（油气井工程专业论文）粒子冲击钻井钻头喷嘴实验研究.pdf

i r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：矽jf 年月7 日 学位论文使用授权书 。 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：沙，1 年多月j 日 日期：加i1 年舌月日 r一，一 ； 摘要 粒子冲击钻井技术( p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g ，简称p i d ) 是一种新型的钻井技术，该技 术能够有效的提高深井硬地层钻速，美国p d t i ( p a r t i c l ed r i l l i n gt e c h n o l o g yi n c ) 公司已 经进行了理论研究与现场应用试验，目前技术已经比较成熟。 根据现场的实际情况来看，喷嘴的磨损情况比较严重，粒子冲击钻井钻头喷嘴的磨 损规律以及喷嘴的优化设计还需要继续改进，采用理论分析与室内实验相结合的方法， 研究探索粒子冲击钻井钻头喷嘴的磨损规律，为喷嘴的结构优化设计提供理论依据，从 而提高喷嘴的破岩效率，延长喷嘴的寿命。 本文通过对粒子冲击钻井钻头喷嘴磨损规律的理论研究与分析，总结了材料冲蚀磨 损的规律，得出影响喷嘴磨损的几种因素( 喷嘴的结构参数、材料、射流压力、粒子的 特性等因素) ，并选取四种喷嘴进行室内喷嘴磨损实验，获得四种喷嘴的磨损参数，分 析粒子冲击钻井破岩机理，再结合喷嘴磨损规律的理论研究与分析和实验情况，对喷嘴 进行结构优化和设计。 关键词：粒子冲击钻井，硬地层，喷嘴磨损规律，参数优选，喷嘴设计 弋， s t u d yo ne x p e r i m e n to f b i tn o z z l eo fp a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g x ul u n a n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx u y i j i a b s t r a c t p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n gt e c h n o l o g y ( p i df o rs h o r t ) i san e wd r i l l i n gt e c h n o l o g yt h a tc a l lo b v i o u s l y i m p r o v et h es p e e do fd e e pd r i l l i n gi nh a r df o r m a t i o n u s p d t i ( p a r t i c l ed r i l l i n gt e c h n o l o g yi n e ) h a s c o n d u c t e de s s e n t i a lr e s e a r c ha n df i e l da p p l i c a t i o nt e s t s a c c o r d i n gt oo n - s i t ea p p l i c a t i o n , w e a ro f t h eb i tn o z z l ei ss e r i o u s ，w e a l o ft h eb i tn o z z l e a n dt h en o z z l eo p t i m i z e dd e s i g na l s on e e dt ob ei m p r o v e d i nt h i sp a p e r , t h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dl a b o r a t o r yt e s t i n ga r ec o m b i n e dt os t u d yt h er u l e so nw e a ro ft h en o z z l e ，i no r d e rt o p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h en o z z l es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o _ nd e s i g n ，s oa u st oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fr o c kb r o k e no ft h en o z z l e ，e x t