切向導入式旋流噴嘴輔助PDC鉆頭破巖實驗

袁軍，鄒德永，劉笑傲

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島 266580）

切向導入式旋流噴嘴輔助PDC鉆頭破巖實驗

袁軍，鄒德永，劉笑傲

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島 266580）

為了提高PDC鉆頭在研磨性地層中的機械鉆速，延長使用壽命，采用室內實驗和現場驗證的研究方法，設計了一種切向導入式旋流噴嘴。文中對旋流噴嘴的關鍵結構參數進行了優化，與普通圓噴嘴進行了破巖效果對比，并將旋流噴嘴應用到PDC鉆頭上，進行了現場驗證試驗。相同條件下，非對稱切向導入口噴嘴的破巖效果比對稱切向導入口噴嘴的破巖效果好，當切向導入口數量為3個、角度為30°和圓錐收縮角度為20°時，旋流噴嘴的破巖效果最好。切向導入式旋流噴嘴產生的破碎坑沖蝕體積是普通圓射流的4.00～5.60倍?，F場應用結果表明，旋流PDC鉆頭的機械鉆速比普通PDC鉆頭提高了51%～67%，并且延長了鉆頭使用壽命。

PDC鉆頭；旋轉射流；切向導入式旋流噴嘴；研磨性地層

0　引言

PDC鉆頭作為一種切削型破巖工具，在鉆進研磨性地層時，受壓持效應的影響，巖屑無法及時離開井底，引起重復切削，加速切削齒的磨損，造成PDC鉆頭機械鉆速下降［1-3］。旋轉射流是近年來發展起來的一種新型射流技術，具有三維流動速度，能夠起到改善井底流場、清洗巖屑和冷卻鉆頭的作用，同時起到輔助破巖的作用［4］。國外學者采用示蹤顆粒高速攝影和井底測壓等方法，對噴嘴和流道的組合形式進行了大量的研究［5-9］，揭示了流量、噴嘴位置、尺寸等參數對流動特性的影響規律；國內學者采用簡化模型，通過數值模擬，對PDC鉆頭噴嘴的流動特性進行了分析［10-18］。但是國內外學者大多做法是改變噴嘴直徑，對射流形式改變較少，并且缺乏有力的實驗驗證。

筆者結合PDC鉆頭與旋轉射流的破巖機理，通過室內實驗優化旋流噴嘴輔助PDC鉆頭破巖的關鍵結構參數，并進行現場驗證試驗，以指導高效破巖PDC鉆頭的研制和應用。

1　旋轉射流輔助PDC鉆頭破巖機理

旋轉射流輔助PDC鉆頭破巖過程是充分利用PDC鉆頭切削齒和旋轉射流的各自優勢，實現共同破巖的過程。

1.1PDC鉆頭破巖機理

PDC鉆頭是一種切削型破巖鉆頭，在鉆進過程中，PDC齒在軸向力和切削力的作用下吃入并破碎井底巖石。對于不同巖性的地層，PDC鉆頭的破巖機理及方式不同［19］。對于塑性巖石，主要靠犁削作用破巖，巖石破碎以連續平穩破碎為主，PDC齒在軸向力和切削力的共同作用下，吃入巖石一定深度，并擠壓PDC齒前方巖石，使之發生塑性破碎；對于脆性巖石，主要靠剪切作用破巖，巖石破碎以跳躍式剪切破碎為主，破碎過程由2個階段組成——壓碎和剪切崩離［20］，巖石破碎開始階段，由于吃入深度淺，PDC齒與巖石接觸面積小，在接觸處產生高壓應力壓碎巖石，PDC齒繼續剪切壓碎巖石，切削深度和接觸面積逐漸增大，切削力隨之增大，進而產生大塊的剪切崩離。

