（安全技术及工程专业论文）PDC变径钻头力学特性及结构设计.pdf

塑! ! 坠里 p d cv a r i a b l ed i a m e t e r d r i l l i n gb i tm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r a ld e s i g n a b s t r a c t f h ee x p l o r a t i o no fd a q i n go i lf i e l dm i n ei n d i c a t e st h a tm a s s i v eo i lg a s e ss t i l lr e s e r v ei nt h e d e e pp l a c eo fo i lf i e l di nc e r t a i na r e a s i no r d e rt od e v e l o pt h i sp a r to fe n e r g y , t h e r e f o r em u s t c a r r yo nw e l ld r i l l i n gw o r ki no r i g i n a lo l dw e l la p e r t u r ef o u n d a t i o n b e c a u s et h em a j o r i t yo fo i l ，_ _ w e l l so fd a q i n go i l f i e l du s ed r i v ep i p eo f 5 坛，i t sd i a m e t e ri s 由1 2 3 7 m m ，i fd r i l l i n g o p e r a t i o n so nt h eb a s i s i t sn e x tl e v e lo fd r i v ep i p e sd i a m e t e rw i l lb es m a l l e r , w i l lm a k e 血el a t e r p e r i o dd e v e l o p m e n to f t h eo i lf i e l di n c o n v e n i e n ti n e v i t a b l y t h e r e f o r ed e v e l o po n ek i n do fp d c v a r i a b l ed i a n l e t e rd r i l l i n gb i tu n d e rs m a l lw e l la d e r t u r ec o n d i t i o nt om e e tt h ew e l ld r i l l i n gn e e d o fd a q i n go i lf i e l dw h i c hc h a n g e st h ed i a m e t e ro fd r i l lb i t ，w h i c hh a st h ee x t r e m e l ys i g n i f i c a n t a p p l i c a t i o nv a h i et oe x p a n dt h eo i lf i e l dp r o d u c t i o n t h i sa r t i c l ei so n er e s e a r c hw o r k w h i c h a i m sa td a q i n go i lf i e l do l dw e l lr e f o r m a t i o n a i m i n ga tt h ep r o b l e me x i s t i n gi nr e a m e rb i ti nc u r r e n td a y , t h i sa r t i c l er e f e r st ot h e r e g u l a t i o no fw e l ld r i l l i n gh a n d b o o k ，c o m b i n e st h ed e s i g nm e t h o do fr e a m e rb i tn l a th a sh a da t p r e s e n ta n dd a q i n go i lf i e l d sc o n c r e t eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n , p u t sf o r w a r do n ek i n do fp d c v a r i a b l ed i a m e t e rd r i l l i n gb i tu n d e rs m a l lw e l la p e r t u r ec o n d i t i o n ，a n da n a l y s e sa n dr e s e a r c h e s h y d r a u l i c sc h a r a c t e r i s t i co fp d cv a r i a b l ed i a m e t e rd r i