牙轮钻头井底流场研究

姜海成(大庆钻探集团钻井二公司 黑龙江大庆 163000)

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。

[1]王瑞和等.旋转射流破岩钻孔机理研究[J].中国安全科学学报,1999.

[2]武红卫.三牙轮钻头三喷嘴优化组合的研究[J].石油钻探技术,2002.