20超高压钻头喷嘴布置的研究.docVIP

超高压PDC钻头超高压喷嘴布置探讨 徐依吉 ，冯云春 （中国石油大学(华东)石油工程学院高压水射流研究中心，山东东营257061） 摘要 本文通过实验研究超高压射流破岩的主要规律，为超高压PDC钻头超高喷嘴布置提供实验依据。研究发现：射流压力越高破岩效果越好，最优喷距随着压力的升高而升高；200MPa时最优喷距达到32.5倍喷嘴直径，150MPa时破岩效率最高；超高压喷嘴按前进的方式移动，破岩效果最佳，且最佳喷射角度12.50。 关键字 超高压、 PDC钻头 、喷嘴 、喷距、 喷射角度、破岩 一 引言 目前我国深井超深井钻井的数量逐渐增多，由于井深增加，钻井速度显著降低，一口深井的钻井费用少则几千万，多则上亿元，深井钻井费用巨大的问题将日渐突出。提高深井钻速降低钻井成本问题，已成为近年来一直困扰钻井工程专家的一个热点和难点。但是，在目前的旋转钻井方式下，由于能量传递效率低下，大约只有5％～20％的机械能量被用于破岩，使得破岩钻进的速度难以令人满意。因此，必须充分、合理地发挥现有技术、机械设备的潜力，充分利用水力能量，提高射流在井底的破岩、清岩能力，从而达到提高钻速、降低成本的目的。提高深井钻速并降低钻井成本将是“十一五”期间钻井领域亟待解决的一个重大课题。国内外钻井工程专家一致认为，通过采用井下增压器实施超高压细射流辅助机械破岩钻进，即超高压射流辅助钻井技术，是解决深井超深井钻速问题的一个根本途径。Veenhuizen等用超高压井下泵所做的现场实验表明，对于页岩，超高压射流辅助破岩速度约为常规破岩速度的1.45倍，花岗岩1.50倍，而砂岩则高达2.0倍[1]。美国已在研究第三代井下增压器。近年来，国内中石油、中石化、中海油等多家单位也在进行井下增压器的研发。预计2～3年内，国产井下增压器可投入工业应用。因此对于直接破岩的工具——超高压钻头的研制开发就有着非常重要的意义。在超高压钻头设计中超高压喷嘴的布置对钻头性能的影响起着至关重要的作用，因此本文通过实验研究与理论分析相结合，提出了几点超高压喷嘴的布置方案。 二. 实验研究 2.1 实验设备 实验是在中国石油大学（华东）高压水射流研究中心的超高压射流切割机上完成，喷嘴最低移动速度为1.91mm/s，最高压力可达300MPa，额定排量为2.0L／min，喷嘴直径为0.3mm进口红宝石喷嘴。高压泵工作介质清水。 2.2 岩石的选择 实验所选用的岩石应满足：（1）岩石质地均匀，所选岩石的机械性能尽可能地一致，有良好的各向同性；（2）冲蚀坑较规则，便于测取体积；（3）当压力在100MPa时，射流能够对岩石有一定的冲蚀体积，当压力上升到200MPa时， 岩石不会出现整体崩裂。 曾用多种天然岩石进行了试验，能满足以上要求的天然岩石比较少。经过比较选择了质地比较坚硬且耐高压的花岗石板（品名：济南青，密度：2.784g/cm3，抗压强度：196.34MPa）。将其割成约15*20cm大小的石板，石板厚度约2cm。 2.3 实验方法 将石板置于水槽内，使其处于被淹没状态，然后调节喷距、喷嘴移动速度、喷射角度和压力等参数进行实验。 三 实验结果分析研究 3.1 实验数据测量 由于喷嘴直径为0.2mm，因此冲蚀体积很小，对测量精度要求很高，采用填充法测量。先用质地均匀的优质橡皮泥填充冲蚀的坑道，然后压实，以保证橡皮泥能填满所有孔隙，再用刀片削掉多余部分使之与岩石表面齐平，再用精度为0.001g的电子天平测出其质量。根据橡皮泥密度便可以精确地计算出冲蚀体积。每组实验最少重复三次，然后取平均值，以减小实验误差。 3.2 不同喷距对岩石冲蚀效果的影响研究 研究一定的喷嘴移动速度、压力和喷射角度情况下，不同喷距下射流对岩石的冲蚀规律。喷嘴移动速度为1.91mm/s，射流压力从125MPa逐步上升到200MPa，喷射角度为0o 。详细数据如下。 图1压力、喷距与冲蚀体积关系图 （注：系列-■-、-△-、-◆-、-╳-分别代表200 MPa、175 MPa 、150 MPa、125MPa） 图2 压力与最大冲蚀体积关系图 根据上述实验数据分析可以知：在喷嘴直径（d）、喷嘴移动速度、喷射角度等不变的情况下，随着射流压力的升高，最优喷距升高（见图1），最大冲蚀体积也升高（见图2）。压力在125MPa、150MPa、175MPa和200MPa时最优喷射距离分别为5.0mm(25d)、5.5mm(27.5d)、6.0mm(30d)、6.5mm(32.5d)。 喷距是破岩的一个至关重要的因素，如果没有合适的喷距，即使压力超过了岩石的门限压力，也无助于破岩效率的提高。在淹没状态下由于能量衰减比较剧烈，等速核要比在空气中短得多[2]。但绝非保证喷距在射流等速核以内就可达到最优的破岩效率，实验证