l l i n gb i t ，n o z z l eh o l eb o t t o mf l o wf i e l d ，d 蟛 e f f e c t so ft h ed e n ts h a p eo nt h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co f t h ed r i l l i n gb i ta n ds oo n w a r e rc o n s e r v a n c ys t r u c t u r eo fp d cv a r i a b l ed i a m e t e rd r i l l i n gb i ti sr e f e f r e dt ot h ew o r k i n g p e r f o r m a n c ea n dt h el e n g t ho ft h es e r v i c et i m eo ft h ed r f i l i n gb i t i nv i e wo ft h i ss i t u a t i o n ， e s t a b l i s ht h ec a l c u l a t i n gp r o c e d u r eo fh y d r a u l i cp a r a m e t e ro fp d cv a r i a b l ed i a m e t e rd r i l l i n gb i t ， t h ep r o c e d u r ec h o o s e sd i f f e r e n tc o m p u t a t i o nm o d u l eb a s e do nt h ef l o wp a r t e l t lo f 血ef l u i d a n d c o m p u t a t i o nm o d u l eh a sg o o dp a r a m e t e ri n p u ts u r f a c e ，c a l lm e e tb a s i cn e e d so fh y d r a u l i c s c o m p u t a t i o n ，a n da p p l yf l u e n tc o m p u t a t i o nh y d r o m e c h a n i c ss o f t w a r et oc a r r yo nn o z z l eh o l e b o t t o mf l o wf i e l ds i m u l a t i o no ft l en o z z l eo fp d cv a r i a b l ed i a m e t e rd r i l l i n gb i t p u tf o r w a r d r e a s o n a b l en o z z l ef o r m ，s t r u c t u r a ls t y l eo fc h i pr e m o v i n gf l u t ea n dt h ed i s t r i b u t i n gr e g u l a t i o no f f l u i df i e l do fd r i l l i n gf l u i da n dc a r r yo na n a l y s i so ft h ep d cv a r i a b l ed i a m e t e rd r i l l i n gb i tf l u i d f i e l di n c l u d i n gi n t e n s i t y , p r e s s u r e ，s p e e da n ds oo n i n t e g r a t el i q u i dm e c h a n i c sp a r a m e t e r c a l c u l a t i n gp r o c e d u r e p r o p o s es u i t a b l eh y d r a u l i c sp a r a m e t e n f i n a l l y ，p a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ed i s c u s s i o no ft h ec r o w ns h a p ed e s i g no fp d cv a r i a b l e d i m n e t e rd r i l l i n gb i t ，r a d i c a ld i s t r i b u t i o no fc u t t i n gd e n t ，a n dc i r c u m f e r e n t i a ld i s t r i b u t i o no f c u t t i n gd e n ta n dr a k ea n g l eo fc u r i n gd e n ta n dt h ed e s i g no fa n g l eo fy a w a n do nt h eb a s i so f