粒子冲击钻井钻头设计与流场测试

纪国栋 ，周波 ，汪海阁 ，崔柳 ，王灵碧 ，王苏为

（1.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 102206；2.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆 库尔勒 841000）

0 引言

粒子冲击钻井（PID）是以高速球形钢质粒子冲击破岩为主、以高速水力破岩和机械破岩为辅的钻深井硬地层的一项高效钻井技术［1-6］。基于射弹冲击破岩的思想，Curlett等［7］提出了粒子冲击钻井，随后国外进行了大量室内实验及现场试验，也研制了相应设备［8-10］。粒子冲击钻井技术在我国尚处于攻关阶段，其投资成本高，系统结构复杂，对钻井现场设备改动大，对钻具磨损严重，尚有许多问题要解决［11-13］。2013年9月，国产粒子冲击钻井系统在四川龙岗地区开展了先导试验。在没有专用PID钻头的情况下，选用普通牙轮钻头代替PID钻头使用，未达到预期提速效果［14］。为了研制出国产PID钻头，将粒子冲击钻井的效果发挥到最佳，本文开展了PID钻头设计与流场测试研究，为解决川渝深层、库车山区砾石层的高效钻进探索新的解决方案。

1 PID钻头及喷嘴设计

根据实验室3D PIV流场测试系统的测试范围（70mm×70mm），结合前期流场数值模拟结果及相似性原理，设计了2种规格的PID钻头模型——PID-23和PID-34（见图1）。2种钻头外径均为73mm，内部主流道直径均为10mm，喷嘴直径均为5.22mm。PID-23为两刀翼三喷嘴钻头，中心喷嘴倾角6°，2个侧喷嘴倾角12°。PID-34为三刀翼四喷嘴钻头，中心喷嘴倾角30°，3个侧喷嘴倾角12°。根据相似性原理，配套设计了 4 种型号的喷嘴：25°/13°双锥度喷嘴、25°收缩喷嘴、13°收缩喷嘴和圆柱形喷嘴（见图2），喷嘴出口直径均为4.52mm，喷嘴外径均为7.93mm，喷嘴长度均为19.5mm。

图1 钻头结构示意

图2 喷嘴结构示意

2 实验装置、器材与步骤

为开展PID钻头流场测试实验，专门设计加工了φ120mm玻璃井筒及配套φ50mm钻杆，玻璃井筒内径75mm，高度1.2 m，最高耐压1 MPa。流场测试实验在重庆大学高压水射流实验室进行，主要实验装置与器材包括高压乳化泵、高压水射流试验台、磨料罐、3D PIV流场测试系统、玻璃井筒、高压管、PID钻头、喷嘴、钢粒等。BZW200/56型防爆高压乳化泵流量为200 L/min，额定压力为31.5 MPa。磨料罐允许颗粒质量分数0～40%，带滤网，颗粒直径小于3mm。玻璃井筒的材料为高强度钢化玻璃，透明度90%，可耐压1 MPa。

实验步骤为：1）连接实验装置，检查实验装置的安全性；2）使激光束与相机夹角呈90°，激光束与井筒轴线重合；3）接通设备电源，打开Insight 3G软件，设定硬件参数；4）标定靶盘，将像素单位换算成距离单位；5）进行实验，调节Insight 3G软件，设定实验过程中的参数，获得最佳图像；6）调节钻头结构、喷嘴结构、喷距、泵压、拍摄位置等，进行流场测试；7）关闭激光器等设备的外部电源，利用Tecplot软件对存储图像进行处理计算，获得实验结果。

3 PID钻头流场测试

PID钻头流场测试实验在高压水射流试验台上进行。将玻璃井筒固定在试验台上，PID钻头安装在玻璃井筒内部的钻杆下部，用激光器照射钻头底部及环空区域，打开高清相机拍摄水中颗粒运移情况，再用Tecplot软件对存储图像进行处理计算，获得井底射流速度、环空上返速度等参数。实验过程中，高压乳化泵将纯水注入磨料罐，纯水与钢粒在磨料罐内充分混合形成固液两相流，通过高压管进入玻璃井筒中的钻杆，再从钻头喷出形成粒子射流，在井筒内形成井底和环空流场。粒子射流中钢粒直径为1mm，钢粒体积分数为2%。

