脈沖空化PDC鉆頭的研究及應用*

王 委 程智勇 陳小元 許友斌 彭光杰

(1.中石化華東石油工程公司江蘇鉆井公司 2.中石化江鉆石油機械有限公司)

0 引 言

隨著石油鉆井技術的進步和成本壓縮的持續(xù)進行，通過提高鉆頭破巖效率來提高機械鉆速是石油鉆井實現(xiàn)降本增效的重要途徑。近年來，國內外石油工作者相繼研發(fā)了脈沖射流發(fā)生器、旋沖鉆井、粒子沖擊破巖、井下增壓等新型提速工具[1-5]，這些工具在現(xiàn)場應用中取得了不錯的效果，其中脈沖射流鉆井技術[6-8]是研究的一個熱點。

李根生等[9-11]在分析水力脈沖與空化射流調制機理的基礎上，設計出一種新型水力脈沖與空化射流耦合的水力脈沖空化射流接頭。該接頭主要由導流體、葉輪、自激振蕩噴嘴和自激振蕩腔室等組成，通過鉆井液沖擊葉輪，使葉輪連續(xù)不斷高速旋轉，改變流道面積，產(chǎn)生脈沖壓力，脈沖壓力經(jīng)過自激振蕩噴嘴和振蕩腔室時被反饋放大，在流體出口端產(chǎn)生強烈脈動渦環(huán)流，以波動壓力的方式?jīng)_擊井底，改善井底流場，現(xiàn)場應用結果表明其提速10%～30%[12-16]。李根生等[17-21]又在風琴管諧振腔模型的基礎上設計了自振空化射流噴嘴，當穩(wěn)定流體通過時，自振空化射流噴嘴收縮面既能使流體產(chǎn)生初始壓力激動，又能將壓力激動反饋回諧振腔，形成反饋壓力振蕩。根據(jù)瞬態(tài)流理論，如果壓力激動的頻率與風琴管諧振腔的固有頻率匹配，反饋的壓力振蕩就能得到放大，從而在諧振腔內產(chǎn)生流體共振，形成駐波，射流剪切層內渦流變成大結構分離環(huán)狀渦流，這種大結構的渦流環(huán)可以增強空化作用，使用時代替鉆頭普通噴嘴，達到提速的目的。紀國棟等[22]提出了井底自激振蕩脈沖粒子射流鉆井工具，集成脈沖射流技術與粒子沖擊破巖技術，可以在井底實現(xiàn)鋼制粒子的自循環(huán)沖擊破巖，并伴有一定的壓力脈沖效應，二者聯(lián)合實現(xiàn)高效破巖。崔龍連和王敏生等[23-24]結合機械強制脈沖與自激振蕩脈沖原理，研制了頻率可調的脈沖提速工具。該工具主要由外殼體、渦輪、動閥塊、靜閥板和諧振脈沖系統(tǒng)等組成，工作時，鉆井液沖擊使渦輪轉動，渦輪帶動動閥塊旋轉，動閥塊相對于靜閥板轉動時，使鉆井液通道面積周期性變化，使連續(xù)流變成脈沖流，增加動閥塊的數(shù)量可以提高脈沖頻率，反之減少動閥塊數(shù)量可降低頻率。邵冬冬和樊繼強等[25-26]對機械強制脈沖進行了優(yōu)化改進，研發(fā)了井底脈沖式不對稱流場鉆井提速工具，并進行了相關測試和現(xiàn)場試驗[27]。該工具采用動靜盤閥作為脈沖調制系統(tǒng)，靜盤閥置入鉆頭本體內腔，產(chǎn)生的脈沖射流直接進入鉆頭噴嘴，使井底獲得更強的脈沖效果。

