PDC钻头井底流场优化及降压技术研究

摘要

钻速低一直是困扰当前深井、超深井开发油气资源的重要问题,本文运用返向射流和旋转射流改进井底流场结构提高钻速,为深井钻进技术提供坚实基础。返向射流和旋转射流可降低井底压差,减小井底“压持效应”,优化井底流场结构,促进岩屑反排,提高井底清洗和辅助破岩效率。通过数值模拟研究了叶轮式旋转射流喷嘴射流特性,得出:相同喷嘴压降下,叶片扭曲角度越大,直柱段越短,出口直径越大,射流扩展角越大,而收缩角对射流扩展角影响不大;另外随着叶片扭曲角度以及出口直径增大,喷嘴出口旋流强度增大,随着收缩角增大,旋流强度先减小后增大,直柱段增加,旋流强度先增加后减小;叶轮式旋转射流喷嘴的流量系数在0.7～0.96之间,且随着叶片扭曲角度的增加以及喷嘴直径的增大而减小,收缩角和直柱段长度对流量系数影响较小;确定叶片扭曲角度取值在115°～140°之间,直柱段0.5～1倍喷嘴直径,收缩角60°～70°。同样运用数值模拟研究切入式旋转射流喷嘴,得出随着切入口数量的增加,旋流强度增强,并确定了3切入口的喷嘴结构。对叶轮式旋转射流喷嘴和切入式旋转射流喷嘴进行室内射流破岩试验,得出旋转射流破岩能力确实优于普通直射流。对比两种旋转射流喷嘴,选定叶轮式旋转射流喷嘴应用于PDC钻头,并进一步进行了双旋转射流喷嘴的数值模拟,得出叶轮式旋转射流喷嘴的轴心间距小于2.5倍喷嘴直径时会产生相互影响。运用数值模拟进行了等返向射流流量下的返向喷嘴和旋转射流喷嘴个数的优选,确定了2返向喷嘴和3旋转射流喷嘴的喷嘴设计方案,在此基础上,参考实际钻井过程中的水力参数,研制出新型PDC钻头样机,并在胜利油田坨747井进行了现场试验,钻速分别提高了44.05％和52.34％。