t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dd e s i g no fe x p e r i e n c e w eh a v ep r o p o s e dr a t i o n a ls c h e m eo fp d c v a r i a b l ed i a m e t e rd r i l l i n rb i t k e yw o r d s ：p d cv a r i a b l ed i a m e t e rd r i l l i n gb i t ，h y d r a u l i cp a r a m e t e r , n o z z l e ，h o l eb o t t o mf l o w f i e h t ，c h i p r e m o v i n gf l u t e 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 1 p d c 钻头概述 第一章绪论 p d c 钻头( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c tb i t ) 是随着p d c 复合材料的发展而发展 起来的一类新型钻井工具。国外在上世纪七十年代中期开始研究，八十年代初投入使用， 同井下马达、随钻测试及计算机在钻井上的应用被称为八十年代的四大钻井新技术，现已 成为石油天然气钻井的重要工具。我国从八十年代初开始了解p d c 钻头，8 5 年引进少量 试用，在“七五”期问才开始发展自己的p d c 钻头以满足国内钻井需要。8 6 年开始一方 面组织力量研究p d c 钻头，一方面直接从国外引进p d c 钻头制造设备，8 8 年两条p d c 钻头引进生产线相继投产，同时国内其他很多厂家也开始用国产原材料试制p d c 钻头，各 主要油田在适应地层中大力推广使用p d c 钻头，使国内p d c 钻头用量和在钻井总进尺中 所占比例逐年上升“。 国内外许多单位对p d c 钻头的设计、制造和使用都作过大量的研究开发工作。但是， 目前国内p d c 钻头的发展水平与国外相比有很大的差距，主要体现在两个方面：一是加工 没备和原材料方面，二是科研和设计技术方面。在加工设备和原材料方面，引进的生产线 与国内各厂家的生产线差别较大。二在科研和设计技术方面，由于国内起步晚，科研投入 的人力、物力远不及国外公司，所以无论合资厂、引进厂或其他厂都明显落后于国外。迄 今为止，国内还没有完全掌握先进的p d c 钻头设计技术，没有系统的设计理论和设计方法， 国内p d c 钻头厂主要都是照搬或仿照国外设计，不具备自行设计、开发新产品的能力，这 极大地制约了国产p d c 钻头产品质量的提高和钻头技术的进一步发展。因此，对p d c 钻 头设计技术进行研究是一项迫切需要进行、意义深远的工作。 p d c 钻头是将人造聚晶金刚石复合片作为切削齿镶焊于钻头胎体( 或镶嵌于钻头刚 体) 上以切削方式破碎岩石的一种新型切削型钻头，在软到中硬地层中与井下动力钻具配 合使用，具有转速快( 高于牙轮钻头两倍以上) 、寿命长( 高于牙轮钻头4 6 倍) 、稳定 性好、单位进尺成本低等优点。在大段软到中等硬度地层中显示出很好的破岩性能和显著 的综合经济效益。因此，p d c 钻头具有十分广阔的应用前景。 一般来1 龅，一支普通的p d c 钻头售价从几万到几十万不等，其能否在钻进过程中取得 良好的经济效益的关键是在钻头损坏之前使每个p d c 切削齿充分发挥其切削能力，这主要 由钻头的设计和加工工艺决定。p d c 钻头结构变化多，对适应地层和使用条件很敏感，需 要针对具体地层性质和使用条件进行设计，设计非常灵活，工作量大。p d c 钻头的设计分 为前期准备、布齿设计、工作性能分析和其他部分设计四个阶段，其中最重要的是布齿设 计。在实际p d c 钻头设计中，不同的布齿方式，会导致钻头尺寸、喷嘴大小及位置等发生 变化，可设计成多种的结构形式，即使在钻头尺寸、喷嘴大小及位置相同的情况下，也可 能有不同的布齿方式。所以p d c 钻头布齿设计具有相当大的灵活性，也有很大的难度，其 没计质量的好坏直接决定钻头工作性能的优劣。在进行p d c 钻头布齿设计时先根据资料和 经验确定钻头总体结构、切削齿的大小和数目、布齿方式、喷嘴大小和数目等，然后确定 钻头冠部形状和切削齿的空间位置。p d c 钻头常规布齿设计方法是图解调整法，即：初定 钻头结构类型和主要参数手工绘制布齿图在图上量出待求结构参数一评估设计方案 一调整参数重新绘制布齿图，直到满意为止。 第一章绪论 1 2p d 0 钻头水力学特性 p d c 钻头是以剪切方式破碎岩石的，由于钻进速度快，一方面大量岩屑需要迅速倾底清 除，以防止重复切削和产生泥包；另一方面切削齿对温度非常敏感，如果冷却作用不足， | 刃削齿在井底的高温环境中将会快速磨损失效，从而严重影响p d c 钻头的使用寿命。因此 钻进过程中的水力因素对p d c 钻头非常重要。喷嘴和排屑槽一起提供了清洗和冷却p d c 切削齿及减少岩屑向环形空间排除所经距离的基本流动模式。