1.2旋轉射流輔助破巖機理

旋轉射流的質點具有軸向、徑向和切向三維流動速度，徑向和切向都是平行于巖石表面的橫向流動。軸向流動可以產生對井底巖石的沖擊壓力，產生密實核效應和水楔作用；橫向流動可以形成平行于巖石表面的橫向載荷，使巖石產生剪切破壞并伴有沖蝕和拉伸破壞，輔助PDC鉆頭破碎巖石［21］。在旋轉射流的沖擊范圍內，距軸心一定直徑的環形區域內的沖擊壓力最高，向內和向外沖擊壓力迅速降低，井底巖屑在極不均勻的沖擊壓力作用下容易翻轉，能夠及時離開井底。旋轉射流的徑向和切向流動速度，能夠增強井底漫流對巖屑的橫推作用［22］。在PDC齒破碎巖石的同時，旋轉射流沖擊巖石表面，對應環形區域下的巖石除了受到剪切作用，還受到橫向的沖蝕作用。經過PDC齒破碎后的巖石，在其表面產生很多微裂縫，射流流體能夠進入微裂紋產生水楔作用，致使微裂紋不斷擴展，進而相互連通，造成巖石破碎［23］。

2　切向導入式旋流噴嘴結構優化設計

2.1旋流噴嘴結構設計

旋流噴嘴以工程中常見的圓柱形噴嘴為基礎［24］，在噴嘴注入端頂部加工一個封閉圓面，流體從切向導入口進入噴嘴，在噴嘴內形成螺旋流動，經過噴嘴下部的圓錐收縮段后被進一步加速，從噴嘴出口噴出，形成高速旋轉錐形射流。旋流噴嘴結構如圖1所示。

切向導入式旋流噴嘴關鍵結構參數見表1。為提高噴嘴的耐磨性，切向導入式旋流噴嘴以鑄造碳化鎢和鈷基黏結金屬粉末為材料，采用粉末冶金熱壓工藝燒結成型［23，25］。

2.2關鍵結構參數優化

按照425#水泥和石英砂（40～60目）體積比為1∶3的比例，制備人造砂巖試樣。試樣中含有石英砂顆粒，抗壓強度為43.0 MPa，研磨性系數為8.7×10-4mm3/ （kN·m），巖石研磨性較強。為了達到優化旋流噴嘴關鍵結構參數的目的，用旋流噴嘴在人造砂巖試樣上進行沖蝕實驗，以人造砂巖試樣破碎坑沖蝕體積表征旋流噴嘴的破巖效果。

2.2.1切向導入口數量

旋流噴嘴切向導入口角度設計為20°，圓錐收縮角度設計為30°，設定排量為150 L/min，噴距為30 mm，分別用不同切向導入口數量的旋流噴嘴沖蝕人造砂巖試樣5 min。砂巖試樣破碎坑沖蝕體積與噴嘴切向導入口數量的關系如圖2所示。

由圖2可知，在旋流噴嘴切向導入口角度和圓錐收縮角度一定的條件下，非對稱切向導入口噴嘴的破巖效果比對稱切向導入口噴嘴的破巖效果要好。這是因為非對稱切向導入可以減少噴嘴流道內射流流體碰撞帶來的能量損失，增加流體旋流作用。但是，并非切向導入口越多越好，隨著切向導入口數量的增加，從各個切向導入口進入噴嘴流道內的流體彼此干擾會越來越嚴重，高速射流區域越來越小，減弱了射流流體的旋流作用，降低了射流流速。切向導入口數量為3個時，人造砂巖試樣的破碎坑沖蝕體積最大，旋流噴嘴破巖效果最好。

2.2.2切向導入口角度

旋流噴嘴切向導入口數量設計為3個，圓錐收縮角度設計為20°，設定排量為150 L/min，噴距為30 mm，分別用不同切向導入口角度的旋流噴嘴沖蝕人造砂巖試樣5 min。砂巖試樣破碎坑沖蝕體積與噴嘴切向導入口角度的關系如圖3所示。

由圖3可知：在旋流噴嘴切向導入口數量和圓錐收縮角度一定的條件下，隨著切向導入口角度的增大，旋流噴嘴的破巖效果呈現先增大后減小的趨勢；當切向導入口角度為30°時，人造砂巖試樣的破碎坑沖蝕體積最大。分析原因認為，隨著切向導入口角度增大，噴嘴流道內射流流體的導流能力逐漸增強，流體軸向壓力逐漸減小，周向壓力逐漸增大。在射流沖擊區域內，巖石受到射流流體軸向壓力和周向壓力的共同作用產生破碎，當切向導入口角度為30°時，射流流體的軸向壓力和周向壓力達到最優組合，旋流噴嘴的破巖效果最好。

