姜海成(大慶鉆探集團(tuán)鉆井二公司 黑龍江大慶 163000)

三牙輪鉆頭的研制始于上個(gè)世紀(jì)中期，隨著三牙輪鉆頭不斷的發(fā)展、改進(jìn)和應(yīng)用，三牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，也在不斷的發(fā)生變化。其中關(guān)于牙輪鉆頭井底流場的研究，以及射流輔助鉆頭破巖理論的研究也得到了飛速的發(fā)展。隨著對石油鉆井速度提高需求的不斷加大，現(xiàn)有的牙輪鉆頭井底流場已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場的需要，如果牙輪鉆頭的工作流場不合適，很容易造成牙輪鉆頭的提前破壞，增加了牙輪鉆頭在井下發(fā)生事故的概率。由于牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成部件多，而且井下條件復(fù)雜多變，導(dǎo)致牙輪鉆頭井底流場較為復(fù)雜。鉆井液通過鉆桿流向鉆頭后，在鉆頭內(nèi)部變徑和表面不規(guī)則的位置，會產(chǎn)生大量的漩渦，在巖屑上返過程中，如果牙輪鉆頭的井底流場不合適，鉆頭形成的巖屑會得不到及時(shí)的上返，很容易造成牙輪鉆頭的損壞。如果牙輪鉆頭噴嘴的射流參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，容易造成射流和射流之間的相互干擾，嚴(yán)重的影響了牙輪鉆頭井底流場的質(zhì)量，造成的射流能量的額外損耗，大大的降低了射流輔助鉆頭機(jī)械破巖的效果，因此需要不斷的加強(qiáng)牙輪鉆頭井底流場研究。

一、牙輪鉆頭井底流場分析

多數(shù)牙輪鉆頭給巖屑和鉆井液上返預(yù)留的空間較小。牙輪鉆頭的巴掌、牙輪等鉆頭實(shí)體在井眼橫截面上所占的面積較大，基本上占到整個(gè)井眼橫截面的百分之九十左右，而給鉆井液和巖屑的上返預(yù)留的空間則較小，不到井眼橫截面積的百分之十。較小的上返空間對鉆頭巖屑的上返產(chǎn)生較大影響，特別當(dāng)鉆頭產(chǎn)生的巖屑尺寸增大時(shí)，很容易導(dǎo)致鉆頭產(chǎn)生的大塊巖屑上返不出來。鉆頭上返空間不夠大對牙輪鉆頭產(chǎn)生的影響主要有兩個(gè)方面，一是由于空間截面不大，所以相同排量條件下，流體的運(yùn)動(dòng)速度大，運(yùn)動(dòng)速度較大的鉆井液和巖屑會對鉆頭的本體產(chǎn)生較大的磨損。當(dāng)鉆頭產(chǎn)生的巖屑較大時(shí)，較小的上返空間不利于巖屑的及時(shí)上返，容易出現(xiàn)鉆頭巖屑重復(fù)切削的現(xiàn)象，巖屑重復(fù)切削不但降低了鉆頭的破巖效率，同時(shí)還會加大巖屑的壓持效應(yīng)，增加了鉆井液對井底巖石的擠壓作用，不利于鉆頭破巖和井底巖屑的清洗。

牙輪鉆頭噴嘴射流的角度和噴嘴的安裝位置等，對鉆頭射流的井底壓力場和速度場影響較大，直接決定了牙輪鉆頭井底流場的質(zhì)量。射流在井底產(chǎn)生的壓力場和速度場的狀態(tài)，直接表征了鉆頭水力系統(tǒng)輔助鉆頭機(jī)械破巖的效果。如果牙輪鉆頭的三個(gè)噴嘴的安裝位置，在鉆頭的橫截面上是完全對稱的，噴嘴的安裝位置是對稱的，傾斜角度也一樣，這樣噴嘴射流噴出的中心射流，在井底巖面上的投影會在一個(gè)圓周上，造成了中心射流的重疊。鉆頭旋轉(zhuǎn)的過程中，射流作用到井底巖面上的比例僅為百分只二十左右。這樣會影響到鉆頭井底流場的質(zhì)量，從而不利于鉆井液清洗巖屑和輔助鉆頭機(jī)械破巖的效果。理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)已經(jīng)證明，通過改變牙輪鉆頭的噴嘴組合，改變噴嘴的傾斜角度，可以改善噴嘴射流在井底的流場，提高噴嘴射流在井底的工作效率，輔助鉆頭機(jī)械破巖，還能夠保證巖石的及時(shí)清洗。