其中喷嘴是钻头水力系统的 重要组成部分，p d c 钻头对井底的清洗和对钻头的冷却都通过喷嘴的水力作用来实现，为 了充分的利用钻头所获得的水力能量，必须深入的探讨喷嘴的水力参数，并在此基础上改 进喷嘴。加深对喷嘴的研究，对改善p d c 钻头的水力系统，乃至对提高p d c 钻头的整体 性能具有极其重要的意义”3 。 1 2 1p d 0 钻头水力学 钻头水力学对p d c 钻头性能有着全局性的影响，所以要合理控制p d c 钻头的水力因 素，使其能有效地携带岩屑，清洗井底和钻头，避免泥包，冷却切削齿，并发挥水力破碎 岩石的作用，从而提高钻头的机械钻速和钻进效率。也就是说，要最大限度地充分利用钻 头可获得的水力能量，才能获得最优钻头性能，这在深井钻井时尤其明显。在这些情况下 系统能量损耗降低了钻头上可利用的水力能和机械能。钻头水力学对p d c 钻头性能的影响 主要表现在以下三个方面： ( 1 ) 钻头冷却 当p d c 钻头钻进较硬或腐蚀性较强的地层时，切削齿的工作部分，是温度升高的部分。 p d c 复合片的热稳定性上限温度为7 5 0 ，在钻进过程中，当切削刃的温度超过7 7 5 时， p d c 将迅速衰变，磨损加剧。因而尽可能保持p d c 切削齿冷却以延长钻头寿命是至关重 要的，这可以通过喷嘴在所有切削齿的p d c 表面和切削齿基底周围产生高速流来实现。 ( 2 ) 井底清洗 由于p d c 钻头主要靠剪切作用并较深的吃入地层来破碎岩石，所以有大量的岩屑需要 从井底及时清除，尤其在软地层，钻速常常主要取决于钻头清除岩屑的能力如何。为某一 地层设计的p d c 钻头，即使只有一小部分岩屑不能立即从井底排走，这些岩屑也可能粘结 到钻头上的滞流区，最终导致钻头泥包。将岩屑快速地从井底移运到环空，可大大的提高 机械钻速。另外使重复切削滞留在井底的岩屑所耗费的能量减少到最小，也能提高钻头的 机械效率。因此最大的移屑速率将使p d c 钻头具备最大机械钻进潜力。 ( 3 ) 辅助破岩 p d c 钻头的喷嘴出口到井底的距离非常小( 一般小于1 0 倍喷嘴直径) 。射流在到达井 底的过程中，水力能量损耗较小，在软地层中钻进时可借助水力射流冲刷地层，实现水力 直接破碎岩石，提高钻头的机械钻速。综上所述，虽然每种钻头的特定需求或应用可能不 同，但水力学设计的主要宗旨应该都是： ( a ) 冷却切削齿： ( b ) 保持钻头体清洁： ( c ) 将岩屑迅速的移运至环空。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 12 2p d c 钻头水力学研究 关于p d c 钻头水力学的研究目前可归纳为两个大的方面：一方面是钻头水力参数研 究，另一方面是钻头井底流场和水力结构研究。钻头水力参数研究主要包括使用过程中为 提高钻速和延长钻头使用寿命所应采取的水力控制参数和措施，如排量、泵压、喷嘴直径、 钻头水功率和钻头冲击力等。钻头井底流场和水力结构研究主要是钻头设计者在研究液流 在井底的流动规律以及液流的清岩和冷却机理的基础上，为使井底液流和水力能量分布达 到最优的清岩和冷却效果而在钻头设计时研究所应采取的结构形式，如喷嘴尺寸、形状、 安放位置、倾角以及钻头流道形状和布置等。 12 3p d c 钻头水力学研究方法 p d c 钻头水力结构的研究是在对液流在井底和钻头面上的流动规律，水力能量分布以 及液流的清岩和冷却机理研究的基础上进行的，即针对钻头的不同机械结构( 机械破岩所 需的结构形式) ，研究其配合不同水力结构形式时所产生的井底流速场和压力场，然后根 据水力作用对井底和钻头的清岩和冷却机理，找到与某种机械结构的钻头相匹配的，能使 岩屑尽快离开井底和切削刃，以最短路径到达井壁并举升到环形空间的良好的井底流场， i 司时研究产生各种不同井底流场的水力结构条件，为钻头的水力结构优化设计提供依据。 由于在井底条件下，钻头表面结构复杂，有若干喷嘴，对p d c 钻头有切削齿、筋板、 流道等，再加上钻头的旋转，因此根据目前流体力学的基本理论，用解析的方法还不能描 述如此复杂结构条件下的流动问题。对井底流场的研究通常采用的方法是针对某一具体结 构的钻头，通过流动显示实验进行描述和评价。但这种方法受实验条件及仪器设备的限制， + 般不能给出完整的流道描述结构，且对不同结构的钻头必须制造不同钻头模型进行实 验，实验条件不能进行灵活的改变，导致研究成本较为昂贵。高速计算机的出现，使得通 过采用数值计算的方法求解流体力学基本方程的设想成为可能，目前计算流体力学已广泛 应用于各种水力计算。对钻井井底流场的描述与研究也出现了数值模拟方法“。因此， 到目前为l e ，关于井底流场的研究及描述方法分为流动显示实验方法和数值模拟。流动显 示实验方法又具体分为( 1 ) 染色液法”1 ；( 2 ) 贴线法n 1 ；( 3 ) 涂漆法。3 ；( 4 ) 示踪颗粒 轨迹法”。 染色液法是在循环时从钻头某一水眼注入染色液体，观察染色液体在钻头表面上的覆 盖而积，从而求出较好地覆盖整个钻头面( 或井底) 的喷嘴组合。用这种方法只能定性研 究喷嘴液流所能冲洗和冷却到的钻头面，对钻头井底流场的研究不是一种有效的研究手 段。贴线法是在要研究的钻头表面粘贴上柔软的彩色短线，当流体循环时彩色短线随液流 方向摆动，彩色短线的摆动方向即为液流流动方向。