粒子沖擊鉆井鉆頭設(shè)計(jì)與流場測試

紀(jì)國棟 ，周波 ，汪海閣 ，崔柳 ，王靈碧 ，王蘇為

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

粒子沖擊鉆井（PID）是以高速球形鋼質(zhì)粒子沖擊破巖為主、以高速水力破巖和機(jī)械破巖為輔的鉆深井硬地層的一項(xiàng)高效鉆井技術(shù)［1-6］。基于射彈沖擊破巖的思想，Curlett等［7］提出了粒子沖擊鉆井，隨后國外進(jìn)行了大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場試驗(yàn)，也研制了相應(yīng)設(shè)備［8-10］。粒子沖擊鉆井技術(shù)在我國尚處于攻關(guān)階段，其投資成本高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)鉆井現(xiàn)場設(shè)備改動(dòng)大，對(duì)鉆具磨損嚴(yán)重，尚有許多問題要解決［11-13］。2013年9月，國產(chǎn)粒子沖擊鉆井系統(tǒng)在四川龍崗地區(qū)開展了先導(dǎo)試驗(yàn)。在沒有專用PID鉆頭的情況下，選用普通牙輪鉆頭代替PID鉆頭使用，未達(dá)到預(yù)期提速效果［14］。為了研制出國產(chǎn)PID鉆頭，將粒子沖擊鉆井的效果發(fā)揮到最佳，本文開展了PID鉆頭設(shè)計(jì)與流場測試研究，為解決川渝深層、庫車山區(qū)礫石層的高效鉆進(jìn)探索新的解決方案。

1 PID鉆頭及噴嘴設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室3D PIV流場測試系統(tǒng)的測試范圍（70mm×70mm），結(jié)合前期流場數(shù)值模擬結(jié)果及相似性原理，設(shè)計(jì)了2種規(guī)格的PID鉆頭模型——PID-23和PID-34（見圖1）。2種鉆頭外徑均為73mm，內(nèi)部主流道直徑均為10mm，噴嘴直徑均為5.22mm。PID-23為兩刀翼三噴嘴鉆頭，中心噴嘴傾角6°，2個(gè)側(cè)噴嘴傾角12°。PID-34為三刀翼四噴嘴鉆頭，中心噴嘴傾角30°，3個(gè)側(cè)噴嘴傾角12°。根據(jù)相似性原理，配套設(shè)計(jì)了 4 種型號(hào)的噴嘴：25°/13°雙錐度噴嘴、25°收縮噴嘴、13°收縮噴嘴和圓柱形噴嘴（見圖2），噴嘴出口直徑均為4.52mm，噴嘴外徑均為7.93mm，噴嘴長度均為19.5mm。

圖1 鉆頭結(jié)構(gòu)示意

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)示意

2 實(shí)驗(yàn)裝置、器材與步驟

為開展PID鉆頭流場測試實(shí)驗(yàn)，專門設(shè)計(jì)加工了φ120mm玻璃井筒及配套φ50mm鉆桿，玻璃井筒內(nèi)徑75mm，高度1.2 m，最高耐壓1 MPa。流場測試實(shí)驗(yàn)在重慶大學(xué)高壓水射流實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，主要實(shí)驗(yàn)裝置與器材包括高壓乳化泵、高壓水射流試驗(yàn)臺(tái)、磨料罐、3D PIV流場測試系統(tǒng)、玻璃井筒、高壓管、PID鉆頭、噴嘴、鋼粒等。BZW200/56型防爆高壓乳化泵流量為200 L/min，額定壓力為31.5 MPa。磨料罐允許顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～40%，帶濾網(wǎng)，顆粒直徑小于3mm。玻璃井筒的材料為高強(qiáng)度鋼化玻璃，透明度90%，可耐壓1 MPa。

實(shí)驗(yàn)步驟為：1）連接實(shí)驗(yàn)裝置，檢查實(shí)驗(yàn)裝置的安全性；2）使激光束與相機(jī)夾角呈90°，激光束與井筒軸線重合；3）接通設(shè)備電源，打開Insight 3G軟件，設(shè)定硬件參數(shù)；4）標(biāo)定靶盤，將像素單位換算成距離單位；5）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)Insight 3G軟件，設(shè)定實(shí)驗(yàn)過程中的參數(shù)，獲得最佳圖像；6）調(diào)節(jié)鉆頭結(jié)構(gòu)、噴嘴結(jié)構(gòu)、噴距、泵壓、拍攝位置等，進(jìn)行流場測試；7）關(guān)閉激光器等設(shè)備的外部電源，利用Tecplot軟件對(duì)存儲(chǔ)圖像進(jìn)行處理計(jì)算，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 PID鉆頭流場測試

PID鉆頭流場測試實(shí)驗(yàn)在高壓水射流試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。將玻璃井筒固定在試驗(yàn)臺(tái)上，PID鉆頭安裝在玻璃井筒內(nèi)部的鉆桿下部，用激光器照射鉆頭底部及環(huán)空區(qū)域，打開高清相機(jī)拍攝水中顆粒運(yùn)移情況，再用Tecplot軟件對(duì)存儲(chǔ)圖像進(jìn)行處理計(jì)算，獲得井底射流速度、環(huán)空上返速度等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中，高壓乳化泵將純水注入磨料罐，純水與鋼粒在磨料罐內(nèi)充分混合形成固液兩相流，通過高壓管進(jìn)入玻璃井筒中的鉆桿，再從鉆頭噴出形成粒子射流，在井筒內(nèi)形成井底和環(huán)空流場。粒子射流中鋼粒直徑為1mm，鋼粒體積分?jǐn)?shù)為2%。

