超高压PDC钻头超高压喷嘴布置实验研究

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1、石油机械2008年第36卷第5期CHINAPETROLEUMMACHINERY—5—!试验研究#超高压PDC钻头超高压喷嘴布置实验研究1222朱儒民牛涛徐依吉祁万军(11胜利油田分公司孤东采油厂21中国石油大学(华东)石油工程学院)摘要通过实验研究与理论分析相结合,提出了超高压喷嘴布置方案。实验结果表明,在射流压力低于150MPa时,随着射流压力升高,单位功率下的岩石冲蚀体积迅速增大,但当射流压力达到150MPa并进一步升高时,单位功率下的岩石冲蚀体积略有下降,150MPa时破岩效率最高;超高压喷嘴按前进的方式移动,破岩

2、效果最佳;喷嘴移动速度小于219mm/s时对岩石的冲蚀效果影响不大,超过此值后,冲蚀效果明显降低。从实验结果可以看出,喷嘴在钻头上的布置直接影响破岩效果。关键词超高压PDC钻头喷嘴破岩冲蚀体积喷距喷射角度研究中心的超高压射流切割机上完成的。喷嘴是直引言径为012mm的进口红宝石喷嘴,最低移动速度为1191mm/s,最高压力可达300MPa,额定排量为目前,我国钻深井、超深井的数量逐渐增多,210L/min,高压泵工作介质为清水。由于井深增加,钻井速度显著降低,提高深井钻速21岩石的选择并降低钻井成本是“十一五”期间钻井领

3、域亟待实验所选用的岩石应满足:①质地均匀,岩石解决的一个重大课题。国内外钻井专家一致认为,的力学性能尽可能一致,有良好的各向同性;②冲通过采用井下增压器实施超高压射流辅助机械破岩蚀坑较规则,便于测量体积;③当压力为100MPa钻进,即超高压射流辅助钻井技术,是解决深井、时,射流能对岩石冲击产生一定体积的冲蚀坑;当超深井钻速问题的一个根本途径。Veenhuizen等用压力上升到200MPa时,岩石不出现整体崩裂。超高压井下泵所做的现场实验表明,对于页岩,超经过比较,选择了质地比较坚硬且耐高压的花3高压射流辅助破岩速度约为常

4、规破岩速度的1145岗石板(品名:济南青,密度:21784g/cm,抗[1]倍,花岗岩1150倍,而砂岩则高达210倍。美压强度:196134MPa),并将其分割成约15cm×国已在研究第3代井下增压器。近年来,国内中石20cm的石板,石板厚度约2cm。油、中石化、中海油等多家单位也在进行井下增压31实验方法器的研制开发。预计2～3a,国产井下增压器可投将石板置于水槽内,使其处于被淹没状态,然入工业应用。后调节压力、喷距、喷嘴移动速度和喷射角度等参因此,对直接破岩工具———超高压钻头的研制数进行实验。开发有着非常重要的意

5、义。在超高压钻头的设计41实验数据测量中,超高压喷嘴的布置对钻头性能的影响起着至关由于喷嘴直径为012mm,冲蚀坑很小,对测重要的作用,笔者通过实验研究与理论分析相结量精度要求很高,固采用填充法测量。先用质地均合,提出了几点超高压喷嘴的布置方案。匀的优质橡皮泥填充冲蚀坑,然后压实,以保证橡皮泥能填满所有孔隙,再用刀片削掉多余部分使之实验介绍与岩石表面齐平,最后用精度为01001g的电子天平测出其质量。根据橡皮泥密度便可精确地计算出11实验设备冲蚀体积。每组实验最少重复3次,然后取其平均实验是在中国石油大学(华东)高压水射

6、流值,以减小实验误差。—6—石油机械2008年第36卷第5期时,其对冲蚀效果的影响不大,当速度进一步增大实验结果及分析后,冲蚀效果明显降低。喷嘴移动速度实质上反映的是射流与岩石表面的作用时间。11喷距对破岩效果的影响31喷射角度对破岩效果的影响在喷嘴移动速度、射流压力和喷射角度一定的喷射角度定义为岩石平面垂线与喷射方向线的情况下,不同喷距射流对岩石的冲蚀规律如图1所夹角(锐角),即图4中的α角。喷嘴的倾斜方向示。其中喷嘴移动速度为1191mm/s,射流压力从与喷嘴的前进方向有几种不同搭配方式,一般分为125MPa逐步上升

7、到200MPa,喷射角度为0°。前进、后退和侧移,如图4所示。图1喷距与冲蚀体积关系曲线图4喷嘴移动方向与岩石表面关系图分析图1可知:在喷嘴直径d、喷嘴移动速高压水射流进入岩石微裂缝形成水楔,使岩石度、喷射角度等参数不变的情况下,随着射流压力固有的微裂纹与新生裂纹一并扩展。当按前进方式的升高,最优喷距逐渐增大;最大冲蚀体积也增大移动喷嘴时水射流对微裂纹的扩展有一种追赶作(见图2)。当射流压力为125、150、175、200MPa用,产生一种逼迫微裂纹扩展的趋势,而其他两种时,最优喷距分别为510(25d)、515(271

8、5d)、移动方式都不具备追赶与逼迫微裂纹扩展的作用。610(30d)、615mm(3215d)。因此,从理论上分析前进方式喷嘴破岩效果最佳。实验证明,喷嘴按前进方式移动时破岩效果最佳。因此选择前进方式来研究改变喷射角度对破岩效果的影响。根据实验数据得到冲蚀体积与喷射角度关系曲线,如图5所示。图2射流压力与最大冲蚀体积