e n dt h el i f eo ft h en o z z l e ，t h i sp a p e rm a i n l y c o m p l e t et h ef o l l o w i n ga s p e c t so fw o r k b yc a r r y i n go u tt h ea n a l y s i so f t h ep a r t i c l ei m p a c td r i l l i n go fb i t ，t h ea r t i c l es u m m a r yt h e l a wo ft h em a t e r i a le r o s i o n ，o b t a i nt h ef a c t o r st h a ta f f e c tw e a ro ft h en o z z l e ( t h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r so ft h en o z z l e ，m a t e r i a l so ft h en o z z l e ，p r e s s u r eo ft h eje t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f p a r t i c l e sa n ds oo n ) ；c a r r y i n go u tt h en o z z l ew e a l e x p e r i m e n t ，o b t a i nt h ew e a l p a r a m e t e r so f t h ef o u rk i n d so fn o z z l e s ；a n a l y s i st h er o c kb r e a k i n gm e c h a n i s mo fp a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g ， c o m b i n et h ec i r c u m s t a n c e so fw e a ro ft h en o z z l ea n dt h ee x p e r i m e n t ，o p t i m i z et h en o z z l e s t r u c t u r ea n dd e s i g nt h eb i t k e y w o r d s ：p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g ，h a r df o r m a t i o n ，r u l e s o nw e a l o ft h en o z z l e ， p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，n o z z l ed e s i g n q 口1 q l 目录 第一章绪论l 1 1 水射流技术概述以及应用1 1 2 磨料水射流技术的研究现状3 1 3 粒子冲击钻井的现状- 3 1 3 1 粒子冲击钻井工作原理3 1 3 2 粒子冲击钻井发展过程4 1 。3 3 粒子钻冲击井工艺原理6 1 3 4 粒子冲击钻井的破岩机理描述7 1 r 3 5 粒子冲击钻井系统的特点7 1 4 深井硬地层钻井技术概况7 1 5 课题的研究目标、内容、拟解决的关键问题。：8 1 5 1 课题研究目标8 1 5 2 研究内容9 1 6 拟解决的关键问题，j ：- 。9 1 7 课题的研究方法、技术路线及其可行性分析9 1 7 1 研究方法9 1 7 2 技术路线9 1 7 3 可行性分析1 0 1 7 4 课题的创新性1 0 第二章喷嘴冲蚀磨损理论1 1 2 1 课题背景及国内外研究现状1 1 2 2 磨料射流喷嘴磨损机理及研究现状1 1 2 2 1 冲蚀造成的磨损1 1 2 2 2 磨料造成的磨损1 5 2 2 3 材料疲劳磨损1 8 2 2 4 扩散磨损1 9 2 3 几个导致喷嘴磨损的因素1 9 2 3 1 喷嘴内流道表面粗糙度1 9 2 3 2 喷嘴材质的制造缺陷1 9 2 3 3 材质偏析带来的影响1 9 2 3 4 射流压力带来的影响一1 9 2 3 5 粒子速度对磨损的影响。2 1 2 3 6 结构参数对磨损的影响2 2 2 3 7 材料影响磨损的规律2 2 2 3 8 粒子特性的影响规律2 4 2 4 本章小结2 7 。 第三章硬质合金喷嘴冲蚀磨损机理研究2 8 3 1 实验目的：2 8 3 2 设备以及实验准备2 8 3 2 1 设备的原理。2 8 。 