二、牙輪鉆頭井底流場射流輔助鉆頭機(jī)械破巖分析

通過對牙輪鉆頭噴嘴的井底流場分析得到，牙輪鉆頭井底流場的壓力分布，可以分為高、中、低三個(gè)部分。噴嘴直徑增大時(shí)，射流在井底產(chǎn)生的壓力就隨之增大。這是由于在噴嘴射流壓力相同的條件下，噴嘴的橫截面積大，噴嘴射流的能量越高，噴嘴的噴射距離遠(yuǎn)，形成的等速核長度要長。所以在相同條件下，大噴嘴在井底產(chǎn)生的射流壓力要明顯比小噴嘴高。不同直徑噴嘴在井底形的高低壓區(qū)域，在鉆進(jìn)過程中伴隨鉆頭的旋轉(zhuǎn)，井底的高低壓區(qū)域不斷的交替，從而造成了井底巖石受到高低壓射流的不斷沖擊。井底巖石首先受到井底大噴嘴產(chǎn)生較大射流壓力的沖擊，然后隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)，井底巖石又會繼續(xù)受到小噴嘴產(chǎn)生的較小射流壓力的沖擊，井底巖石在這一段時(shí)間內(nèi)，會受到兩次不同射流壓力的沖擊，而且存在著射流沖擊壓力差。在射流沖擊的過程中，可以認(rèn)為存在一個(gè)壓力差作用于井底巖石，而且隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)，這個(gè)壓力差會作用于整個(gè)井底巖面。高低壓射流產(chǎn)生的壓力差，有效的降低了巖石的破碎強(qiáng)度，降低了巖石破碎的門限壓力，從而大大的提高了鉆頭的破巖效率。三個(gè)牙輪鉆頭噴嘴存在布置方向的問題，如果鉆頭噴嘴的大小方向和鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反，在鉆進(jìn)的過程中，井底巖石最先受到的是大噴嘴產(chǎn)生的較大射流壓力的沖擊，然后就是中間噴嘴產(chǎn)生的射流壓力沖擊，最后是小噴嘴產(chǎn)生的較小噴嘴壓力的沖擊。每個(gè)噴嘴的射流壓力之間都會存在一個(gè)壓力差，這個(gè)壓力差對于提高鉆頭的破巖效率具有非常重要的作用。而且大小噴嘴的壓力差的大小對這效果的影響較大，大小噴嘴之間射流壓力的差值越大，三牙輪鉆頭輔助鉆頭射流破巖的效果越好。

結(jié)束語

三牙輪鉆頭在石油鉆井中發(fā)揮著重要作用。鉆頭射流具有較高的能量，如果不能充分的利用這些能量，容易造成能量的浪費(fèi)，有可能還會阻礙鉆頭的機(jī)械破巖，因此牙輪鉆頭井底流場的質(zhì)量對鉆頭機(jī)械破巖的效果影響較大。通過改善牙輪鉆頭的井底流場，可以有效的提高射流輔助鉆頭機(jī)械破巖的作用。鉆頭上返空間不夠大對牙輪鉆頭產(chǎn)生的影響主要有兩個(gè)，一是運(yùn)動(dòng)速度較大的鉆井液和巖屑會對鉆頭的本體產(chǎn)生較大的磨損。二是較小的上返空間不利于巖屑的及時(shí)上返，容易出現(xiàn)鉆頭巖屑重復(fù)切削的現(xiàn)象，同時(shí)還會加大巖屑的壓持效應(yīng)。由于高低壓射流產(chǎn)生的壓力差，有效的降低了巖石的破碎強(qiáng)度和巖石破碎的門限壓力，從而大大的提高了鉆頭的破巖效率。

[1]王瑞和等.旋轉(zhuǎn)射流破巖鉆孔機(jī)理研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),1999.

[2]武紅衛(wèi).三牙輪鉆頭三噴嘴優(yōu)化組合的研究[J].石油鉆探技術(shù),2002.