牙輪鉆頭井底流場研究

姜海成(大慶鉆探集團鉆井二公司 黑龍江大慶 163000)

三牙輪鉆頭的研制始于上個世紀中期，隨著三牙輪鉆頭不斷的發展、改進和應用，三牙輪鉆頭的結構和參數，也在不斷的發生變化。其中關于牙輪鉆頭井底流場的研究，以及射流輔助鉆頭破巖理論的研究也得到了飛速的發展。隨著對石油鉆井速度提高需求的不斷加大，現有的牙輪鉆頭井底流場已經不能滿足現場的需要，如果牙輪鉆頭的工作流場不合適，很容易造成牙輪鉆頭的提前破壞，增加了牙輪鉆頭在井下發生事故的概率。由于牙輪鉆頭的結構復雜，組成部件多，而且井下條件復雜多變，導致牙輪鉆頭井底流場較為復雜。鉆井液通過鉆桿流向鉆頭后，在鉆頭內部變徑和表面不規則的位置，會產生大量的漩渦，在巖屑上返過程中，如果牙輪鉆頭的井底流場不合適，鉆頭形成的巖屑會得不到及時的上返，很容易造成牙輪鉆頭的損壞。如果牙輪鉆頭噴嘴的射流參數設計不合理，容易造成射流和射流之間的相互干擾，嚴重的影響了牙輪鉆頭井底流場的質量，造成的射流能量的額外損耗，大大的降低了射流輔助鉆頭機械破巖的效果，因此需要不斷的加強牙輪鉆頭井底流場研究。

一、牙輪鉆頭井底流場分析

多數牙輪鉆頭給巖屑和鉆井液上返預留的空間較小。牙輪鉆頭的巴掌、牙輪等鉆頭實體在井眼橫截面上所占的面積較大，基本上占到整個井眼橫截面的百分之九十左右，而給鉆井液和巖屑的上返預留的空間則較小，不到井眼橫截面積的百分之十。較小的上返空間對鉆頭巖屑的上返產生較大影響，特別當鉆頭產生的巖屑尺寸增大時，很容易導致鉆頭產生的大塊巖屑上返不出來。鉆頭上返空間不夠大對牙輪鉆頭產生的影響主要有兩個方面，一是由于空間截面不大，所以相同排量條件下，流體的運動速度大，運動速度較大的鉆井液和巖屑會對鉆頭的本體產生較大的磨損。當鉆頭產生的巖屑較大時，較小的上返空間不利于巖屑的及時上返，容易出現鉆頭巖屑重復切削的現象，巖屑重復切削不但降低了鉆頭的破巖效率，同時還會加大巖屑的壓持效應，增加了鉆井液對井底巖石的擠壓作用，不利于鉆頭破巖和井底巖屑的清洗。

牙輪鉆頭噴嘴射流的角度和噴嘴的安裝位置等，對鉆頭射流的井底壓力場和速度場影響較大，直接決定了牙輪鉆頭井底流場的質量。射流在井底產生的壓力場和速度場的狀態，直接表征了鉆頭水力系統輔助鉆頭機械破巖的效果。如果牙輪鉆頭的三個噴嘴的安裝位置，在鉆頭的橫截面上是完全對稱的，噴嘴的安裝位置是對稱的，傾斜角度也一樣，這樣噴嘴射流噴出的中心射流，在井底巖面上的投影會在一個圓周上，造成了中心射流的重疊。鉆頭旋轉的過程中，射流作用到井底巖面上的比例僅為百分只二十左右。這樣會影響到鉆頭井底流場的質量，從而不利于鉆井液清洗巖屑和輔助鉆頭機械破巖的效果。理論分析和現場試驗已經證明，通過改變牙輪鉆頭的噴嘴組合，改變噴嘴的傾斜角度，可以改善噴嘴射流在井底的流場，提高噴嘴射流在井底的工作效率，輔助鉆頭機械破巖，還能夠保證巖石的及時清洗。

二、牙輪鉆頭井底流場射流輔助鉆頭機械破巖分析

通過對牙輪鉆頭噴嘴的井底流場分析得到，牙輪鉆頭井底流場的壓力分布，可以分為高、中、低三個部分。噴嘴直徑增大時，射流在井底產生的壓力就隨之增大。這是由于在噴嘴射流壓力相同的條件下，噴嘴的橫截面積大，噴嘴射流的能量越高，噴嘴的噴射距離遠，形成的等速核長度要長。所以在相同條件下，大噴嘴在井底產生的射流壓力要明顯比小噴嘴高。不同直徑噴嘴在井底形的高低壓區域，在鉆進過程中伴隨鉆頭的旋轉，井底的高低壓區域不斷的交替，從而造成了井底巖石受到高低壓射流的不斷沖擊。井底巖石首先受到井底大噴嘴產生較大射流壓力的沖擊，然后隨著鉆頭的旋轉，井底巖石又會繼續受到小噴嘴產生的較小射流壓力的沖擊，井底巖石在這一段時間內，會受到兩次不同射流壓力的沖擊，而且存在著射流沖擊壓力差。在射流沖擊的過程中，可以認為存在一個壓力差作用于井底巖石，而且隨著鉆頭的旋轉，這個壓力差會作用于整個井底巖面。高低壓射流產生的壓力差，有效的降低了巖石的破碎強度，降低了巖石破碎的門限壓力，從而大大的提高了鉆頭的破巖效率。三個牙輪鉆頭噴嘴存在布置方向的問題，如果鉆頭噴嘴的大小方向和鉆頭轉動的方向相反，在鉆進的過程中，井底巖石最先受到的是大噴嘴產生的較大射流壓力的沖擊，然后就是中間噴嘴產生的射流壓力沖擊，最后是小噴嘴產生的較小噴嘴壓力的沖擊。每個噴嘴的射流壓力之間都會存在一個壓力差，這個壓力差對于提高鉆頭的破巖效率具有非常重要的作用。而且大小噴嘴的壓力差的大小對這效果的影響較大，大小噴嘴之間射流壓力的差值越大，三牙輪鉆頭輔助鉆頭射流破巖的效果越好。

結束語

三牙輪鉆頭在石油鉆井中發揮著重要作用。鉆頭射流具有較高的能量，如果不能充分的利用這些能量，容易造成能量的浪費，有可能還會阻礙鉆頭的機械破巖，因此牙輪鉆頭井底流場的質量對鉆頭機械破巖的效果影響較大。通過改善牙輪鉆頭的井底流場，可以有效的提高射流輔助鉆頭機械破巖的作用。鉆頭上返空間不夠大對牙輪鉆頭產生的影響主要有兩個，一是運動速度較大的鉆井液和巖屑會對鉆頭的本體產生較大的磨損。二是較小的上返空間不利于巖屑的及時上返，容易出現鉆頭巖屑重復切削的現象，同時還會加大巖屑的壓持效應。由于高低壓射流產生的壓力差，有效的降低了巖石的破碎強度和巖石破碎的門限壓力，從而大大的提高了鉆頭的破巖效率。

[1]王瑞和等.旋轉射流破巖鉆孔機理研究[J].中國安全科學學報,1999.

[2]武紅衛.三牙輪鉆頭三噴嘴優化組合的研究[J].石油鉆探技術,2002.