上述工具經(jīng)現(xiàn)場應用，雖然取得了預定的效果，但有的工具結構復雜、易損件多，有的工具脈沖發(fā)生部位離井底遠，脈沖作用沿程損失大，有的工具本身是一個接頭，不適應對造斜率要求高的定向鉆具組合。為此，本文提出一種不增加額外裝置、結構簡單的脈沖空化PDC鉆頭。該鉆頭是把常規(guī)PDC鉆頭內腔設計成脈沖振蕩腔結構，使產(chǎn)生脈沖的部位距離井底更近，減少脈沖沿程損失，更大程度地發(fā)揮脈沖射流的提速效果。2019年初至今，該鉆頭已在現(xiàn)場8口井中應用，應用井段平均提速31.12%，取得了較好的效果。

1 脈沖空化PDC鉆頭結構設計

脈沖空化PDC鉆頭主要由本體、脈沖諧振腔和空化噴嘴等組成，脈沖諧振腔設計在PDC鉆頭本體內，空化噴嘴安放于鉆頭水眼處。脈沖空化PDC鉆頭結構如圖1所示。

圖1 脈沖空化PDC鉆頭結構示意圖Fig.1 Structure of pulse cavitation PDC bit

鉆頭腔體內設置脈沖諧振腔結構，可使流進的連續(xù)射流變成流出的脈沖射流。由于產(chǎn)生脈沖射流的位置在鉆頭內，離井底近，到達井底時脈沖射流衰減少，經(jīng)空化噴嘴進一步放大，使脈沖空化射流作用最大化，有利于水力破巖和改善井底流場，提高機械鉆速。

脈沖諧振腔主要分為進水口、擾動區(qū)、碰撞區(qū)、分離區(qū)和出水口等，如圖2所示。當鉆井液從進水口向擾動區(qū)流動時，射流中一定頻率范圍內的渦量擾動得到放大，在射流層中形成一連串離散渦環(huán)，當?shù)竭_碰撞壁并與之互相作用時，在碰撞區(qū)產(chǎn)生壓力振蕩波，該波以聲速向上傳播，又誘發(fā)新的渦量脈動。若分離區(qū)與碰撞區(qū)的壓力脈動互為反相，就會形成“渦量擾動→放大→新的渦量擾動”的循環(huán)過程，該過程不斷重復，就會形成強烈的自激振蕩脈沖射流[21]。

圖2 脈沖諧振腔結構示意圖Fig.2 Sketch map of pulse resonator cavity structure

空化噴嘴主要分為進水口、諧振腔和出水口，如圖3所示。諧振腔是一個長度為L、直徑為D的振蕩放大器，諧振腔入口與直徑為Ds的進水口相連，(Ds/D)2構成諧振腔的入口收縮面。諧振腔的下部與直徑為d的出水口相連，(D/d)2構成諧振腔的出口收縮面。出口收縮面既是自激機構，又是反饋機構。

圖3 空化噴嘴示意圖Fig.3 Sketch map of cavitation nozzle

有鉆井液流過時，收縮面可以使流過的鉆井液產(chǎn)生壓力激動，同時還可以把這種壓力激動反饋給諧振腔，形成反饋壓力振蕩。根據(jù)瞬態(tài)流理論，如果壓力激動的頻率與諧振腔的固有頻率匹配，反饋的壓力振蕩就能得到放大，從而在諧振腔內產(chǎn)生流體共振，形成駐波，使脈沖流變成斷續(xù)渦環(huán)流[20]。當鉆頭脈沖諧振腔產(chǎn)生的脈沖與空化噴嘴產(chǎn)生的脈沖達到耦合時，脈沖效應得到放大，從而產(chǎn)生更好的破巖及井底清洗效果。

脈沖空化PDC鉆頭特點：①鉆頭內腔設計成脈沖振蕩腔室，減小了脈沖到達井底的距離，與“脈沖接頭+鉆頭”相比，距離縮短了50%以上，脈沖射流衰減少，破巖及凈化井底效果更好；②采用空化噴嘴代替常規(guī)噴嘴，脈沖振蕩腔產(chǎn)生的脈沖效應經(jīng)空化噴嘴達到耦合時，脈沖效應進一步增強，可適用于圍壓更高及更深的井段；③把脈沖諧振腔結構放在鉆頭內部，減少了專用接頭，提高了鉆具的安全性，用于定向井段施工，不影響井身軌跡控制。