用这种方法可以定性研究钻头表面的 流场特征，发现钻头表面的旋涡区和滞流区。涂漆法研究钻头流场有三种测试方式。第一 科r 是“鲜漆测试”，其方法是首先在钻头面上涂上一层漆，并晾干，然后再涂上一层与第 一层漆的颜色形成鲜明对比的漆。在第二层漆涂上之后就立即开始实验( 即开泵循环) 循 环几分钟后停泵，循环流体冲刷第二层漆后留在钻头表面的鲜漆图案即为液流孵流线圈 案。第二种是“点漆测试”，这种测试是在第种测试之后，对所得到的流线方向有怀疑 的地方进行补充测试。其方法是在第一层漆晾干之后，那些对流动方向有怀疑的地方滴上 与第一层漆有鲜明对比的漆点，然后开泵循环，通过漆点在钻头表面的扩散情况，进一步 解释该处的流动方向。第三种是“冲蚀测试”，其方法是在钻头上涂上若干层漆，每层漆 要晾干后在涂下一层，每层之间的颜色要形成对比。等漆干了以后开泵循环，进行冲蚀实 验，根据冲蚀掉的漆的层数判断钻头面的冲蚀程度和易冲蚀点。用涂漆测试的方法可以描 第一章绪论 述流体在钻头面上流动的各种不同的流动结构，如旋涡、冲蚀点、回流等，但这也是一种 定性的实验研究方法。示踪颗粒轨迹测试方法是目前研究p d c 钻头井底流场应用比较成功 和有效的方法，这种方法是在循环流体中加入具有适当尺寸和密度的一定量的颗粒，当液 流循环时颗粒跟随液体一起循环，每个颗粒相当于一个流体质点，用高速摄影技术将颗粒 在井底的运动轨迹留在胶片上，通过对摄影胶片的图像处理，可以得到井底某平面的液流 速度场，这不仅可以确定液流方向，还可以确定在平面上的液流速度值。不过，目前这一 技术只能用于二维流场的研究。 数值模拟方法是近几年随着计算流体力学学科的发展而产生的种研究钻头流场的 方法“o “。主要内容是通过求解p d c 钻头条件下的三维不可压缩流体的n a v i e r - s t o k e s 方 程，在汁算机上再现p d c 钻头井底流场的物理图象。通过这种方法可以较全面完整地描述 p d c 钻头的三维流场，并可以比较灵活的变化钻头的水力结构条件，为钻头的水力结构的 优化没计提供便利的研究手段。不过，利用这种方法，要求计算机要有大的存储容量和运 算速度。随着大型计算机的不断出现和数值方法的不断完善，这种方法将有比较广阔的发 展前景。 1 3 本文研究的主要内容 本文将针对目前扩孔钻头的发展现状，结合大庆油田的实际情况，提出随钻扩孔或钻 后扩孔的一种适合在小井眼条件下作业的p d c 变径钻头设计方案，并应用v i s u a lb a s i c 语 言和f l u e n t 软件对p d c 变径钻头的各项水力参数进行分析、计算与井底流场模拟。主 要研究内容： l 、设计出一种适合在小井眼条件下钻井作业的p d c 变径钻头； 2 、运用v i s u a lb a s i c 语言编制软件对p d c 变径钻头的水力学参数进行分析与计算： 3 、运用f l u e n t 软件对喷嘴井底流场进行模拟： 4 、对p d c 变径钻头切削齿的布齿及受力进行理论分析。 第二章p d o 变径钻头的设计 p d c 变径钻头具有高钻速、长寿命、低成本、便于维护等特点。它可以随钻扩孔也可 以实施钻后扩孔，因而具有很广泛的应用前景。 变径钻头主要用于套管以下裸眼井段的扩孔，还可用于为下入较大一级直径的套管或 获得较大的固井水泥环形空间及扩大不稳定地层井段的小井眼等工况下的一种扩孔钻具。 本设计主要是针对老井改造而开展的，因为在油田深处的某些区块仍存在大量的油气储 量。为了开发这部分能源，因此要在原有老井眼的基础上进行钻井作业，而目前油田大部 分油井采用5 坛的套管，其通径为中1 2 3 7 m m ，如果在此基础上进行钻井作业，其下一级 套管直径将更小，势必给油田的后期开发带来诸多不便。根据查阅大量资料表明，目前国 内外还没有关于小井眼扩孔钻头的论述，因此研制一种满足大庆钻井需求，随钻扩孔或钻 后扩孔的种小井眼条件下的p d c 变径钻头，对发展油田生产具有非常重要的应用价值。 2 1 p d o 变径钻头的结构设计 2 1 1 钻头主体结构设计 p d c 变径钻头由主体、v 型密封总成、活塞体、刀体总成、推块及喷嘴总成等部件组 成“”“1 ，具体结构如图2 1 所示。 91 0 1 1 5 3 1 一主体2 一v 型密封总成 3 一活塞体4 一刀体总成5 一推块6 - 内六角螺钉 7 一剪切销8 一喷嘴总成 9 一v 型密封总成l o 一导向接头 图2 1p d c 变径钻头结构示意图 1 一p r i n c i p a lp a r t 2 - va i r p r o o fa s s e m b l y 3 一p i s t o ns t y l e 4 - r e a m e ra s s e m b l y5 一b u n tb l o c k 6 i m a e rh e x a n g u l a rc r o pb o l t7 一c u te x p e n d8 - n o z z l ea s s e m b l y 9 一va i r p r o o f a s s e m b l y 1 0 - o r i e n t e dt i e - i n f i g 2 一lp d c r e a m e rs t r u c t u r es k e t c hm a p 整三烹1 2 1 壅堡熊兰塑堂生 212p d 0 变径钻头的工作原理 随钻扩孔工作时，剪切销钉闭锁刀体，当领眼钻头在钻穿水泥环的过程中，刀体不会 向外伸出，实现正常钻进；当要进行扩孔作业的时候，增大泵的排量提高泵压，剪断剪切 销钉，刀体解锁，在活塞推力的作用下使刀体张开，实现变径扩孔；当结束作业的时候， 停象，从井口处投入击3 5 m m 的钢球，陔钢球会自动的落入到扩孔钻头的活塞体上端面的 截流口处。