超高压钻头喷嘴布置研究模板.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。
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 本文经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
当前中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。可是, 在当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, 经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, 因此本文经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。根据橡皮泥密度便能够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能够知: 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, 实验证明存在最优喷距的问题。
3.3 喷嘴移动速度对岩石冲蚀效果的影响研究

图3 变喷嘴移动速度冲蚀效果图
( 注: 系列-╳-、 -▲-、 -◇-、 -■-分别代表125MPa, 150MPa, 175MPa, 200MPa)
从图3中能够清楚看到, 在本实验条件下当喷嘴直径、 喷射压力、 喷距、 喷射角度等因素不变的情况下, 喷嘴移动速度越快, 冲蚀效果越差。喷嘴移动速度小于2.9mm/s时对冲蚀效果影响不大, 当速度进一步增大以后, 冲蚀效果明显降低。喷嘴移动速度快慢其实质反映的是射流作用与岩石表面的作用时间长短。
3.4 改变喷射角度对冲蚀效果的影响研究
喷射角度定义为岩石平面垂线与喷射方向线的夹角( 锐角) , 即图4中的α角。由于喷嘴的倾斜方向与喷嘴的前进方向有几种不同搭配方式, 一般分为三种( 前进、 后退和侧移) 如图4所示。

图4 喷嘴移动方向与岩石面关系图
高压水射流进入岩石微裂缝形成水楔, 使得岩石固有的微裂纹与新生裂纹一并扩展, 当按前进方式移动喷嘴时水射流对微裂纹的扩展有着一种追赶作用, 产生一种逼迫微裂纹扩展的趋势, 而其它两种移动方式都不具备追赶与逼迫微裂纹扩展作用, 从理论上分析前进方式喷嘴破岩效果因该最佳。经过实验验证: 喷嘴按前进方式移动破岩效果最佳。因此就选择前进方式来研究改变喷射角度对冲蚀效果的影响。根据实验数据得到图5。

图 5 冲蚀效果与角度关系
( 注: 系列-▲-、 -◇-、 -■-分别代表200MPa , 175MPa, 150MPa)
从图5中能够清楚看到, 在三组不同压力下, 最佳喷射角度都集中在12.50左右。
3.5 不同压力下的破岩效率研究
研究不同压力下的破岩效率旨在发现既经济又高效的破岩射流参数, 对提高机械钻速和降低钻井成本都十分有意义。
在喷嘴出口截面内外两点间应用伯努利方程[3], 由于这两点间高度差很小, 故能够忽略, 得以下式子:
(1)
式中: 、 --------喷嘴内外静压; 、 --------喷嘴内外流体平均流速。
再根据两点间连续性方程可得:
(2)
由于所用喷嘴为圆形结构, 故A=, 并假设水为不可压缩流体, 即, 整理得
(3)
由于实验所用压力高, 是的1000倍以上, 且, 因此, 并将＝998Kg/m3 代入上式得:
(4)
式中: 为射流速度, m/s;为射流压力, MPa。
已知射流速度, 可由[4]计算出射流流量, 即射流流量等于射流速度乘以喷嘴出口截面积
(5)
式中: 为射流流量, L/S; 为喷嘴横截面积, cm2。
当射流压力与流量确定以后, 将方程( 4) 和( 5) 代入[4]即可得出喷嘴射流水功率为
(6)
式中: 为喷嘴射流功率, kW;为射流压力, MPa; 为射流流量, L/s; 为流体密度, g/cm3。
根据上述方程计算可得相应压力下的射流功率, 为了探索最经济的破岩压力, 这里定义一个比率——Tg,
(6-7)
因此能够得到Tg与压力等射流参数的关系。

