牙轮钻头井底流场研究

2023-03-01

三牙轮钻头的研制始于上个世纪中期, 随着三牙轮钻头不断的发展、改进和应用, 三牙轮钻头的结构和参数, 也在不断的发生变化。其中关于牙轮钻头井底流场的研究, 以及射流辅助钻头破岩理论的研究也得到了飞速的发展。随着对石油钻井速度提高需求的不断加大, 现有的牙轮钻头井底流场已经不能满足现场的需要, 如果牙轮钻头的工作流场不合适, 很容易造成牙轮钻头的提前破坏, 增加了牙轮钻头在井下发生事故的概率。由于牙轮钻头的结构复杂, 组成部件多, 而且井下条件复杂多变, 导致牙轮钻头井底流场较为复杂。钻井液通过钻杆流向钻头后, 在钻头内部变径和表面不规则的位置, 会产生大量的漩涡, 在岩屑上返过程中, 如果牙轮钻头的井底流场不合适, 钻头形成的岩屑会得不到及时的上返, 很容易造成牙轮钻头的损坏。如果牙轮钻头喷嘴的射流参数设计不合理, 容易造成射流和射流之间的相互干扰, 严重的影响了牙轮钻头井底流场的质量, 造成的射流能量的额外损耗, 大大的降低了射流辅助钻头机械破岩的效果, 因此需要不断的加强牙轮钻头井底流场研究。

一、牙轮钻头井底流场分析

多数牙轮钻头给岩屑和钻井液上返预留的空间较小。牙轮钻头的巴掌、牙轮等钻头实体在井眼横截面上所占的面积较大, 基本上占到整个井眼横截面的百分之九十左右, 而给钻井液和岩屑的上返预留的空间则较小, 不到井眼横截面积的百分之十。较小的上返空间对钻头岩屑的上返产生较大影响, 特别当钻头产生的岩屑尺寸增大时, 很容易导致钻头产生的大块岩屑上返不出来。钻头上返空间不够大对牙轮钻头产生的影响主要有两个方面, 一是由于空间截面不大, 所以相同排量条件下, 流体的运动速度大, 运动速度较大的钻井液和岩屑会对钻头的本体产生较大的磨损。当钻头产生的岩屑较大时, 较小的上返空间不利于岩屑的及时上返, 容易出现钻头岩屑重复切削的现象, 岩屑重复切削不但降低了钻头的破岩效率, 同时还会加大岩屑的压持效应, 增加了钻井液对井底岩石的挤压作用, 不利于钻头破岩和井底岩屑的清洗。

牙轮钻头喷嘴射流的角度和喷嘴的安装位置等, 对钻头射流的井底压力场和速度场影响较大, 直接决定了牙轮钻头井底流场的质量。射流在井底产生的压力场和速度场的状态, 直接表征了钻头水力系统辅助钻头机械破岩的效果。如果牙轮钻头的三个喷嘴的安装位置, 在钻头的横截面上是完全对称的, 喷嘴的安装位置是对称的, 倾斜角度也一样, 这样喷嘴射流喷出的中心射流, 在井底岩面上的投影会在一个圆周上, 造成了中心射流的重叠。钻头旋转的过程中, 射流作用到井底岩面上的比例仅为百分只二十左右。这样会影响到钻头井底流场的质量, 从而不利于钻井液清洗岩屑和辅助钻头机械破岩的效果。理论分析和现场试验已经证明, 通过改变牙轮钻头的喷嘴组合, 改变喷嘴的倾斜角度, 可以改善喷嘴射流在井底的流场, 提高喷嘴射流在井底的工作效率, 辅助钻头机械破岩, 还能够保证岩石的及时清洗。

二、牙轮钻头井底流场射流辅助钻头机械破岩分析

通过对牙轮钻头喷嘴的井底流场分析得到, 牙轮钻头井底流场的压力分布, 可以分为高、中、低三个部分。喷嘴直径增大时, 射流在井底产生的压力就随之增大。这是由于在喷嘴射流压力相同的条件下, 喷嘴的横截面积大, 喷嘴射流的能量越高, 喷嘴的喷射距离远, 形成的等速核长度要长。所以在相同条件下, 大喷嘴在井底产生的射流压力要明显比小喷嘴高。不同直径喷嘴在井底形的高低压区域, 在钻进过程中伴随钻头的旋转, 井底的高低压区域不断的交替, 从而造成了井底岩石受到高低压射流的不断冲击。井底岩石首先受到井底大喷嘴产生较大射流压力的冲击, 然后随着钻头的旋转, 井底岩石又会继续受到小喷嘴产生的较小射流压力的冲击, 井底岩石在这一段时间内, 会受到两次不同射流压力的冲击, 而且存在着射流冲击压力差。在射流冲击的过程中, 可以认为存在一个压力差作用于井底岩石, 而且随着钻头的旋转, 这个压力差会作用于整个井底岩面。高低压射流产生的压力差, 有效的降低了岩石的破碎强度, 降低了岩石破碎的门限压力, 从而大大的提高了钻头的破岩效率。三个牙轮钻头喷嘴存在布置方向的问题, 如果钻头喷嘴的大小方向和钻头转动的方向相反, 在钻进的过程中, 井底岩石最先受到的是大喷嘴产生的较大射流压力的冲击, 然后就是中间喷嘴产生的射流压力冲击, 最后是小喷嘴产生的较小喷嘴压力的冲击。每个喷嘴的射流压力之间都会存在一个压力差, 这个压力差对于提高钻头的破岩效率具有非常重要的作用。而且大小喷嘴的压力差的大小对这效果的影响较大, 大小喷嘴之间射流压力的差值越大, 三牙轮钻头辅助钻头射流破岩的效果越好。

结束语

三牙轮钻头在石油钻井中发挥着重要作用。钻头射流具有较高的能量, 如果不能充分的利用这些能量, 容易造成能量的浪费, 有可能还会阻碍钻头的机械破岩, 因此牙轮钻头井底流场的质量对钻头机械破岩的效果影响较大。通过改善牙轮钻头的井底流场, 可以有效的提高射流辅助钻头机械破岩的作用。钻头上返空间不够大对牙轮钻头产生的影响主要有两个, 一是运动速度较大的钻井液和岩屑会对钻头的本体产生较大的磨损。二是较小的上返空间不利于岩屑的及时上返, 容易出现钻头岩屑重复切削的现象, 同时还会加大岩屑的压持效应。由于高低压射流产生的压力差, 有效的降低了岩石的破碎强度和岩石破碎的门限压力, 从而大大的提高了钻头的破岩效率。

摘要：牙轮钻头是石油钻井过程中常用的钻头形式。常用的牙轮钻头为三牙轮钻头, 在钻井过程中, 通过牙齿对地层岩石的冲击压入破碎地层岩石, 完成钻头的钻进。井底流场是影响到钻头破岩效率的重要因素, 在牙轮钻头中更是如此。牙轮钻头的井底流场关系到钻头射流的破岩效率, 以及钻头产生的岩屑能否及时的返出井底。因此需要开展牙轮钻头的井底流场研究, 改善和优化牙轮钻头的井底流场, 提高牙轮钻头井底破岩的效率, 提高钻井速度。文章通过资料调研, 研究了三牙轮钻头的井底流场, 并且分析了提高牙轮钻头射流辅助破岩效率的方法。通过研究对于提高三牙轮钻头的工作效率具有重要的意义。

关键词：牙轮钻头,井底流场,改善,破岩,效率