3 2 2 磨料罐原理一j 3 3 3 2 3 磨料罐操作：3 5 3 3 实验方法及步骤3 7 3 4 实验数据的测量3 8 3 5 实验数据的处理方法3 8 3 5 1 锥直喷嘴。3 8 3 5 2 通孔喷嘴4 0 3 5 3 锥型喷嘴。4 1 3 5 4 流线型喷嘴4 2 3 6 本章小结4 4 第四章粒子冲击钻井喷嘴设计4 6 4 1 粒子冲击钻井破岩机理4 6 氛 l 4 2 喷嘴的设计4 7 4 2 1 喷嘴的基本结构以及冲蚀特点。4 7 4 2 2 磨料喷嘴的结构特点5 1 4 2 3 磨料喷嘴的入口收缩段设计5 1 4 2 4 磨料喷嘴的圆柱段设计。5 5 4 3 本章小结5 6 第五章结论5 7 参考文献：5 8 致j 射。6 0 v 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 水射流技术概述以及应用 在古代，中国人发现水滴经过自由下落获得动能，获得动能后经过长时间的打击可 以击穿坚硬的岩石，随着时代的发展和科技的进步，我们给予水滴比原来大得多的能量， 使得原来需要很长的时间才能完成的过程可以在比较短的时间内就能完成。 随着科技的进步，水射流技术得到了飞速的发展，应用范围日渐扩大，目前在石油 行业、航空领域、建筑行业、化工行业、水利工程方面、市政、建材行业等多个领域广 泛采用，可以对材料清洗、切割以及破碎，近几年，高科技迅速普及，又发展出了电子 束、激光束等新型的切割方式和手段，上述方式属于热切割加工，但是水射流是属于目 前为止的一种冷切割切割方式，在对有些工作场合和有些特殊要求的场合，水射流有独 特之处。 水射流经过喷嘴喷出，形成不同速度、不同形状的高速水流束，其流速大小主要取 决于喷嘴出口前后的压力降，早期我们只利用水射流做粗略的加工，比如利用水射流进 行采煤，在十九世纪中期，在北美第一次使用了高压水射流开采矿床，在本世纪五十年 代初，我国利用水射流的冲击和输送作用进行采煤，随着技术的推广，我们意识到提高 它的工作压力才能使其有更广泛的应用。 在七十年代，水射流切割技术和高压水射流清洗进展很大，八十年代，高压清洗已 有了很大的发展以及普及应用，七十年代早期在美国i n g e r s o l l r a n d 公司的m i k e - c a r t n e y 公司研发并制造了第一台水切割机，后来流体公司研制出水切割，超高压水射流切割以 及清洗技术是水射流行业研究、探讨的热点。 经过前人近几十年的努力，高压水射流( w a t e rj e t ) 切割技术以及清洗技术的设备有 了明显的改观，而且，为了提高高压射流对材料的切割以及清洗效果，世界各个国家的 科研人员进行了很多的实验，相继出现了空化射流、脉冲射流、共振射流、摆振射流、 聚能射流和磨料射流等新的技术，目前以磨料射流技术应用最为广泛，发展迅速【1 1 。 高压水射流技术的应用十分广泛，其应用范围主要包括以下几个方面： 水射流在矿山开采中的应用 i k 阻 第一章绪论 主要作用：a 水射流采煤机起辅助破碎煤层的作用，在瓦斯含量较高的煤层可以用 高压水射流破碎，因为是冷切割不产生火花，b 降尘除尘的作用，对煤层有润湿作用， 降低煤层粉尘量，提高安全性。 水射流在石油工业中的应用 水射流在钻井过程中还可以起到辅助破岩的作用，与单一常规钻井相比相效率更 高，旋转钻井的能量利用率低，能量损失大，而喷射钻井技术却有了很大的改善，美国 将该技术应用于深井和超深井，钻井速度提高了1 1 3 5 倍，国内从2 0 世纪6 0 年代初 期也开始研究喷射钻井理论，7 0 年代初期开始现场应用，成绩显著，国内的喷射钻井技 术突破了国外传统的喷射钻井经济水功率范围的限制，使钻速提高，成本下降，国内的 研究表明水射流技术不仅起到清理井底岩屑的作用，还起到破岩作用，从而得出结论： 在泵功率允许的条件下，增加射流在井底的水功率能提高钻井速度、降低钻井成本，为 了达到增加井底水功率的目的，除了增加地面机泵功率外，采用加长喷嘴可以提高射流 在井底的工作效率，现场使用加长喷嘴牙轮钻头后，钻井速度和进尺都有了增加，平均 钻速提高4 7 - - - - 7 0 ，进尺提高6 5 15 0 。 2 0 世纪7 0 年代初，m a u r e r 等人和f a i r 就曾阐述高压射流技术具有提高钻速的潜在 优势，他们在佛罗里达州和德克萨斯州进行了试验，结果表明高压射流钻井速度是常规 方法的1 2 - - - 2 9 倍。 从另一方面来讲，水射流技术也可用于采油过程中，旋转水射流钻水平井的新技术， 可以使老油井从新复活，大幅度提升油井产量，水射流射孔技术可以用于完井过程，可 延长油井生命周期，自振空化射流解堵技术，可提地层的渗透率，起到油井解堵的作用。 在建筑工程中的应用 在建筑过程中采用喷浆技术还可以加固建筑物的地基，而且还可用于墙壁的钻孔以 及墙壁面的整修。 