图6 Tg与压力关系图
喷嘴直径一定的条件下, 压力与功率是呈线性关系( 见方程6-5、 6-6式) , 压力越高喷嘴射流功率就越高。由图6可知, 在压力低于150MPa时, 随着射流压力的升高, 单位功率下的破岩体积迅速增大, 可是随着压力进一步升高, 单位功率下的破岩体积( Tg) 增长就趋于平缓。这说明超高压淹没射流最经济的破岩压力并不是发生在实验的最高压力200MPa下, 而是在150MPa左右, 因为这时破碎单位体积的岩石所消耗的功率最少。
经过对以上实验数据的分析, 发现单位功率下的破岩量( Tg) 与射流功率、 压力、 冲击力等之间并不呈线性关系, 这为喷射钻井以及钻进水功率的优化提供了一个有利的参考。因此要经济而且高效的破岩, 并非只提高射流功率就能够实现的, 喷嘴直径一定的情况下, 一味地提高射流功率, 不但不能更有效地提高破岩效率, 结果只能造成功率的巨大浪费。
四 破岩规律在超高压喷嘴布置中的应用
对于钻头上的普通喷嘴, 其作用只是清洁、 冷却钻头, 没有足够的压力来参与破碎岩石, 关于这些普通喷嘴布置的研究前人已做了很多, 这里就不再赘述, 本文主要探讨的是超高压喷嘴的布置问题。超高压PDC钻头与普通PDC钻头的区别在于它有两套流道系统, 一套是普通压力的流道系统, 其压力一般在50MPa以内, 是普通钻井液的通道; 另一套则是超高压流道系统, 是井下增压器增压后的钻井液的流通通道, 经增压器增压后的流体压力可达200MPa左右, 这压力足以参与直接破岩。
从实验结论能够看出, 喷嘴在钻头上的布置方式直接影响到其破岩效果, 要达到最佳破岩效果, 超高压喷嘴应该如图7所示, 而且喷射角度为12.50 , 图中关于超高压喷嘴布置有两种方式, 其中图示”普通布置方式”是不合理的, 根据实验得出的结论应该选用图示”最佳超高压喷嘴布置方式”。

图7 超高压喷嘴布置方式示意图
五 总结
经过对实验数据的研究分析, 发现了在淹没条件下喷距、 射流压力、 喷射角度等因素对破岩效果影响的基本规律, 这些规律将对超高压PDC钻头超高压喷嘴设计提供一定的参考:
( 1) 在喷嘴直径、 喷射角度、 喷距等一定的情况下, 射流压力越高破岩效果越好;
( 2) 在喷嘴直径、 喷射角度、 喷嘴移动速度一定的情况下, 最优喷距随着压力的升高而升高, 200MPa时达到了32.5倍喷嘴直径;
( 3) 喷嘴移动速度的实质是反映射流冲蚀岩石的作用时间, 当它小于2.9mm/s时对岩石的冲蚀效果影响不大, 超过此值以后, 冲蚀效果明显降低;
( 4) 在压力低于150MPa时, 射流压力升高, 单位功率下的破岩体积迅速增大, 但压力进一步升高, 单位功率下的破岩体积略有下降, 150MPa时破岩效率最高;
( 5) 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。
参考文献:
[1]论文: Veenhuizen, S.D., Kolle, J.J., Rice, C.C., O'Hanlon, T.A. Ultra-High Pressure Jet Assist of Mechanical Drilling[J].Society of Petroleum Engineers,1997:84-85.
[2]论文: 沈忠厚,李根生,王瑞和.水射流技术在石油工程中的应用及前景展望[J].中国工程科学 , , 4(12):61-64.
[3]著作: 袁恩熙 .工程流体力学[M].北京:石油工业出版社,1986 .53-63.
[4]著作: 陈庭根,管志川.钻井工程理论与技术[M].山东东营:石油大学出版社, . 145-146.
DISPOSAL OF NOZZLE OF ULTRA-HIGH PRESSURE PDC BIT RESEARCH
Xu Yiji ,Feng Yunchun
(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Dongying, Shangdong, 257061, China)
Abstract The article study the rule that the rock was broken by ultra-high pressure by experiment. The rule was applied to the design of ultra-high pressure PDC bit and applications of other pertinent industry. We fond by experiment, the main factors that effect result of breaking rock in ultra-high pressure water jetting have pressure, distance of jetting、 speed of nozzle and angle of jetting. With the pressure increasing, result of breaking rock is better, the most distance of jetting is 32.5 times diameter of nozzle when the pressure is 200MPa , efficiency of breaking rock is the highest when the pressure is 150MPa, result of breaking rock is the best when angle of jetting is 12.50.
Key words: ultra-high pressure、 PDC bit、 nozzle 、 distance of jetting、 angle of jetting 、 break rock

作者简介: 徐依吉( 1953—) , 男, 教授,硕士生导师, 享受国务院政府特殊津贴; 连续两届被评为山东省专业技术拔尖人才; 中国专利优秀创造者; 荣立山东省优秀创造一等功。现任高压水射流研究中心副主任; 兼石油大学( 华东) 钻探开发实验厂厂长; 中国石油学会会员; 中国岩石力学与工程学会会员; 中国劳保学会水射流专委会会员、 高压水射流清洗委员会委员。科技研究方向: 高压水射流在石油工程中的应用和油井完成工程研究生招生培养方向: 油气井流体力学与工程出版专著( 合著) 2部, 教材1部, 在国内外重要会议和杂志上发表论文17篇。
联系地址: 山东省东营市石油大学石油工程学院高压水射流研究中心
联系电话: 或
Email: