韓立國(guó)， 周龍昌， 徐依吉， 吳 琪

(1.中石化勝利石油工程有限公司塔里木分公司，山東東營(yíng)257052；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

縮短深井硬地層鉆井周期是一項(xiàng)鉆井技術(shù)難題，至今仍未得到有效解決。通過井下增壓器使射流達(dá)到一定壓力，利用高壓射流輔助破碎堅(jiān)硬巖石，被認(rèn)為是提高硬地層鉆井速度的一種行之有效的技術(shù)手段[1-3]。但目前的井下增壓器只能與特制的PDC鉆頭配合使用，大大限制了其應(yīng)用范圍[4-5]。因此，設(shè)計(jì)可現(xiàn)場(chǎng)更換的新型超高壓噴嘴非常必要。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種直聯(lián)式雙流道噴嘴，可用于普通PDC鉆頭，解決了水力增壓器應(yīng)用范圍受限的技術(shù)難題。

1 常規(guī)超高壓雙流道結(jié)構(gòu)

常規(guī)超高壓雙流道PDC鉆頭是在鋼體PDC鉆頭內(nèi)加放2根超高壓管，上端與增壓器出口相連，下端經(jīng)由鉆頭內(nèi)部流道和超高壓射流噴嘴連接，鋼體PDC鉆頭的刀翼上裝有超高壓噴嘴，利用一扶正器扶正超高壓管，噴射超高壓流體用以切割破碎巖層，與PDC鉆頭切削齒聯(lián)合破碎巖石。常規(guī)超高壓雙流道PDC鉆頭的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示[6]。

圖1 常規(guī)超高壓雙流道PDC鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of conventional PDC bit with ultrahigh pressure dual-flow channel1.壓蓋；2.圓盤；3.彈簧；4.鎖片；5.壓閥；6.高壓軟管；7.高壓接頭；8.薄壁鋼管；9.鉆頭；10.可更換噴嘴；11.轉(zhuǎn)換接頭；12.高壓桿

從圖1可以看出，常規(guī)超高壓雙流道PDC鉆頭的轉(zhuǎn)換接頭安裝在鉆頭與增壓器之間，其中部件5與2和鉆頭同軸，用于防止高壓硬管和軟管傾斜；彈簧在部件1、2的聯(lián)合作用下會(huì)產(chǎn)生壓縮，鎖片被緊緊壓在部件5里，避免高壓硬管向下移動(dòng)；部件7和8燒結(jié)于鉆頭體的內(nèi)部，高壓流體經(jīng)部件7和8進(jìn)入部件10，然后經(jīng)由10噴出鉆頭體，進(jìn)而沖擊破碎巖層。

圖1所示結(jié)構(gòu)中，超高壓雙流道系統(tǒng)的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)燒結(jié)于PDC鉆頭內(nèi)部，一方面增加了PDC鉆頭的加工成本，另一方面因在現(xiàn)場(chǎng)難以根據(jù)地層巖性優(yōu)選鉆頭，妨礙了增壓器在鉆井現(xiàn)場(chǎng)的廣泛應(yīng)用。因此，研發(fā)一種能夠在鉆井現(xiàn)場(chǎng)更換、可與普通PDC鉆頭配合使用的超高壓流道具有重要意義。

2 新型超高壓流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型雙流道PDC鉆頭設(shè)計(jì)的核心問題是如何把導(dǎo)流系統(tǒng)和PDC鉆頭分開加工，這樣PDC鉆頭就沒有內(nèi)部燒結(jié)的導(dǎo)流裝置。新型流道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)路線為：井下螺桿增壓器→分流裝置→導(dǎo)流裝置→噴嘴連接裝置→PDC鉆頭。其超高壓分流裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型超高壓流道分流裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of new shunt device with ultrahigh pressure flow channel

2.1 分流裝置的設(shè)計(jì)

2.1.1 分流裝置材質(zhì)選擇

分流裝置和增壓器直接相連，經(jīng)由增壓器增壓的高壓射流最先經(jīng)過該機(jī)構(gòu)，所以對(duì)其抗壓強(qiáng)度有很高要求，因而選材用料方面要求非常嚴(yán)格[7]。設(shè)計(jì)中，裝置材質(zhì)選取316型高強(qiáng)度不銹鋼(18Cr-12Ni-2.5Mo)，以確保其抗壓強(qiáng)度和耐腐蝕性能。

2.1.2 計(jì)算耐壓能力

分流機(jī)構(gòu)的上端可以看作無縫厚壁鋼管，其壁厚很大程度上決定了分流機(jī)構(gòu)耐受壓力的能力，所以選擇壁厚時(shí)強(qiáng)度校核是必不可少的。分流機(jī)構(gòu)的內(nèi)管直徑為24 mm，設(shè)計(jì)管內(nèi)承壓100 MPa。無縫厚壁鋼管壁厚的計(jì)算方法為[8]：

(1)

式中：Δ為管道壁厚，mm；p為管內(nèi)壓力，MPa；d為管道內(nèi)徑，mm；σy為材料抗拉強(qiáng)度，MPa；S為安全系數(shù)(取值1.6)。

計(jì)算可得，分流機(jī)構(gòu)上端的理論壁厚下限為3.1 mm，設(shè)計(jì)其壁厚為3.5 mm。

2.2 導(dǎo)流管的設(shè)計(jì)

2.2.1 導(dǎo)流管材質(zhì)選擇

分流裝置和超高壓噴嘴通過導(dǎo)流管相連，因此設(shè)計(jì)導(dǎo)流管時(shí)除了要考慮壓力因素外，還要預(yù)留一定的空間給噴嘴連接裝置，綜合考慮各因素，選擇能夠耐受高壓且有一定彎曲能力的超高壓軟管。利用高強(qiáng)度鋼絲纏繞層作為超高壓軟管的增強(qiáng)層，使其提高強(qiáng)度的同時(shí)保持一定彎曲能力；內(nèi)膠層采用聚酰胺或聚甲醛，以降低管壁流體的摩擦阻力、防止化學(xué)侵蝕。

2.2.2 內(nèi)徑尺寸設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)軟管直徑時(shí)要考慮流量和壓力的影響。井下增壓器高壓出口設(shè)計(jì)射流流量為1.2 L/s，射流經(jīng)分流進(jìn)入2個(gè)一樣的高壓軟管，軟管內(nèi)的流量均為0.6 L/s。正常工作時(shí)，超高壓管道內(nèi)的流速為40 m/s，以體積流量計(jì)算的管徑為[9]：

(2)

式中：d為管道內(nèi)徑，mm；qv為工作狀態(tài)下的體積流量，m3/h；v為工作狀態(tài)下的流速，m/s。

最終設(shè)計(jì)超高壓管道直徑為8 mm，這樣即可滿足超高壓軟管的壓力和流量要求。

2.2.3 長(zhǎng)度確定

高壓軟管長(zhǎng)度不夠或過長(zhǎng)，分流系統(tǒng)都不能和鉆頭水眼成功匹配，所以確定軟管的長(zhǎng)度特別重要。增壓器高壓軟管相關(guān)長(zhǎng)度尺寸的設(shè)計(jì)如圖3所示(圖3中:L為超高壓軟管的長(zhǎng)度，mm;L1為轉(zhuǎn)換接頭的長(zhǎng)度，mm；L2為分流機(jī)構(gòu)底面與增壓器外筒螺紋上端面的間距，mm；L3為螺紋下端面與PDC鉆頭根端的間距，mm；L4為鉆頭水眼和PDC鉆頭根端的間距，mm)。

圖3 增壓器超高壓軟管尺寸Fig.3 Size of ultrahigh pressure hose in supercharger

L1按設(shè)計(jì)確定，L2也已知，L3能夠測(cè)出，L4可通過細(xì)線或軟質(zhì)膠管測(cè)出[10]，則L的計(jì)算式為：

L=(L1-L2-L3)+L4

(3)

根據(jù)增壓器的結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算得超高壓軟管的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為400 mm。

2.2.4 高壓管壓力損耗計(jì)算

井下增壓器高壓出口的射流流體經(jīng)分流進(jìn)入2個(gè)內(nèi)管直徑相同的高壓軟管，則高壓管內(nèi)流體的流速為：

(4)

式中：vi為高壓管內(nèi)流體的流速，m/s；Q為高壓流體的流量，m3/s；A為高壓管內(nèi)流道的橫截面積，m2。

高壓流體的流量為0.000 6 m3/s，橫截面積為0.000 05 m2，代入式(4)計(jì)算得到高壓管內(nèi)流體的流速為12 m/s。

為求得流體在高壓管內(nèi)流動(dòng)的沿程阻力損失，需先計(jì)算出摩阻系數(shù)f。

設(shè)鉆井液密度為1.2 g/cm3，塑性黏度為10 mPa·s，代入下式計(jì)算其雷諾數(shù)，結(jié)果為Re=36 864。

(5)

式中：Re為流體的雷諾數(shù)；ρ為鉆井液密度，g/cm3；μpv為鉆井液的塑性黏度，Pa·s。

(6)

式中：f為摩阻系數(shù)；k為內(nèi)平管的阻力系數(shù),取值0.053。

由式(6)計(jì)算得到阻力系數(shù)為0.006 47。

高壓軟管沿程的壓力損耗為：

(7)

式中：ΔpL為沿程壓力損失，MPa。

由式(7)計(jì)算得到高壓軟管沿程壓力損耗為0.11 MPa。由此可知，超高壓軟管沿程阻力損失比較小，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 增壓器超高壓軟管結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of ultrahigh pressure hose in supercharger

2.3 超高壓噴嘴設(shè)計(jì)

1) 噴嘴結(jié)構(gòu)。根據(jù)水射流理論，將圓錐收斂型噴嘴改良為圓錐帶圓柱出口段噴嘴。延長(zhǎng)圓柱的出口段可以增大流量系數(shù)，更有利于提高破巖效率。

2) 噴嘴參數(shù)。射流的密集性隨收縮角的變大而變大，但出口流速會(huì)因收縮角的變大而減小[11]。因此，存在一最佳收縮角使射流的切割能力達(dá)到最大。理論分析得到的最大流量系數(shù)對(duì)應(yīng)的收縮角是13°，高壓水射流用噴嘴的收縮角設(shè)計(jì)為12°～14°。

3) 噴嘴出口段圓柱段長(zhǎng)度。圓柱段適當(dāng)增長(zhǎng)有利于提高射流的切割力，然而長(zhǎng)度過大也會(huì)使出口邊界層厚度變大，從而阻礙射流切割力的提升。除此之外，噴嘴圓錐段收縮角的選取和流體在流道內(nèi)的流動(dòng)因素等有關(guān)。通常情況下，圓柱段的長(zhǎng)度選為噴嘴出口直徑的2～4倍。

4) 噴嘴的尺寸。超高壓噴嘴工作壓力與鉆井液密度、鉆井液排量及圓錐形噴嘴的流量系數(shù)相關(guān)，其計(jì)算公式[12]為：

(8)

(9)

式中：Δpb為鉆頭壓力降，MPa；C為噴嘴流量系數(shù)，與噴嘴的阻力系數(shù)有關(guān)，其值恒小于1；A0為噴嘴出口截面積，cm2；dne為噴嘴當(dāng)量直徑，mm。

要求超高壓噴嘴的正常工作壓力為100 MPa，圓錐噴嘴收縮角為13°時(shí)的流量系數(shù)為0.95，當(dāng)鉆井液密度為1.2 g/cm3時(shí)，計(jì)算噴嘴當(dāng)量直徑為1.99 mm。超高壓流道設(shè)計(jì)選用2個(gè)φ1.4 mm超高壓噴嘴。

2.4 噴嘴套的設(shè)計(jì)

超高壓噴嘴內(nèi)徑較小，直接放置在鉆頭體上比較困難，為此研發(fā)了可更換式超高壓噴嘴套。將外部帶有螺紋的內(nèi)噴嘴套置于超高壓噴嘴外，整個(gè)部件和超高壓軟管相通，結(jié)構(gòu)如圖5所示。外噴嘴套(見圖6)與內(nèi)噴嘴套連接，把整個(gè)噴嘴套固定于鉆頭水眼處。

圖5 內(nèi)噴嘴套結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of inner nozzle

圖6 外噴嘴套結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of outer nozzle

2.5 室內(nèi)測(cè)試

在不同壓力下對(duì)水力增壓器系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括高壓泵機(jī)管線系統(tǒng)、固定新型超高壓流道的臺(tái)架、壓力表、秒表等，流程如圖7所示。

圖7 測(cè)壓試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.7 Schematic diagram of pressure testing system

地面測(cè)試系統(tǒng)高壓泵和管線額定壓力50 MPa，泵排量60 L/min，額定功率75 kW。測(cè)試表明，各部件連接處均密封良好，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)功能，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其性能的要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)井概況

采用新型超高壓雙流道的PDC鉆頭在長(zhǎng)深D平35井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)井段2 552.00～2 828.00 m，地層為中生界泉頭組地層，主要為灰黑和紫紅色泥巖與灰色、褐灰色粉砂巖細(xì)砂巖組成的互層。

鉆具組合：φ215.9 mm超高壓雙流道PDC鉆頭+φ177.8 mm下增壓裝置+φ177.8 mm減振器+430×410+箭式浮閥+φ177.8 mm鉆鋌×3根+φ214.0 mm穩(wěn)定器+φ177.8 mm鉆鋌×1根+φ214.0 mm穩(wěn)定器+φ177.8 mm鉆鋌×2根+φ165.1 mm鉆鋌×12根+φ127.0 mm加重鉆桿×15根+φ127.0 mm鉆桿。

鉆井參數(shù)：鉆壓40～80 kN，轉(zhuǎn)速75～100 r/min，排量33 L/s，泵壓14～19 MPa，鉆井液密度1.28～1.29 g/cm3。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 鉆頭使用情況

超高壓雙流道PDC鉆頭由切削齒聯(lián)合水力破巖，高壓水射流減輕了PDC切削齒的切削壓力，鉆頭冠部切削齒受損情況得到改善，延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命，機(jī)械鉆速得到提高。

3.2.2 超高壓軟管(導(dǎo)流管)磨損情況

超高壓軟管是輸送高壓流體的通道，試驗(yàn)完成后需觀察超高壓軟管是否有破損及泄漏情況。經(jīng)觀察比較，使用后其外部無破損痕跡，試驗(yàn)過程中也未發(fā)現(xiàn)超高壓軟管泄漏問題。

3.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

超高壓雙流道PDC鉆頭在井下工作76 h，純鉆進(jìn)時(shí)間62 h，進(jìn)尺276 m，機(jī)械鉆速4.45 m/h，出井后鉆頭冠頂復(fù)合片及保徑部位復(fù)合片輕微磨損；與鄰井同井段常規(guī)PDC鉆頭機(jī)械鉆速對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用超高壓雙流道PDC鉆頭及井下增壓裝置后，平均機(jī)械鉆速提高71.95%。圖8為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)記錄的機(jī)械鉆速與鄰井的對(duì)比結(jié)果。

圖8 機(jī)械鉆速隨井深變化的曲線Fig.8 Curve of ROP changing with well depth

從圖8可以看出，長(zhǎng)深D平35井的機(jī)械鉆速明顯要高于長(zhǎng)深D平10井、長(zhǎng)深D平21井和長(zhǎng)深D平22井，現(xiàn)場(chǎng)提速效果明顯。

4 結(jié) 論

1) 分流裝置與增壓器直接相連，將增壓器產(chǎn)生的高壓流體分開。該裝置選擇316不銹鋼，設(shè)計(jì)壁厚3.5 mm。

2) 導(dǎo)流裝置由兩根超高壓軟管組成，將高壓流體輸送至超高壓噴嘴。導(dǎo)流管采用內(nèi)徑8 mm的超高壓軟管，耐沖蝕、阻力小。

3) 研制出了φ1.4 mm、收縮角13°的高效耐用圓錐帶圓柱出口段超高壓噴嘴，解決了超高壓噴嘴小、無法直接安裝在鉆頭上的問題。

4) 采用新型超高壓流道的PDC鉆頭與井下增壓器配合能大幅提高機(jī)械鉆速。

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