2 脈沖空化PDC鉆頭井底流場分析

2.1 井底流場模擬分析

利用流體力學軟件，對?215.9 mm脈沖空化PDC鉆頭進行三維流場模擬分析。主要分析流體對鉆頭在切削過程中產(chǎn)生巖屑的翻轉、運移、舉升過程及對鉆頭冷卻情況。

在PDC鉆頭實體模型的基礎上建立水力模型，切削齒與井底的距離為0.5 mm。水力模型如圖4所示。

圖4 水力模型Fig.4 Hydraulic model

網(wǎng)格劃分時，采用自適應性強的四面體網(wǎng)格，并對局部進行網(wǎng)格細化，劃分的網(wǎng)格總數(shù)為1 001 134個，網(wǎng)格平均質量為0.74。

邊界條件設置時，入口條件設置為速度入口，根據(jù)推薦排量35 L/s，得到入口速度為13.6 m/s；出口條件設置為壓力出口，壓力值為一個大氣壓；固壁邊界條件為壁面無滑移，近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法處理，流體介質為清水。井底流場分析如圖5所示。

圖5 井底流場分析圖Fig.5 Bottomhole flow field analysis

由圖5a可得，最大湍流強度達到77%，最大值位于中心兩個噴嘴作用的井底中心處，保證巖屑在井底的翻轉效果。

由圖5b可得，井底最大漫流速度為39.6 m/s，由中心噴嘴噴射形成，主要沿2個長刀翼排屑槽流動，這樣有利于井底中心巖屑的運移、降低鉆頭泥包概率。

表1 各刀翼上壁面切應力的最大值和最小值 Pa

從圖5c和表1可以看出，各刀翼切削齒所受壁面切應力數(shù)值均較高，達到2 kPa以上，能夠有效地冷卻和清洗切削齒。

從圖5d可以看出，井底流線比較順暢。

從圖5e和5f可以看出，流道中流速高達80 m/s，噴嘴處流速高達120 m/s，整個鉆頭壓降高達10.8 MPa，可以有效提高破巖效率。

2.2 清巖效果模擬分析

圖6為無脈沖波動和有脈沖波動情況下井底巖屑質量濃度分布對比云圖。

由圖6可知：相同參數(shù)條件下，在無脈沖波動時，鉆頭中心位置處的巖屑質量濃度較高且變化不大，說明鉆頭中心處巖屑不能及時有效地被清除；有脈沖波動時，鉆頭中心處巖屑質量濃度變化明顯，且在2.1 s時刻鉆頭中心處的巖屑質量濃度最低，說明在脈沖作用下，鉆頭中心處巖屑能被有效運移。通過上述對比，可直觀地觀察到脈沖作用對井底有明顯的清巖效果。

圖6 井底巖屑質量濃度分布云圖Fig.6 Distribution cloud chart of cuttings concentration at bottomhole

3 脈沖空化PDC鉆頭現(xiàn)場應用

研制的脈沖空化PDC鉆頭先后在H24-17、SX71和TX22等8口井進行現(xiàn)場應用，其中有6口井使用?215.9 mm脈沖空化PDC鉆頭，有2口井使用?311.2 mm脈沖空化PDC鉆頭，與常規(guī)鉆頭相比，應用脈沖空化PDC鉆頭井段的機械鉆速提高了7.1%～45.47%，平均提速達31.12%。

3.1 H24-17井應用

3.1.1 基本情況

H24-17井是一口定向注水井，設計井深3 360 m。脈沖空化PDC鉆頭首次在該井300.00～1 951.35 m之間井段應用，進尺達1 651.35 m，機械鉆速14.96 m/h。脈沖空化PDC鉆頭規(guī)格如表2所示。