在清洗方向的应用 清洗是高压水射流应用最为广阔的领域之一，多用于换热器、管道、船舶、锅炉等 的除锈和清洗。 水射流技术在其它方面的应用 水射流在加工领域可用于材料的车、铣和除毛刺等，在医学方面用细水射流进行手 2 i 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 术切割称为射流手术刀，另外，还可以遥控高压水射流清洗核污染区和核电站。 1 2 磨料水射流技术的研究现状 在水射流中混入磨料颗粒就是磨料射流，它是8 0 年代发展起来的新型射流，通常分 为磨料浆体射流和磨料水射流两种情况，近年来还出现了一些新的磨料射流形式，如冰 粒射流、低温磨料射流等等。 。磨料射流是磨料颗粒与高速流动的水或与高压水相互混合而形成的液固两相射流， 它是目前应用最广的一种磨料射流，又分为前混合式和后混合式，磨料浆体射流是预先 将各种添加剂与磨料、水配置成为浆体，利用高压泵增压通过喷嘴而形成的，磨料浆体 射流具有牛顿流体不能取代的特性而倍受关注，1 9 8 9 年r 赫尔杰克与w d 彭等人首先发 表了这方面的论文，国内也有学者对此也有研究。 由于有了磨料的加入，极大的提高了射流的效果，磨料射流以其特有的优势在清洗、 除锈以及切割方面有着相当广泛的应用，磨料射流切割是8 0 年代中期进入实用阶段的新 技术，与等离子切割、激光等共同形成了板材切割技术的主要趋势，同时磨料射流加工 技术也同渐成熟，除了用于非金属、金属与的切割外，还可用于磨削、切削、钻孔、铣 削、抛光等加工。 。 。 近年来，磨料射流的研究又发展出现了新的趋势，杨海滨，杨永印等在磨料浆体旋 转射流破岩钻孔特性实验研究中，通过定点冲蚀岩石实验研究磨料浆体旋转射流的破岩 钻孔实验表明，磨料浆体旋转射流冲蚀岩石形成的破碎坑呈“v 形，与非旋射流相比， 相同水力参数下磨料浆体旋转射流的钻孔直径增加1 2 倍左右，破岩体积提高约4 倍，添 加剂聚丙烯酰胺对提高射流的破岩钻孔深度有明显地促进作用。 1 3 粒子冲击钻井的现状 1 3 1 粒子冲击钻井工作原理 公司总部位于美国t e x a s 的h o u s t o n ，是处于快速发展中的的公司，公司开发的粒 子冲击钻井( p i d ) 装置并不是准备用于钻井的全部阶段，而是单独应用于硬地层和极 硬地层的钻进过程之中，因为这一部分地层虽然占的比例不大，但是对钻速的影响很大， k 噍 第一章绪论 对钻具的磨损影响也很大，当钻遇到硬地层时可以采用p i d 钻井技术，它与普通钻井技 术相比可以大幅度提高钻速。 其工作原理是利用钻井液的能量，将其中含有的球形钢制粒子加速来破碎岩石，它 与常规钻井有所区别，这种技术是通过把粒子在某处被加入钻井液中，通过高压泵对钻 井液加压，粒子因此提高速度，对岩石进行破碎，钻井液将岩屑、完好的粒子以及破损 的粒子待到分离设备中进行分离，将岩屑与破损粒子处理，完好的粒子重新进入钻井液 中继续使用【2 】。 表1 - 1 粒子钻井进展 t a b l e l - 1 d e v e l o p m e n to fp a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g 试验时间地点实验结果 室内 进行7 天室内实验，对钻硬地层的效果 阶段 2 0 0 5 4 实验室 评价 实验进行7 小时，钻进2 8 m ，钻速提高5 。2 0 0 6 1 2 u t a h 州 倍 2 0 0 7 2 u t a h 卅i钻进8 小时，钻进3 6 6 m ，创造运行记录 现场 2 0 0 7 3t e x a s 美国坚硬、具研磨性的岩层总进尺 试验 1 0 4 5 m ，平均钻速5 4 m h 对注入系统实验，靠机械力使粒子进到 2 0 0 8 6e a s tt e x a s 立管中 2 0 0 9 6 现场6 ”井眼，成功6 2 口井 1 3 2 粒子冲击钻井发展过程 柯尔特、夏普和格雷戈里受射弹冲击破岩的启发，利用水力能量驱动球形钢粒破碎 岩石，并提出了粒子冲击钻井新概念( p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g ，简称p i d ) ，其发展过程经 历了以下几个过程： ( 1 ) 室内实验： 2 0 0 5 年3 月2 6 日，p d t i 公司在实验室试验了两种p i d 钻头，实验是在全真的环境中 进行的，以此来测试公司设计的粒子钻进系统各个部分的性能，结果表明：为使实验产 生预期的效果，应采用大排量的钻头，但是这种钻头还需要再进行改善，此外工作人员 还对地面设备进行了测试，并相应进行了改善。 ( 2 ) 现场试验： 4 一 氩 噍 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 0 0 6 年6 月，由p d t i 公司第一次开发完成了现场试验井，井深超过3 0 0 0 m ，实验的 地层主要是硬地层和强研磨性地层，可以比较充分的了解在实际钻井时p i d 钻井各个系 统的工作状况，从而发现其薄弱环节在何处，通过现场的试验观察发现，地面泥浆泵、 管线、粒子注入设备、阀门等不能充分的满足p i d 钻井的需要，需继续完善，2 0 0 6 年8 月，公司进行第二次试验，然而，试验中的泥浆泵压力太高，导致失效，钻井试验再次 失败，直到1 1 月，p d t i 公司经过再次改良设备后，终于再次成功地完成第二口现场试验 井，同时创下p i d 钻井最长的现场钻进记录，在本次试验中利用p i d 技术钻进了7 h ，取得 进尺为2 8 0 m ，而常规钻头技术在该地层的钻进效率则比较低，由于地面设备泵、管线 和阀门等设备在粒子的磨损下，使用寿命大大减少，从而导致p i d 钻井持续的时间比较 短，2 0 0 7 年1 月p d t i 公司完成了第三次p i d 技术的现场试验，通过调整，本次试验中p i d 钻井系统与特制钻机基本可以完成协调运行，因此这次达到了钻进8h ，进尺3 6 6 m ，是 进行试验以来的最长记录，不过问题仍然存在，由于管线内存在高速运动的粒子，地面 设备被粒子击穿，粒子储罐的鼓膜驱动管线和循环系统的一个标准止回阀失效，这些因 素都限制了p i d 技术的发挥，2 0 0 7 年4 月，p d t i 公司在t e x a s 东部第四次试验了p i d 钻井系 统，这次试验是在井深3 8 1 0 m 左右处进行的，该深度主要层段是的t r a v i sp e a k 层段，这 一 种层段是美国最常见的然而也是坚硬度最高和最具研磨性的岩层种类之一，本次试验主 要检验了相关新设备的工作性能，需要检测的新设备包括固控分离处理设备、泥浆循环 系统、粒子储存设备以及新设计的p i d 钻头( 直径为2 1 6 m ) 等，通过测试，设备基本能 够满足需求，由于新设备的性能比较好，本次试验的总进尺为1 0 4 5 m ，是上次试验进尺 的3 倍左右，在钻速方面，与常规钻井工艺相比，p i d 钻井也有很大优势，在同样地层井 段，常规的钻井技术钻速为2 6 m h ，而p i d 钻井的平均钻速达到了5 4m h ，2 0 0 7 年6 月， p d t i 公司经过研究改进，在现有粒子喷射系统的泵的基础上，又设计研究了更加适合 p i d 钻井的泵，同时公司也对其他系统进行了改进，主要是将以挤出机为基础的进步喷 射系统进行了更新，通过多年的研究，最终p d t i 公司将粒子冲击钻井所取得的最新进展 和成果在2 0 0 9 年的报告中提出：已经可以成功的钻出了口孔径为6 ”的井，并且能够保 证1 0 0 移除岩石碎屑和粒子，目前p d t i 公司正在实验室中进一步研究试验尺寸更小的 和更大的p i d 钻头，从而适合各种钻井状况p 】。 5 第一章绪论 1 3 3 粒子冲击钻井工艺原理 粒子钻井系统主要由以下几个部分构成： 图1 - 1 粒子钻井工艺图 f i 9 1 - 1 t h ec h a r to fp a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g 粒子注入系统 螺旋挤压机 子处理系统 子旋转储罐 图1 - 2 粒子冲击钻井装置实物图 f i g l - 2 d e v i c e so f p a r t i c l ei m p a c td r i l l i n g 粒子冲击钻井钻头内安装有高压磨料射流喷嘴，它的作用是对钻井液和球形磨料粒 子进行加速的机构，使其以一定的速度辅助破岩，粒子冲击钻井钻头底部有硬质合金材 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 料的牙齿，用以破碎岩石，地面控制设备用以回收磨料粒子和钻井液以及破损的粒子和 井底上返的岩屑，并且将岩屑和破损的粒子进行分离，磨料粒子注入设备将磨料粒子在 鹅颈管处以一定比例注入钻井液中，随钻井液共同进行破岩。 1 3 4 粒子冲击钻井的破岩机理描述 粒子冲击钻井的破岩过程：磨料粒子加速至一定的速度从高压喷嘴中冲出，冲击在 井底，由于粒子的直径很小，粒子与井底岩石的接触面积也很小，会产生相当大的应力， 当磨料粒子的速度、直径大小在一个合适的范围内时，粒子冲击产生的应力足以破碎岩 石，并且可以在岩石内部形成裂缝，此时，压力较高的钻井液会挤入岩石裂缝中，在粒 子冲击钻井钻头、磨料粒子和钻井液的共同作用下，岩石比较容易破碎，由此提高钻井 速度，此外，由于有了磨料粒子的加入，粒子冲击钻井的扭矩和钻压要求较小，对于提 高地面设备、钻具和钻柱的寿命也有积极的作用。 1 3 5 粒子冲击钻井系统的特点 。 