起泵后蹩压，压力推动活塞体运动，通过楔形块将扩孔刀头拉回到刀具体内。 213p 1 ) 0 变径钻头的工作过程 p d c 变径钻头工作时，其主要的工作过程可分为以下四个方面： ( 1 ) 正常钻进。变径钻头前端设置中1 1 8 r a m 的领眼钻头，在套管鞋上部，刀块处于 闭锁状态，此时实现小孔径钻进作业。 ( 2 ) 刀体解锁。该工具设计有剪切销钉，在额定的泵排量下钻水泥塞时扩孔刀头不 会伸出损伤套管。一旦钻头钻穿水泥塞进入新地层后，提高泵冲，在额定钻头压降下剪断 剪切销钉，扩孔刀头伸出开始扩孔作业。 ( 3 ) 变径扩孔。p d c 变径钻头是利用钻头压降在管柱内外压差推动活塞体运动。活 塞体与扩孔刀头用楔形块相连接，当活塞体运动时，通过楔形块推动扩孔刀头伸出实现扩 孔作业。扩孔孔径为刀体张开直径，即巾1 4 5 m m 。 ( 4 ) 收缩变径。扩孔作业完成后停泵，从井口处投入中3 5 r a m 的铜球，该钢球会自动 的落入到扩孔钻头的活塞体上端面的截流口处。起泵后蹩压，当泵压达到5 m p a 时，推动 活塞体运动，通过楔形块将扩孔刀头拉回到刀具体内。从而实现退刀作业。 2 14p i ) 0 变径钻头主要结构尺寸 根据大庆油田给出的钻井作业技术条件( 如泵的排量、泵压等) ，考虑抽油井套管尺 寸、扩孔尺寸要求、钻头的结构及圭要零部件的受力情况。p d c 变径钻头的主要结构尺寸 如下： 外型尺寸( m m )中1 1 8 1 3 0 0 领眼钻头直径( m m ) 1 1 8 钻进直径( m m ) 1 1 8 扩孔直径( m m )1 4 5 最大外径段长度( m m ) 5 5 5 最大外径( m a n ) 1 1 8 2 2p d o 变径钻头水力结构设计 p d c 变径钻头的水力结构关系到钻头的工作性能的好坏和使用寿命的长短。p d c 切削 齿除了受地层硬度和研磨性以及瞬时载荷影响外，另一个主要因素就是由于主体和切削齿 大庆石油学腕碾上研究生学位论立 受水力冲蚀而影响钻头的使用寿命。网此钻头水力结构设计是p d c 变径钻头设讣的重要环 铀2 一。 2 ，2 1 喷嘴的设计 p d c 变径钻头喷i 觜的合理设计和配型姓极为重要的，原幽其一一足p d c 变襁钻头以剪 黝形式破舟，而且具有极高的机械钻速，从而不断产生大越的岩屑，急需清除：其二是聚 晶金川石的热稳定性的上限温度为7 0 09 c 左右，在扩孔切削的过程中，p d c 娈径钻头切削 凶应靠水力妯行强制冷却和润滑。但是，值得说明的尾，过大的射流速度可导致钻头体表 脚的冲蚀，导致切削齿和喷嘴脱落。 p d c 变径钻头冠部应台理地配置喷嘴，以清洗钻头、防止钻头泥包及冷却切削齿。喷 嘴的作用，以及钻头冠部设计应使岩屑排向排屑槽。而且喷嘴和排悄槽为p d c 变径钻头提 供了清洗和冷却的挞本液流方向。喷嘴的配置和取向基本原则是：罐个喷嘴能清洗和冷却 一组复合片。并且台适的喷嘴直径w 以使p d c 变径钻头得到高速钻进所需耍的钻头压力降 和单位面秘上的水功率。 设计中采用的4 个喷嘴的设计方案，即3 个中5 r a m 、1 个中8 m m 。喷嘴总成及喷嘴详 幽见圈2 ，2 、图2 3 所示。 l 256 、 一 。、厉惑缪紊i l l 旷眵”埯犍 彩 1 喷嘴体2 - 六角螺钉3 。弹性挡圈4 一喷嘴s 密封圈6 - 六角螺钉7 - 密封圈8 - 弹簧垫圈 图2 - 2 喷嘴总成 i - n o z z l es t y l e2 - h e x a db o l t 3 - e l a s t i c i t yb l o c k 4 - n o z z l e 5 一p r e s s u r i z el b l d 6 一h e x a db o l t 7 一p r e s s u r i z ef o l d 8 一e l a s t i c i t yg a s k e t f i r 2 - 2n o z z l ea s s e m b l y 苎三童翌! 壅墨堂兰塑丝生 i ：。1 - l - 1 、0 j o i 一 ? 一。：。 、一r 。j _ ， 一一一j 。一 l e ：。i - 了1 ， o 、j ：，。! ，一：。， 国2 - 3 喷嘴详囤 f i g 2 3n o z z l ed e t a i ld r a w i n g 2 22 调整喷嘴的方位角和喷射角度 在满足冷却及清洗切削齿和携带岩屑的基础上，适当的调整喷嘴的方位角，使喷嘴的 射流尽量避开直接喷射到切削齿上，而指向较大的排屑槽，可减少水力能量对切削齿和刀 翼体的冲蚀。此外如粜增大喷嘴与钻头轴线之间的夹角( 喷射角度) ，可使射流在冲击井 壁反刺到钻头体和切削齿的距离增加，同样可以减小喷嘴水力能量对切削齿和钻头体的冲 蚀。 