2.2.3圓錐收縮角度

旋流噴嘴切向導入口數量設計為3個，切向導入口角度設計為30°，設定排量為150 L/min，噴距為30 mm，分別用不同圓錐收縮角度的旋流噴嘴沖蝕人造砂巖試樣5 min。砂巖試樣破碎坑沖蝕體積與噴嘴圓錐收縮角度的關系如圖4所示。

由圖4可知：在旋流噴嘴切向導入口數量和角度一定的條件下，隨著圓錐收縮角度增大，破碎坑沖蝕體積迅速增大，而后緩慢減??；當圓錐收縮角度為20°時，人造砂巖試樣的破碎坑沖蝕體積最大。其主要原因為，當排量一定時，隨著圓錐收縮角度增大，圓錐收縮段兩端壓降升高，參與破巖的射流流速和水功率相應增加，射流流體的沖擊作用加強，破巖能力增強，但是圓錐收縮角度越大，圓錐收縮段側面對射流流體的反作用力越大，射流流體能量損失越大，減弱了射流流體的旋流作用，導致破巖效果變差。圓錐收縮角度為20°時，旋流噴嘴破巖效果最好。

2.3優化結果破巖實驗

根據噴嘴關鍵結構參數的優化結果，燒結切向導入式旋流噴嘴，在砂巖試樣上進行沖蝕實驗，并與普通圓噴嘴沖蝕效果進行對比。

2.3.1人造砂巖試樣沖蝕實驗

設定排量為150 L/min，噴距為30 mm，分別用切向導入式旋流噴嘴和普通圓噴嘴沖蝕試樣5 min，旋流噴嘴壓降為9.6 MPa，普通圓射流噴嘴壓降為7.3 MPa。旋轉射流與普通圓射流沖蝕效果對比見圖5、表2。

由表2可以看出：旋轉射流破碎坑深度為普通圓射流的1/2，破碎坑直徑約為普通圓射流的3.30倍，破碎坑沖蝕體積約為普通圓射流的5.60倍。這說明旋轉射流的穿透力比普通圓射流弱，但總的破巖效率比普通圓射流高。

2.3.2天然砂巖試樣沖蝕實驗

在抗壓強度為17.5MPa、研磨性系數為2.6×10-3mm3/ （kN·m）的強研磨性天然砂巖試樣上，固定噴嘴壓降為8.0 MPa，分別用旋流噴嘴和普通圓噴嘴沖蝕試樣30 s。旋轉射流與普通圓射流沖蝕效果對比見圖6、表3。

對比圖5和圖6可知，旋轉射流與普通圓射流沖蝕天然砂巖的效果與沖蝕人造砂巖試樣的效果相似。旋轉射流破碎坑深度為普通圓射流的0.28倍，破碎坑直徑約為普通圓射流的4.10倍，破碎坑沖蝕體積約為普通圓射流的4.00倍。這說明旋轉射流的有效噴距比普通圓射流小，能量衰減速度比普通圓射流快。

3　現場應用

3.1旋流PDC鉆頭基本結構

旋流PDC鉆頭以常規PDC鉆頭基本結構為基礎，在鉆頭流道內部安裝切向導入式旋流噴嘴，引入旋轉射流輔助破巖，改善了鉆頭性能，可以提高PDC鉆頭的破巖效率?，F場試驗用旋流PDC鉆頭如圖7所示，鉆頭直徑為215.9 mm，切削齒后傾角為15°，側傾角為10°。為加強旋流PDC鉆頭的輔助破巖作用，鉆頭水力結構采用1個直徑為18 mm的切向導入式旋流噴嘴+4個直徑為16 mm的普通圓噴嘴的組合方式。

3.2現場試驗

為進一步驗證旋流PDC鉆頭的破巖效果，在勝利油田夏405-斜12井和臨38-斜37井進行了現場試驗，并與相鄰井位普通PDC鉆頭鉆進效果進行了對比，結果如表4所示。