粒子冲击钻井改变了破碎岩石的方式，有利于能量的有效利用，当遇到坚硬或者极 硬地层时，由于粒子的破岩比功很小，需要的扭矩和钻压小，减少了钻具和钻柱的磨损， 有助于减少钻井时间，而且最大限度的控制了井下事故的发生，由于粒子冲击钻井的井 眼是在磨料粒子的冲击下形成的，井眼轨迹和直径比较容易控制，可以有效防止井斜。 但同时，粒子冲击钻井系统也有它自身的缺点：由于在钻井液中加入了硬质的球形 粒子，由此造成地面的设备的过度磨损，影响了其使用寿命，目前也有公司在积极的改 进中，会使地面设备的寿命有大幅度的提高，对于钻头和喷嘴的改进也在进行中。 目前，系统还需要注意以下的问题：粒子参数的选择，通过优选磨料粒子的材质、 硬度和尺寸，实现更高效的破岩，延长设备的使用寿命；优化设计粒子冲击钻井喷嘴和 钻头，提高钻速，缩短钻井周期：对粒子的净化再利用，提高粒子的使用效率。 1 4 深井硬地层钻井技术概况 本课题属于中国石油天然气集团公司“粒子冲击钻井技术研究”项目。 7 第一章绪论 随着油气田的开发，资源日益减少，在深部的硬地层寻找油气资源是未来的主要方 向，由于深井中岩石的硬度大，钻进难度大，容易井斜，容易产生井下事故，这样就影 响了深部地层的油气资源的开发。 图1 3 说明：硬地层占进尺的百分之二十，但是钻井成本却占总成本的百分之七十， 地层硬度越大，钻速越慢，成本越高。 图1 3 硬地层钻井概况 f i g l - 3o v e r v i e wo fh a r df o r m a t i o nd r i l l i n g 粒子冲击钻井技术，就是在常规的钻头旋转钻进机械破岩的同时，结合钻井液中的 硬质粒子对地层高频冲蚀辅助机械钻进，从而大幅度提高机械钻速，粒子冲击钻井过程 中加入的钢珠等磨料粒子，能够对井底岩石产生高频冲蚀和研磨作用，大大地提高射流 的品质和工作效率，有效地降低了硬地层钻井施工过程中地面设备的工作压力，是一种 提高硬地层的勘探开发效率的高效破岩钻井方法【4 】。 k 1 5 课题的研究目标、内容、拟解决的关键问题 畦 1 5 1 课题研究目标 经喷嘴的优化设计、材料的选择设计出粒子射流喷嘴，通过开展实验优选出结构合 理，工作寿命长，性能稳定的喷嘴，得出各种因素如：喷嘴内流道结构、喷嘴材质对粒 子射流喷嘴的磨损影响规律提供一种为粒子钻井钻头安装的粒子射流喷嘴。 8 k 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 调研粒子射流喷嘴磨损基本理论； 粒子射流的理论研究， 喷嘴磨损影响因素的理论研究。 ( 2 ) 初步设计出粒子射流喷嘴； ( 3 ) 进行粒子冲击钻井的实验研究，探索出不同因素对喷嘴磨损情况的作用规律， 这些因素包括： 粒子射流喷嘴内流道结构， 粒子射流喷嘴材质， 射流参数。 ( 4 ) 对最优化的参数进行分析、重复实验，从而形成粒子冲击射流喷嘴结构的优 化设计方案。 1 6 拟解决的关键问题 ( 1 ) 寻找坚硬的耐磨材料以及加工方式减少喷嘴磨损； ( 2 ) 一优化设计喷嘴内表面的几何形状，提高喷嘴破岩效率并减少粒子对喷嘴的冲 蚀和磨损。 1 7 课题的研究方法、技术路线及其可行性分析 1 7 1 研究方法 采用理论研究和实验研究相结合、以实验研究为主的研究方法开展粒子冲击钻井钻 头喷嘴实验研究。理论研究部分主要是通过分析粒子冲击钻井过程中，射流的工作参数、 喷嘴的结构参数、喷嘴材料的性能参数等对磨料射流的喷嘴磨损规律；实验研究部分主 要是通过不同参数下的室内实验研究，探索喷嘴磨损规律，进而优选参数，形成喷嘴设 计方法，理论分析与实验结果的有效结合，对粒子冲击过程中的喷嘴磨损情况进行探索。 1 7 2 技术路线 ( 1 ) 调研粒子钻井喷嘴磨损方面的数据； 9 k 第一章绪论 ( 2 ) 根据喷嘴磨损机理、射流破岩影响参数，初步设计具体的实验方案： ( 3 ) 进行实验探索喷嘴的材质、喷嘴结构、射流参数等参数对喷嘴内流道的磨损 规律； ( 4 ) 对实验结果进行分析； ( 5 ) 设计喷嘴，实验验证喷嘴的可靠性。 1 7 3 可行性分析 高压水射流技术研究作为油气井工程的特色方向，在众多领域都取得了突破性的进 展，具有丰富的水射流理论基础，系统的建立了新型射流理论和应用体系，利用已经设 计的射流实验装置，可进行实验参数优选，以及淹没状况下对粒子冲击喷嘴磨损影响的 实验，国外有专门的粒子冲击钻井公司，并且已经进行了室内和现场实验，结合实验工 具，通过实验验证破岩影响参数以及喷嘴磨损程度，可以预见，通过老师的正确指导和 努力严谨的研究，本课题一定能够取得成功。 一 1 7 4 课题的创新性 本课题的实验研究部分要探索粒子射流喷嘴磨损规律，通过优化喷嘴设计参数，找 到一种能解决喷嘴磨损的方法，即提高喷嘴的耐磨性。 粒子射流喷嘴的抗冲蚀磨损性能还取决于材料的组成分布，通过合理设计喷嘴的不 同部位材料组分分布，控制材料的成分分布，从而提高喷嘴入口的力学性能，达到提高 其抗冲蚀磨损能力的目的。 