表2 脈沖空化PDC鉆頭規(guī)格Table 2 Specifications of pulse cavitation PDC bit

3.1.2 使用情況

井口壓降測試：鉆井液密度1.10 g/cm3，排量28.5 L/s，鉆頭壓降7 MPa；排量32 L/s，鉆頭壓降9 MPa。下部鉆具組合：?215.9 mm脈沖空化PDC鉆頭+?172.0 mm單彎(1.25°)+?212.0 mm穩(wěn)定器+411×4A10定向接頭+?159.0 mm無磁鉆鋌(2根)+?159.0 mm螺旋鉆鋌(3根)+?127.0 mm加重鉆桿(16根)+?165.0 mm隨鉆震擊器+?127.0 mm加重鉆桿(5根)。井下工作正常，鉆至1 951.35 m因定向儀器沒電起鉆，起鉆前機械鉆速無明顯下降。

3.1.3 磨損分析

起出后發(fā)現(xiàn)復合片破損嚴重，噴嘴、鉆頭上下流道結合部位未見沖蝕，噴嘴入口胎體沖蝕3～7 mm，個別刀翼復合片與刀翼基體結合部位有沖蝕現(xiàn)象，說明脈沖噴嘴提升了鉆頭水力效果，提升后的水力作用對鉆頭的沖蝕加重，如圖7所示。

圖7 脈沖空化PDC鉆頭磨損情況示意圖Fig.7 Wear conditions of pulse cavitation PDC bit

磨損原因分析認為：①上部流砂層礫石多，對PDC復合片損傷大，加之使用螺桿，轉速高，造成了鉆頭磨損嚴重。②鉆頭壓降高，刀翼胎體材料不適應高壓脈沖射流強大的沖擊力，加劇了鉆頭磨損，需加強鉆頭胎體材料抗沖蝕性。

3.1.4 提速效果分析

鉆頭進尺1 651.35 m，純鉆時間110.38 h，機械鉆速14.96 m/h。與鄰井H24-8井相近井段機械鉆速13.08 m/h相比，機械鉆速提高14.37%，如表3所示。

表3 H24-17井使用脈沖空化PDC鉆頭機械鉆速對比Table 3 Comparison of ROP with pulse cavitation PDC bit for Well H24-17

H24-17井在鉆頭損傷的情況下，起鉆前機械鉆速無明顯下降，說明高壓脈沖空化水射流對破巖、鉆進起到了較好的推進作用。

3.2 SX71井應用

SX71井在2 007.63～2 341.97 m井段，鉆遇硬質泥巖，機械鉆速低，尤其在2 310～2 341.97 m井段，機械鉆速僅為2.15 m/h，起出發(fā)現(xiàn)鉆頭泥包，隨后下入脈沖空化PDC鉆頭。應用井段2 341.97～2 560.00 m，機械鉆速9.52 m/h，進尺218.03 m，與上部使用常規(guī)鉆頭井段相比，機械鉆速提高了31.49%，如表4所示。

表4 SX71井使用脈沖空化PDC鉆頭機械鉆速對比Table 4 Comparison of ROP with pulse cavitation PDC bit for Well SX71

4 結 論

(1)通過對鉆頭內腔的改造，形成的脈沖空化PDC鉆頭與“脈沖接頭+鉆頭”方式相比，不僅簡化了鉆具結構、降低了鉆具風險，還避免了多加一個接頭對鉆具造斜率的影響，提高了脈沖射流鉆井技術的適應性。

(2)井底流場分析結果表明，在脈沖作用下， 井底巖屑質量濃度變化明顯，說明井底巖屑被有效運移，避免了巖屑重復切削，從而可有效提高機械鉆速。

(3)由于脈沖發(fā)生裝置距離井底更近，到達井底的脈沖效應衰減少，不僅有利于井底紊流攜砂和水力破巖，還起到了很好的防泥包作用。

(4)現(xiàn)場應用結果表明，脈沖空化PDC鉆頭平均機械鉆速相對提高31.12%，起到了較好的提速效果，值得進一步推廣應用。