3.1 泵压对PID钻头流场的影响规律

固定喷距为25mm，选取泵压分别为3，4，5 MPa，对PID-23和PID-34钻头进行井底及环空流场测试。通过软件进行图像处理后，可得到不同泵压条件下的井底射流速度及环空上返速度。由图3、图4可以看出，射流撞击井底岩石后反弹，大量粒子与井壁碰撞数次后沿环空上返，部分粒子形成旋流，难以返出。PID-23钻头流场存在明显的涡旋，PID-34钻头较为均匀，涡旋不明显，说明PID-34钻头更有利于粒子的返出。

图3 泵压3 MPa条件下PID-23钻头流场

图4 泵压3 MPa条件下PID-34钻头流场

PID钻头井底射流速度、环空上返速度随泵压的变化曲线如图5所示。从图5可以看出：井底射流速度随泵压的增加而增大，PID-34钻头的井底射流速度略高于PID-23钻头；环空上返速度随泵压的增加呈线性增加，PID-34钻头的环空上返速度明显高于PID-23钻头。

3.2 喷距对PID钻头流场的影响规律

固定泵压为5 MPa，选取喷距分别为 25，30，35mm，对PID-23和PID-34钻头进行井底及环空流场测试。通过软件进行图像处理后，可得到不同喷距条件下的井底射流速度及环空上返速度（见图6）。

随喷距的增加，井底射流速度先增大后减小，当喷距为30mm时，井底射流速度达到最大，PID-34钻头的井底射流速度高于PID-23钻头；环空上返速度随喷距的增加基本保持不变，PID-34钻头的环空上返速度明显高于PID-23钻头。

图5 PID钻头井底射流速度、环空上返速度随泵压的变化曲线

图6 PID钻头井底射流速度、环空上返速度随喷距的变化曲线

4 喷嘴射流性能测试

喷嘴射流性能测试实验在高压水射流试验台上进行。将喷嘴安装在高压水射流试验台的出水管上，开泵形成纯水射流，用激光器照射喷嘴正前方区域，打开高清相机拍摄水中颗粒运移情况，再用Tecplot软件对存储图像进行处理计算，获得喷嘴出口射流速度等参数。实验过程中，流场测试范围为喷嘴正前方12～87mm。

图7为25°/13°双锥度喷嘴在泵压 4 MPa条件下形成的纯水射流流场。从图7可以看出，喷嘴形成的射流流场均匀，收敛性较好，出口最大速度达80 m/s以上，射流边缘速度明显低于中心段速度。

选取泵压分别为 1，2，3，4 MPa，对 4 种喷嘴进行流场测试，得到不同泵压下不同喷嘴的射流速度，作出不同喷嘴出口射流平均速度随泵压的变化曲线（见图8）。可以看出，随着泵压的增加，喷嘴出口射流速度逐渐增大。在泵压1 MPa条件下，4种喷嘴的出口射流平均速度相差不大，随着泵压的升高，射流平均速度差距明显，13°收缩喷嘴对射流的加速效果最好，25°收缩喷嘴最差。不同喷嘴的加速性能由好到差依次为13°收缩喷嘴、圆柱形喷嘴、25°/13°双锥度喷嘴、25°收缩喷嘴。

图7 喷嘴出口纯水射流流场

图8 喷嘴出口射流平均速度随泵压变化曲线

25°/13°双锥度喷嘴射流流场均匀，收敛性最好，射流形成的能量最集中；13°收缩喷嘴收敛性最差，能量最发散（见图9）。不同喷嘴的射流收敛性由好到差依次为 25°/13°双锥度喷嘴、25°收缩喷嘴、圆柱形喷嘴、13°收缩喷嘴。综合考虑喷嘴的加速性能和射流收敛性，认为25°/13°双锥度喷嘴最适合用于PID钻头的粒子射流加速。

图9 不同喷嘴射流图像对比

5 结论

1）PID钻头在井底形成的粒子射流撞击井底后反弹，经过与井壁多次碰撞折返进入环空。PID-23钻头流场存在明显的涡旋，PID-34钻头涡旋不明显，更有利于粒子的返出。

2）PID钻头井底射流速度随泵压的增加而增大，随喷距的增加先增大后减小，喷距30mm时井底射流速度最大；环空上返速度随泵压的增加呈线性增加，随喷距的增加基本保持不变。

3）综合分析不同喷嘴的加速性能和射流收敛性，认为25°/13°双锥度喷嘴用于PID钻头效果最佳。

4）PID-34钻头井底射流速度高，环空上返速度快，更有利于井底破岩和粒子上返。建议优选三刀翼四喷嘴PID钻头结构，配套25°/13°双锥度喷嘴，设计加工全尺寸PID钻头，开展粒子冲击钻井现场试验，试验中保持喷距30mm，以达到最佳破岩效果。