1 0 | i 曩 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章喷嘴冲蚀磨损理论 2 1 课题背景及国内外研究现状 高压磨料水射流技术是八十年代出现的新加工技术，使用高压磨料水可以加工金属 材料、非金属材料及各种复合材料，由于其切割质量好、无热效应、节约原材料等优点， 已经在许多行业中得到广泛应用，其工作原理是通过一定的技术手段，将一定粒度的粒 子加入到高压管路系统中，使高压射流与粒子进行允分地混合后再经喷嘴加压后喷出， 从而形成具有极高速度的磨料射流，在这个过程中，磨料粒子得到了充分的加速，具有 较高的动能，因此对材料进行切割或破碎时工作压力可以大大地减小，切割比能耗也极 小，高压磨料射流喷嘴在切割过程中起关键作用，其使用寿命和性都直接关系到射流的 质量和加工成本，由于磨料的加入，使得喷嘴的磨损情况十分严重，生产成本增加而生 产效率降低1 5 j 。 一 对喷嘴磨损的影响主要因素有：磨料射流的工作参数( 射流压力和流量) 、喷嘴的参 数( 喷嘴直径和喷嘴入口收缩角) 、喷嘴材料的参数( 喷嘴材料的硬度和加工质量) 、磨料 的特性( 磨料颗料的浓度、硬度和形状) 等。由于高压磨料水喷嘴的制造和加工难度较大， 也影响了其使用。 2 2 磨料射流喷嘴磨损机理及研究现状 对前混合磨料喷嘴的磨损机理研究得出冲击最严重的部位也正是喷嘴实际磨损最 严重的地方，原来的研究认为喷嘴的出口磨损最严重，但有学者认为这是不完全正确， 将冲蚀后的喷嘴线切割，发现圆锥段和直线段的结合处磨损最严重【6 j 。 延长喷嘴的寿命，提高其性能的方法有两种：一是研究磨料粒子在喷嘴内的运动规 律，优化喷嘴内流道形状；二是探索新型耐磨材料。 高速磨料粒子对喷嘴的磨损，性质上属于磨料磨损的范畴，磨料磨损包括有冲蚀破 碎和滑动磨料磨损、高应力碾碎式磨料磨损、冲蚀磨损，此外还有其它一些磨损。 2 2 1 冲蚀造成的磨损 冲蚀磨损是指固体表面同含有固体粒子的流体接触做相对运动其表面材料所发生 飞 k 第二章喷嘴冲蚀磨损理论 的损耗，冲蚀磨损是常见的一种磨损形式，是造成射流喷嘴损坏报废的重要原因之一， 因此，探讨冲蚀磨损的产生和机理，对改善设备零部件的使用和提高其使用寿命有着重 要意义。 ( 1 ) 射流冲蚀： 液体对固体表面的高速冲击产生使表面损伤的两种效果： 液体在冲击点产生高压； 液体从冲击点开始呈放射状沿着表面高速流动，这种现象发生在初始压力脉冲 消失的时候。 在射流过程中，液体和金属表面之间的每一次冲撞都会造成损伤，在被冲击面上造 成一个周向裂纹，裂纹的程度取决于材料性质和冲击能量的大小，冲击以后液体便高速 地向四周流散，当向四周散开的液体冲击到附近的表面突起时，其冲击力波及其根部造 成裂纹，其它液滴随之而来的冲击就把裂纹加宽或将突起整个折断，液体的冲蚀过程可 以通过以下示意图2 1 表示出来： 。 一 一 丛 ( 2 ) 固相颗粒的冲蚀 图2 - 1 射流冲蚀金属表面机理示意图 f i 9 2 - 1 t h es u r f a c em e c h a n i s ms c h e m a t i cd i a g r a mo f j e t 1 2 k 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 冲蚀对材料所造成的损害，多半为砂粒冲击所致，其冲击方式如图2 2 所示，会在材 料表面造成弧状凹痕( c r a t e r ) 之形态，而影响材料冲蚀速率之因素，诸如：冲击砂粒之形 态、尺寸、速度、流量及受冲击材料本身之性质等。 卢 吣 图2 - 2 固体颗粒冲击材料表面示意图 f i 9 2 - 2 t h es c h e m a t i cd i a g r a mi m p a c to nt h es u r f a c eo fs o l i dp a r t i c l e s 一 材料的冲蚀机构，可归纳为塑性冲蚀及脆性冲蚀两种模式，一般而言，若冲蚀砂粒 是以微切肖i j ( m i c r o c u t t i n g ) 、铲挖( s c r a t c h i n g ) 等塑性变形的方式进行材料的消耗，是为塑 性冲蚀；一般金属工业材料的冲蚀多为此种型式，若耗损是由撞击应力引起的微裂纹 ( m i c r o c r a c k ) ，并伴随裂纹的延伸过程所造成，则属于脆性冲蚀，陶瓷、碳化物、氧化 物等硬脆材料的冲蚀通常属此。 塑性冲蚀机构最早由学者f i n n i e 提出，他指出多角状砂粒高速冲击材料表面时，砂 粒之突出角刃会以图2 3 ( a ) 所示刀具切削之方式，造成材料的冲蚀损耗，该冲蚀强度与 冲击角度、砂质、砂形及靶材性质间关系密切，在低角度( “5 度) 下，此种冲蚀机构亦可 能发生在伸长率仅l 2 的低塑性材料。 