立的模型可准确描述砾岩的动载破坏过程,从而为深部砾石层钻井破岩过程研究提供参考。

关键词：砾岩真三轴霍普金森试验冲击载荷动力学特性能耗模型

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真三轴条件下砾岩力学特性试验

中国石油大学学报（自然科学版） 2022年第5期46卷 81-89页

作者：魏俊廖华林王华健陈敬凯李宁梁红军张端瑞刘川福滕志想非常规油气开发教育部重点实验室(中国石油大学(华东)) 山东青岛266580 中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580 中国石油大学(华东)机电工程学院山东青岛266580 中国石油塔里木油田公司新疆库尔勒841000

塔里木盆地库车山前构造带油气资源丰富,开发潜力巨大,地质条件复杂且发育有巨厚砾石层,砾石体积分数高、强度大、分布范围广,导致钻遇岩层非均质性强、地应力高,极大地提高了钻井难度,降低了破岩效率,严重制约了开发进程。为研究不同... 详细信息

塔里木盆地库车山前构造带油气资源丰富,开发潜力巨大,地质条件复杂且发育有巨厚砾石层,砾石体积分数高、强度大、分布范围广,导致钻遇岩层非均质性强、地应力高,极大地提高了钻井难度,降低了破岩效率,严重制约了开发进程。为研究不同载荷状态下砾岩的强度及破坏特征,采用砾岩露头开展真三轴试验,并对试样进行CT扫描。结果表明:三向载荷作用下砾岩的破坏过程及其强度特征受水平主应力影响显著,主要表现为脆性破坏,强度随水平主应力呈线性增长,而真三轴弹性模量受水平主应力影响较小,且其平均值小于单轴弹性模量;受砾岩非均质性和组分强度差异影响,基质的变形导致砾石颗粒承受力矩并形成剪切破坏和裂纹绕砾发展,最终导致砾岩的宏观破坏。

关键词：砾岩真三轴试验强度特征 CT扫描破坏机制

径向水平钻孔直旋混合射流钻头设计与破岩特性

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煤炭学报 2013年第3期38卷 424-429页

作者：廖华林李根生牛继磊黄中伟中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室北京102249

为解决高压水射流径向水平钻孔时孔径和孔深相互矛盾的问题,设计了一种兼具直射流和旋转射流特点的直旋混合射流钻头。给出了射流钻头设计方法,通过破岩实验,分析了直旋混合射流钻头结构对其破岩特性的影响。结果表明,直旋混合射流结合... 详细信息

为解决高压水射流径向水平钻孔时孔径和孔深相互矛盾的问题,设计了一种兼具直射流和旋转射流特点的直旋混合射流钻头。给出了射流钻头设计方法,通过破岩实验,分析了直旋混合射流钻头结构对其破岩特性的影响。结果表明,直旋混合射流结合了直射流和旋转射流优点,比锥形喷嘴圆直射流扩孔能力强,比纯旋转射流钻孔深度大。影响直旋混合射流钻头破岩效果的结构参数较多,存在最优破岩效果结构参数,可通过不同参数组合调节破岩钻孔特征。需要进一步开展流场结构与破岩机理分析,为径向水平钻孔中射流钻头的设计提供更好的指导。

关键词：径向水平井水射流钻头设计破岩

淹没条件下超高压水射流破岩影响因素与机制分析

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岩石力学与工程学报 2008年第6期27卷 1243-1250页

作者：廖华林李根生牛继磊中国石油大学石油工程学院山东东营257061 中国石油大学石油工程教育部重点实验室北京102249

超高压水射流辅助破岩是提高机械钻速的有效途径,水射流破岩效果影响因素及机制研究是其关键之一。选取100～200 MPa共5档驱动压力和3种岩样,实验研究淹没条件下水射流驱动压力、喷距、作用时间和喷射角4个因素对冲蚀切割破岩效果的宏... 详细信息

超高压水射流辅助破岩是提高机械钻速的有效途径,水射流破岩效果影响因素及机制研究是其关键之一。选取100～200 MPa共5档驱动压力和3种岩样,实验研究淹没条件下水射流驱动压力、喷距、作用时间和喷射角4个因素对冲蚀切割破岩效果的宏观影响规律。采用全解耦流固耦合数值分析方法,对超高压射流破岩过程中耦合系统应力场进行计算,建立岩石宏观断裂规律与微观破坏机制间的联系。研究表明,淹没条件下超高压水射流冲蚀切割破岩存在最优喷距和喷射角:100 MPa时最优喷距约为15倍喷嘴直径,200 MPa时约为20倍喷嘴直径,随压力的增加而增加;最优喷射角为12°～14°。超高压水射流作用下岩石的破坏发生在毫秒量级,主要是拉伸和剪切破坏作用,是由射流冲击应力所造成。研究可为超高压射流辅助钻井技术中水力参数优选及钻头设计提供参考依据。

关键词：采矿工程超高压水射流切割破岩数值模拟破岩机制

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径向水平钻孔直旋混合射流喷嘴流场特性分析

煤炭学报 2012年第11期37卷 1895-1900页

作者：廖华林李根生李敬彬牛继磊中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室北京102249

为解决高压水射流径向水平钻孔时孔径和孔深相互矛盾的问题,设计了一种兼具直射流和旋转射流特点的直旋混合射流喷嘴。运用数值模拟方法,采用RNG k-ε湍流模型对所设计喷嘴的内外流场进行了三维流动特性分析,运用高速摄影对射流结构和... 详细信息

为解决高压水射流径向水平钻孔时孔径和孔深相互矛盾的问题,设计了一种兼具直射流和旋转射流特点的直旋混合射流喷嘴。运用数值模拟方法,采用RNG k-ε湍流模型对所设计喷嘴的内外流场进行了三维流动特性分析,运用高速摄影对射流结构和破岩特征进行了对比。结果表明,直旋混合射流喷嘴所形成的射流具有直射流和旋转射流特征,比锥形直射流喷嘴扩孔能力强、比旋转射流喷嘴钻孔深度大。直旋混合射流的轴向速度与直射流相比不存在等速核,与旋转射流相比轴心速度高,能够形成一定的钻孔深度,不会形成孔底锥起;切向速度沿喷嘴径向呈现"M"型分布,能形成较大的孔径;径向速度呈轴对称分布,存在明显的漫流层,有助于岩屑的脱离。流场特性模拟结果与实际破岩钻孔特征基本一致。

关键词：直旋混合射流冲击流场径向水平井 RNGk-ε湍流模型