2 2 3 增加变径钻头排屑槽的深度 增加变径钻头排屑槽的深度，同时也增加了喷嘴至井壁的距离这样一方面增加距离 可使喷嘴射流反射到钻头体的能量大大降低；另一方面增加变径钻头排屑槽的深度可使钻 头襄面的过流面积增大，对喷嘴射流在冲击井壁后向周围漫流的阻力明显降低，减轻了射 流对钻头基体的冲蚀。 2 3p d c 变径钻头布齿设计 2 3 1 p d c 变径钻头冠部轮廓设计 冠部轮廓设计是在单锥、浅锥、双锥三种基本轮廓上进行的“”。单锥轮廓钻头主要使 用于软地层，它常常镶嵌大切肖0 齿，这种轮癣的钻头容易发挥水力作用，在较软地层中能 产生高机械钻速。适合于低到中等密度布齿，适用于钻进极软到中软地层。浅锥轮廓钻头 加强了切削齿的抗载荷能力而具有较长的寿命，适合于低到高密度布齿，适用于钻进软到 中碗地层。取锥轮廓钻头具有尖的鼻部和深的内锥，适合于中到高密度布齿，适用于钻进 中到中硬地层。 按不同的设计原则设计钻头时，钻头具有不同的理论冠部曲线方程式： 等体积原则： z f j ( 等卜 等切削原则： 等功率原j j 0 = = 俩3 7 - 1 d r n ( 穷砌 一切削齿在钻头r 处的轴向距离，m m 钻头半径，i n i n ，一切削齿所在钻强径向距离，m m ”， ，一试验测定指数，与切削齿和岩石性质有荧 c 一积分常数 在上述方程中，均包含参数，钻头所适应的地层越硬，- 越犬，冠部外锥越短：反 之，r 越小，冠部纠、锥越长。 根据大庆油田的具体地质条件，采用等切削原则进行冠部轮廓- 最计在三种基本轮廓 耻论f m 线方程进行拟台的基础上，结台钻头设计经验和使用钻头类比，确定出适台大庆地 层的扩孔刀头冠部轮廓形状，浅锥，双圆弧冠部轮廓，外锥长度适中。这种烈圆弧_ 形轮廓 剖面具有的特点一是使得扩_ j f l 2 3 头表面尽可能有效地布置切削齿，二是使刀头从鼻部切削 齿到保径切削齿能够圆滑的过渡。 2 3 2 切削结构设计 切自u 结构设计包括切自n 齿的大小尺寸、切削角度、布齿密度、布齿方法等。根据所钻 地层的岩性特点，选择中1 3 3 n u n 标准直径的p d c 复合片作为切削元件：根据所钻地层的 软硬程度和岩性特点以及p d c 复合片的破岩特点，随着地层硬度的由低到高，切削齿的切 削角度逐渐由小到大，但一般控制在1 0 。3 0 。之间。而切削齿的侧转角度则随着扩孔刀头 的切削刀翼的不同而不同。直切削刀翼上切削齿的侧转角一般取5 。1 5 。，而螺旋切削刀翼 k 切削齿的侧转角则随着螺旋线的变化。布齿密度是根据所钻地层的硬度和研磨性而决定 的，一般偏重于按照较硬夹层的布齿密度的原则进行设计。 2 4 本章小结 根据大庆油田具体的地质条件，综合运用机械设计、钻井工程、流体力学等多门学科， 设计出随钻扩孔或钻后扩孔一种适合小井眼条件下的p d c 变径钻头。 第三章喷嘴参数设计 第三章喷嘴参数设计 在石油钻井过程中，喷嘴的水力参数是个很重要的因素，p d c 变径钻头对井底的清 洗和对切削齿的冷却都通过喷嘴来实现。泥浆射流是通过钻头上的喷嘴形成的。它给予井 壁岩石一个强大的冲击力，能使其迅速及时的离开井底。喷嘴水力特征参数影响射流的质 量，关系到整个水力参数计算是否准确。为了充分利用钻头所能获得的水力能量，必须深 入探讨喷嘴的水力参数和位置参数对p d c 变径钻头水力性能的影响。 3 1 喷嘴水力特性 钻井工程要求提高射流水力能量，而射流水力能量是由钻头水力能量转换而来的，转 换效率主要取决于喷嘴的水力特性，而不同类型的喷嘴其水力特性也是不同的c l a - 1 9 。 3 1 1 喷嘴水力特性 喷嘴的水力特性是指喷嘴形成的射流的扩散角大小和等速核的长度以及喷嘴流量系数 的大小。 ( 1 ) 射流扩散角 喷嘴射流刚出口的一段，其边界母线近似于直线，并张开一定的角度n ，d 角就称为 射流扩散角( 如图3 - 1 ) ，它表示射流的密集程度。实验证明，扩散角越小则射流的密集性 就越高，能量也就越集中，射程就越远。从钻井角度来讲，扩散角越小越好。 ( 2 ) 喷嘴流量系数 根据流体力学可知，喷嘴流量系数是喷嘴 的实际流量与理论流量的比值。它表征喷嘴对 泥浆的阻力的大小，常用c 表示。c 值越大， 实际流量就越接近理论流量，表明喷嘴的阻力 越小，能量的损失也就越少。显然，c 总小于 ( 3 ) 射流等速核长度 射流在喷嘴出口处具有喷射速度v o 。然而 在它离丌喷嘴出口后，由于受到井底泥浆的巨 大阻力，射流的分布速度发生了很大的变化。 如图3 1 所示，图中矢量线表明了速度的大小 和方向，d 为喷嘴直径。 射流出口后的一段长度内的中心部分始 终保持着出口时的速度v 0 ，这个中心部分就称 为射流的等速核( 如图3 - 1 ) 。等速核的长度用 l 。表示。这段射流以后，射流轴线上的速度迅 速降低，射流能量也随之迅速衰减。 等速核是射流能量集中的部分。但由于钻 1 0 图3 - 1 喷嘴射流 f i g 3 1 n o z z l ei n s i n u a t ef l o w 大庆石油学院硬士研究生学位论文 头结构方面的原因，喷嘴出口与井底之间总有一定的距离。