当冲击角度变大时，作用在材料表面的应力型态，会由低冲击角度之斜向剪切应力 为主的模式逐渐转变成反覆作用的正向压应力，此时冲蚀不再借单一的机构发生，而是 以局部塑性变形的方式，产生所谓的变形磨耗( d e f o r m a t i o nw e a r ) 。 贝尔曼曾以钢球体对铝材进行冲蚀试验，观察塑性材料的变形磨损过程，结果归纳 出挤伸( e x t m s i o n ) 与锻压( f o r g i n g ) 是磨损的主要方式，当钢球体以一定角度冲击材料表 面，若材料的强度小于钢球体的冲击力，则冲击点发生形变，形成凹痕，在其边缘形成 突起的薄片，图2 3 ( c ) 、( f ) 为此磨损方式的示意图，当突起的薄片收到后来钢球体的继 第二章喷嘴冲蚀磨损理论 续的撞击而断裂，材料因此受到磨损，所以塑性材料的磨损方式主要是塑性变形和切削 的交互作用。 图2 - 3 数种常见之砂粒冲击型态 f i 9 2 - 3 t h ei m p a c to fs e v e r a lc o m m o nt y p e so fs a n d 图( 2 3 ) ，( a ) 切削，( b ) 裂纹，( c ) 锻压与拉伸，( d ) 微裂纹，( e ) 薄片，( f ) 拉伸突 一 一 起薄片。 在高速粒子的连续撞击下，喷嘴内流道表层因金属疲劳而出现薄板状屑片( t h i n p l a t e l e t s ) 是造成材料冲蚀的另一种形式，见图2 3 ( e ) ，这种形式在球状砂粒及高角度冲 蚀下最明显，并与材料性质有较大关联：一般而言，叠差能( s t a c k i n gf a u l te n e r g y ) 高的 塑性材料，在砂粒撞击下，表层差排密度增加快速，且发生加工硬化的效果，使其变得 硬脆，加速疲劳裂纹及屑片的形成，提高断裂剥离的速率。 脆性冲蚀一般发生在硬度较高的脆性材料，冲击砂粒的硬度可能相对低于靶材，在 此情况下，材料的冲蚀不再以切削或大量塑性变形的方式进行，而是砂粒高速撞击靶材 表面时，因能量转移而形成高冲击应力场，使硬脆靶材在冲击点附近形成微裂纹，如图 2 - 3 ( b ) 所示，即使在撞击能量较低时，受连续性之冲击，也一样会在材料表面或次表面 形成疲劳裂纹，如图2 - 3 ( d ) ，这两种裂纹的模式为脆性冲蚀之主要机构。 上述裂纹在重复应力作用下，向四方延伸并彼此交错，最后导致材料的剥离，至于 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 脆性冲蚀量的大小，目前尚未建立有效可靠的计算模式，因为高冲击角度下，冲蚀速率 随材料硬度增加，确实有逐渐增高的趋势。 图2 4 为单一粒子冲击钻头体金属表面的示意图： 图2 - 4 单一粒子冲击金属表面示意图 f i 9 2 - 4 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fas i n g l ep a r t i c l ei m p a c to nt h em e t a ls u r f a c e 如图中所示，质量为m 的粒子以速度v 、倾角q 冲击喷嘴内流道材料的表面，由于 惯性力的作用对材料发生犁削作用，假设粒子在切削金属中保持完整，可以得出粒子的 冲量可以分为以下两个部分： 水平冲量：i x = m v c o s q 垂直冲量：i y = m v x s i na( 2 1 ) 垂直冲量主要是冲击喷嘴内流道金属表面引起金属表面的塑性变形，从而形成凹 坑，垂直方向的破坏程度用形成凹坑的深度h 来衡量，水平冲量主要是在水平方向上推 动粒子，对喷嘴内流道金属表面切削，可以用粒子在喷嘴内流道金属表面所划过的距离 来衡量。 由以上的分析可得出：q 一般较小，所以垂直方向的冲量很小，其大小直接取决于 质量的大小。 2 2 2 磨料造成的磨损 由于磨料射流的各种优点，尤其是工作状况相同的条件下，工作效率高于普通水射 流7 - - 9 倍，因此应用广泛，磨料的性能不同会导致磨料射流性能不同。 第二章喷嘴冲蚀磨损理论 磨料可分为金属类、矿物类以及人造矿物类，常用磨料的特性见表2 1 。 表2 - 1 常用磨料特性 t a b l e 2 - 1a b r a s i v ep r o p e r t i e so fc o m m o n l yu s e d 磨料名称代号硬度密度价格 硅s s1 1 0 03 1 便宜 柘榴石 g1 3 0 03 7 适中 氧化铝 a u1 5 0 03 5 适中 金刚砂 s e2 6 0 0 3 1 高昂 铁渣 l s5 0 03 3 便宜 磨料的符号和粒度采用两个标准，如表2 2 所示，一个标