分流式负压脉冲调制器的设计

程锋瑞 杨永印 范红明 李佳 英飞(中国石油大学（华东） 山东 东营 257061)

引言

最近二十年左右，伴随着越来越多的深井、超深井的出现，不断更新的高强度的钻井设备的出现，为了提高钻井速度，减少钻井成本，负压脉冲射流钻井技术又成为了新的研究热点[1,2]。目前，主要是由于负压脉冲射流喷嘴材料的性能满足不了钻井的工艺要求，所以负压脉冲射流钻井技术在国内仍然还是处在发展的阶段。

一、负压脉冲钻井技术

负压脉冲射流钻井技术的原理是在钻头和钻铤之间连接一个短节——负压脉冲调制器，将连续流动的钻井液调制成脉冲式流动的钻井液，这种脉冲式的钻井液流动到钻头喷嘴，再通过喷嘴流动到井底，脉冲式的钻井液的压力低于井底周围的压力，这时在井底的周围的就会产生一个相对的负压。

二、负压脉冲技术提高钻速机理

压持效应会造成已经的破碎的岩屑经行重复破碎，这样就影响了钻井的速度。鲍格因[3]等人通过对以往的大量实验数据进行分析、处理后指出，压差与钻速的关系在半对数坐标上可以用直线表示，其关系式为：

式中Vpc为实际钻速，m/h；Vpc0为零钻压时的钻速，m/h；ΔP为井内液柱压力与地层孔隙压力之差，MPa；β为与岩石性质有关的系数。

从下面两个方面可以分析出为什么使井底的压差降低或使井底出现负压差

能够提高钻井的速度：减轻或消除井底已破碎岩屑的压持效应。降低井底压差时，会使井底岩石的围压降低，从而降低了井底岩石的塑性，降低井底岩石的破碎强度，因此提高了岩石的破碎效率，提高了钻井速度。

三、分流式负压脉冲调制器的设计及其工作原理

1.分流式负压脉冲调制器的设计

由于分流式负压脉冲调制器是放在钻头和钻铤之间的一个小短接，为了便于同时与钻头和钻铤连接，我们设计的尺寸要满足钻头和钻铤的配合需要，我们以八寸半钻头为例设计分流式负压脉冲调制器，利用参数化设计软件Proe5.0设计出的三维装配图如下图2所示：

根据现场的实际应用情况，一般与八寸半钻头相配合6 1/4英寸的钻铤，这种钻铤的外径是158.8mm，内径71.4mm，长度9.15或9.45米。根据现场的施工需要以及钻井的安全性我们设计的尺寸必须尽量小一点。我们通过AutoCAD二维制图软件设计出的分流式负压脉冲调制器的二维装配图，如上图（图3）所示：

2.分流式负压脉冲调制器的工作原理

首先钻井液会进入分流式负压脉冲调制器的腔体中。由于最初设计的负压脉冲调制器的摆阀是偏心的，所以我们在装配之后，摆阀下部的左端是贴在腔体的内壁上如上图（图3）所示，当钻井液从钻铤上流下来的时候，钻井液会冲击摆阀，给摆阀一个冲量，于是摆阀就会向负压脉冲调制器的腔体的右侧摆动，一直到摆动到摆阀右侧贴近负压脉冲调制器腔体的右侧时，此时，摆阀就会阻断腔体右侧的钻井液的流动，使右侧上方的钻井液的压力变大，在此压力下，又会使摆阀向腔体的左侧开始摆动，使摆阀的左侧贴到腔体的左侧，又回到最初的状态，这样周而复始。这种井底压力的差别也会更有利于清除井底岩屑。当摆阀在分流式负压脉冲调制器的腔体内不断地摆动的时候，就会不断地阻止钻井液的流动，因而引起钻头喷嘴的压力波动，这样就会使井底两侧分别间断地产生负压，从而提高钻井速度。分流式负压脉冲调制器的腔体下部还设计了一个隔板，它的作用是防止腔体内高压钻井液和低压钻井液的混合。

结束语

综上所述，分流式负压脉冲调制器能在井底产生一个高压区，一个负压区，这样可以及时的清除井底的岩屑，减少“压持效应”，大幅度的提高机械钻速，尤其是在深井、超深井的应用效果更佳明显，可以大幅度的节省钻井的费用，达到更好的经济效益。

[1]杨永印，沈忠厚，王瑞和.低压脉冲射流井底欠平衡钻井提高钻速机理分析[J].石油钻探技术，2002，30（5）：15-16.

[2]张勇.负压脉冲射流流道设计及破岩特点研究 [D].东营：中国石油大学（华东）硕士学位论文，2004 12～16.