對比組1所鉆地層為沙二段和沙三段，主要巖性為石英砂巖和細粒長石砂巖，屬于強研磨性地層。起鉆后發現：旋流PDC鉆頭主刀翼上的復合片有不同程度的磨損，但是不影響繼續使用；而普通PDC鉆頭5個刀翼上的復合片磨損均非常嚴重，不能繼續使用，僅試驗1口井就報廢。在鉆進過程中，旋流PDC鉆頭的機械鉆速比較平穩，而普通PDC鉆頭的機械鉆速極不平穩，波動劇烈，下降幅度非常大。旋流PDC鉆頭的機械鉆速比普通PDC鉆頭提高了51%，延長了鉆頭使用壽命。

對比組2所鉆地層為沙一段和沙二段，主要巖性為粉砂巖和砂巖，屬于中等強度研磨性地層。起鉆后發現：旋流PDC鉆頭個別刀翼上的復合片有輕微磨損，磨損量較??；而普通PDC鉆頭磨損較為嚴重，磨損量較大，有的部位復合片崩損破壞，需要及時更換。在鉆進過程中，旋流PDC鉆頭的機械鉆速平穩，波動小，隨著井深的增加，機械鉆速下降幅度較??；而普通PDC鉆頭鉆速波動比較明顯，隨著井深的增加，機械鉆速下將幅度較大。旋流PDC鉆頭的機械鉆速比普通PDC鉆頭提高了67%，延長了鉆頭使用壽命。

4　結論

1）在相同條件下，非對稱切向導入口噴嘴比對稱切向導入口噴嘴的破巖效果好，最優切向導入口數量為3個。

2）最優切向導入口角度為30°，此時射流流體的軸向壓力和周向壓力達到最佳組合，流體旋流效果最好，破巖效率最高。

3）隨著圓錐收縮角度的增大，切向導入式旋流噴嘴的破巖能力呈現先增大后減小的趨勢，最優圓錐收縮角度為20°。

4）切向導入式旋流噴嘴的穿透力比普通圓射流噴嘴弱，但是旋轉射流產生的破碎坑面積比普通圓射流的大，產生的破碎坑沖蝕體積為普通圓射流的4.00～5.60倍。

5）現場試驗證明，旋流PDC鉆頭比普通PDC鉆頭的機械鉆速提高了51%～67%，減輕了鉆頭磨損，延長了鉆頭使用壽命。

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（編輯趙衛紅）

Rock-breaking experiment by tangential import swirl nozzle assisted PDC bit

YUAN Jun，ZOU Deyong，LIU Xiao′ao
（College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

To improve the drill speed and prolong the service life of PDC bit in abrasive formation，through laboratory experiment and oilfield verification，a type of tangential import swirl nozzle is designed.The key structure parameters of swirl nozzle are optimized，and then the swirl nozzle is applied to PDC bit to verify the rock-breaking effect.The researches show that the rockbreaking effect of non-symmetrical tangential import entrances is better than that of symmetrical tangential import entrances.The optimaltangentialimportentrance numberis3，the optimalangle oftangentialimportentrance 30 degree，and the optimalangle ofcone contraction 20 degree.The erosion volume of crushing pit produced by swirl nozzle is about 4.00-5.60 times that of common round nozzle.Field application results show that the drill speed of swirl PDC bit is increased by 51%-67%compared with common PDC bit，and the service life is extended.

PDC bit；swirling jet；tangential import swirl nozzle；abrasive formation

國家教育部博士點基金項目“石油鉆井地層巖石研磨性定量評價方法研究”（20100133110002）

TE921+.1

A

10.6056/dkyqt201604026

2015-10-15；改回日期：2016-04-19。

袁軍，男，1986年生，在讀博士研究生，主要從事油氣井巖石力學和巖石破碎原理與方法方面的研究工作。E-mail：yuanjuncup@sina.com。

引用格式：袁軍，鄒德永，劉笑傲.切向導入式旋流噴嘴輔助PDC鉆頭破巖實驗［J］.斷塊油氣田，2016，23（4）：528-532.

YUAN Jun，ZOU Deyong，LIU Xiao′ao.Rock-breaking by tangential import swirl nozzle assisted PDC bit in abrasive formation［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（4）：528-532.