因此从钻井角度来讲等速核越 长越好，当喷嘴一定时，等速核越长，则能量最集中的部分就越接近井底，对井底的清洗 效果也就越好。 3 1 2 喷嘴选用原则 优选喷嘴，改善井底流场是提高钻速的一条重要的途径。而影响喷嘴流量系数、射流 扩散角和等速核长度的主要因素是喷嘴的流道形状。所以我们要得到理想的射流形状和足 够的射流水力参数，就必须选好喷嘴。从钻井要求来讲希望选择射流密集性好、流量系数 高、射流扩散角小并且等速核长的喷嘴。 3 2p d c 变径钻头水力参数 对于钻井有实际意义的是射流水力参数。但是射流是泥浆通过钻头的喷嘴以后产生 的，由于喷嘴对泥浆的流动有阻力，所以它要损耗一部分能量。在钻井设计中，不仅要计 算射流的能量还要考虑喷嘴所损耗的能量。钻头的水力参数就反映了这两部分能量，它包 括钻头压力降和钻头水功率。 3 2 1p d c 变径钻头压力降 钻头压力降就是指泥浆流过钻头喷嘴以后泥浆压力的降低值( 如图3 2 所示) 。在泥 浆流入喷嘴前取一点1 ，在泥浆流出喷嘴后取一点2 ，并设点l 和点2 处的泥浆压力和速 度分别为p 。、v 。和p 2 、v 。，喷嘴的高度为h 。根据流体力学原理，我们可以写出关于点l 和点2 的伯努力方程 h + 墨十竖：墨+ 堕+ ( 3 - 1 ) y2 9y2 9 式中 g 一重力加速度 y 一比重 由于h 很小可以忽略不计。￥：为喷嘴的出口流速，v ， 相当于泥浆在钻柱中的流速，在实际钻井中v 远小于v z ， 因此v 。2 和v 。2 相比较也可以忽略不计。h 为泥浆流过喷嘴 后的损失水头，可以将h 以速度水头形式表示为 h = 善箬。善为喷嘴的阻力系数，表示损失水头相当 丁| 实际速度水头的孝倍。于是( 3 - 1 ) 简化为 丝：l y2 c 2 9 1 翰纩 | 2 v 图3 - 2 钻头压力降计算示意图 f i g 3 2a i g u i l l ep r e s s u r ed r o p t , c c o u l l ts k e t c hm a p ( 3 - 2 ) 第三章喷嘴参数设计 式坼p 2 就是泥浆流过喷嘴的压力降i 用只标c 为喷嘴的流量系数，c = 压。 则 只= 甍 仔s ， 将2 罢和y = 偿代入式( 3 _ 3 ) 可得 ( 3 4 ) 以上各物理量均为国际单位。为了应用方便超见，我们采用工程单位，则式( 3 - 4 ) 变为 只：型 ”2 0 c 2 a ： 式中 圪一钻头压力降，m p a a o - 钻头上所有喷嘴的总流通面积，c 群 q 一泥浆排量，l i s ： p 一泥浆密度，g c m 3 c 一喷嘴流量系数，无因次。 3 2 2p d o 变径钻头水功率 ( 3 - 5 ) 钻头水功率是指泥浆流过钻头时所消耗的水力功率，它的大部分转变成射流水功率 小部分则用于克服喷嘴阻力而做功。根据流体力学原理，钻头水功率为： m 瑚= 磊 ( 3 6 ) 钻头水功率比是指钻头端面在单位井底投影面积上所消耗的水力功率，它是用来衡量 水力能量利用水平的参数，既有 睨= 等 将式( 3 - 6 ) 代入式( 3 - 7 ) 可得： 叱= 彘 ( 3 7 ) ( 3 8 ) 大庆石油学院硕士研究生学位论文 式中 n 。一钻头水功率，k w 也一钻头端面在井底平面上的投影面积；以= 譬，c 拧 ( 其中d 。为钻头直径，c m 。) f 以一钻头比水功率：k w c m 为了充分利用钻头所获得的水力能量，清洗井底和冷却钻头，国外一些学者就比水功 率对p d c 钻头水力性能的影响进行研究。p a r k 认为2 3 h s i ( i h s i 一0 1 1 4 k w o m 3 ) 就能 提供p d c 钻头所需的清洗和冷却能力。r a d v k e 对p d c 钻头的水基泥浆钻井数据所作的分 析表明，钻头比水功率的昂优范围取挟于钻头直径，并推荐p d c 钻头比水功率的最小值约 为6 的2 t i i s i 到1 7 5 的5 0 h s i 。h o l s t e r 用水基泥浆和油基泥浆分别对m a n c o s 页岩、 p i e r r e 页岩和b e r e a 砂岩三种岩石中进行试验研究，试验表明在大多数情况下，钻速随着 比水功率的增加而增加，但是当比水功率增加到2 3 h s i 以上，其上限应结台用于不同地 层的钻头类型以基泥浆固相古量米考虑，避免钻头冲蚀。 3 3p d o 变径钻头压力降计算 钻头压力来自地面上泥浆泵的泵压，并且是通过泥浆循环来传递的。由于任何能最在 传递过程中，总是要发生能量的损耗，泥浆泵将压力佑递到钻头上时，也必然要损失一部 分能量。因此，只要求出循环系统的压力损耗，就能得到钻头上的实际压力降。应该指出， 人们并不准确知道井底钻井液的实际情况，地而所测得的流体参数值通常与井底的值不 同。目前有一些用于计算压力损耗的模式，在相同条件下每种模式所得到的值都不相同。 后面介绍了三种相关的计算模型， 3 31 循环系统压力传递过程 压力从泥浆泵传递到钻头上，是通过泥浆在循环系统中的流动来实现的。泥浆循环系 统主要是由地面管汇、钻柱内部、钻头喷嘴和钻柱与井壁之间的环形空间四部分组成的。 泥浆流过这四部分，都要受到阻力，而克服阻力就要消耗压力，因此能量损耗分成四个部 分： ( 1 ) 泥浆存地面循环管虻中的压力