3.1 泵壓對(duì)PID鉆頭流場的影響規(guī)律

固定噴距為25mm，選取泵壓分別為3，4，5 MPa，對(duì)PID-23和PID-34鉆頭進(jìn)行井底及環(huán)空流場測試。通過軟件進(jìn)行圖像處理后，可得到不同泵壓條件下的井底射流速度及環(huán)空上返速度。由圖3、圖4可以看出，射流撞擊井底巖石后反彈，大量粒子與井壁碰撞數(shù)次后沿環(huán)空上返，部分粒子形成旋流，難以返出。PID-23鉆頭流場存在明顯的渦旋，PID-34鉆頭較為均勻，渦旋不明顯，說明PID-34鉆頭更有利于粒子的返出。

圖3 泵壓3 MPa條件下PID-23鉆頭流場

圖4 泵壓3 MPa條件下PID-34鉆頭流場

PID鉆頭井底射流速度、環(huán)空上返速度隨泵壓的變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出：井底射流速度隨泵壓的增加而增大，PID-34鉆頭的井底射流速度略高于PID-23鉆頭；環(huán)空上返速度隨泵壓的增加呈線性增加，PID-34鉆頭的環(huán)空上返速度明顯高于PID-23鉆頭。

3.2 噴距對(duì)PID鉆頭流場的影響規(guī)律

固定泵壓為5 MPa，選取噴距分別為 25，30，35mm，對(duì)PID-23和PID-34鉆頭進(jìn)行井底及環(huán)空流場測試。通過軟件進(jìn)行圖像處理后，可得到不同噴距條件下的井底射流速度及環(huán)空上返速度（見圖6）。

隨噴距的增加，井底射流速度先增大后減小，當(dāng)噴距為30mm時(shí)，井底射流速度達(dá)到最大，PID-34鉆頭的井底射流速度高于PID-23鉆頭；環(huán)空上返速度隨噴距的增加基本保持不變，PID-34鉆頭的環(huán)空上返速度明顯高于PID-23鉆頭。

圖5 PID鉆頭井底射流速度、環(huán)空上返速度隨泵壓的變化曲線

圖6 PID鉆頭井底射流速度、環(huán)空上返速度隨噴距的變化曲線

4 噴嘴射流性能測試

噴嘴射流性能測試實(shí)驗(yàn)在高壓水射流試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。將噴嘴安裝在高壓水射流試驗(yàn)臺(tái)的出水管上，開泵形成純水射流，用激光器照射噴嘴正前方區(qū)域，打開高清相機(jī)拍攝水中顆粒運(yùn)移情況，再用Tecplot軟件對(duì)存儲(chǔ)圖像進(jìn)行處理計(jì)算，獲得噴嘴出口射流速度等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中，流場測試范圍為噴嘴正前方12～87mm。

圖7為25°/13°雙錐度噴嘴在泵壓 4 MPa條件下形成的純水射流流場。從圖7可以看出，噴嘴形成的射流流場均勻，收斂性較好，出口最大速度達(dá)80 m/s以上，射流邊緣速度明顯低于中心段速度。

選取泵壓分別為 1，2，3，4 MPa，對(duì) 4 種噴嘴進(jìn)行流場測試，得到不同泵壓下不同噴嘴的射流速度，作出不同噴嘴出口射流平均速度隨泵壓的變化曲線（見圖8）。可以看出，隨著泵壓的增加，噴嘴出口射流速度逐漸增大。在泵壓1 MPa條件下，4種噴嘴的出口射流平均速度相差不大，隨著泵壓的升高，射流平均速度差距明顯，13°收縮噴嘴對(duì)射流的加速效果最好，25°收縮噴嘴最差。不同噴嘴的加速性能由好到差依次為13°收縮噴嘴、圓柱形噴嘴、25°/13°雙錐度噴嘴、25°收縮噴嘴。

圖7 噴嘴出口純水射流流場

圖8 噴嘴出口射流平均速度隨泵壓變化曲線

25°/13°雙錐度噴嘴射流流場均勻，收斂性最好，射流形成的能量最集中；13°收縮噴嘴收斂性最差，能量最發(fā)散（見圖9）。不同噴嘴的射流收斂性由好到差依次為 25°/13°雙錐度噴嘴、25°收縮噴嘴、圓柱形噴嘴、13°收縮噴嘴。綜合考慮噴嘴的加速性能和射流收斂性，認(rèn)為25°/13°雙錐度噴嘴最適合用于PID鉆頭的粒子射流加速。

圖9 不同噴嘴射流圖像對(duì)比

5 結(jié)論

1）PID鉆頭在井底形成的粒子射流撞擊井底后反彈，經(jīng)過與井壁多次碰撞折返進(jìn)入環(huán)空。PID-23鉆頭流場存在明顯的渦旋，PID-34鉆頭渦旋不明顯，更有利于粒子的返出。

2）PID鉆頭井底射流速度隨泵壓的增加而增大，隨噴距的增加先增大后減小，噴距30mm時(shí)井底射流速度最大；環(huán)空上返速度隨泵壓的增加呈線性增加，隨噴距的增加基本保持不變。

3）綜合分析不同噴嘴的加速性能和射流收斂性，認(rèn)為25°/13°雙錐度噴嘴用于PID鉆頭效果最佳。

4）PID-34鉆頭井底射流速度高，環(huán)空上返速度快，更有利于井底破巖和粒子上返。建議優(yōu)選三刀翼四噴嘴PID鉆頭結(jié)構(gòu)，配套25°/13°雙錐度噴嘴，設(shè)計(jì)加工全尺寸PID鉆頭，開展粒子沖擊鉆井現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)中保持噴距30mm，以達(dá)到最佳破巖效果。