切向导入式旋流喷嘴辅助PDC钻头破岩实验

袁军，邹德永，刘笑傲

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580）

切向导入式旋流喷嘴辅助PDC钻头破岩实验

袁军，邹德永，刘笑傲

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580）

为了提高PDC钻头在研磨性地层中的机械钻速，延长使用寿命，采用室内实验和现场验证的研究方法，设计了一种切向导入式旋流喷嘴。文中对旋流喷嘴的关键结构参数进行了优化，与普通圆喷嘴进行了破岩效果对比，并将旋流喷嘴应用到PDC钻头上，进行了现场验证试验。相同条件下，非对称切向导入口喷嘴的破岩效果比对称切向导入口喷嘴的破岩效果好，当切向导入口数量为3个、角度为30°和圆锥收缩角度为20°时，旋流喷嘴的破岩效果最好。切向导入式旋流喷嘴产生的破碎坑冲蚀体积是普通圆射流的4.00～5.60倍。现场应用结果表明，旋流PDC钻头的机械钻速比普通PDC钻头提高了51%～67%，并且延长了钻头使用寿命。

PDC钻头；旋转射流；切向导入式旋流喷嘴；研磨性地层

0　引言

PDC钻头作为一种切削型破岩工具，在钻进研磨性地层时，受压持效应的影响，岩屑无法及时离开井底，引起重复切削，加速切削齿的磨损，造成PDC钻头机械钻速下降［1-3］。旋转射流是近年来发展起来的一种新型射流技术，具有三维流动速度，能够起到改善井底流场、清洗岩屑和冷却钻头的作用，同时起到辅助破岩的作用［4］。国外学者采用示踪颗粒高速摄影和井底测压等方法，对喷嘴和流道的组合形式进行了大量的研究［5-9］，揭示了流量、喷嘴位置、尺寸等参数对流动特性的影响规律；国内学者采用简化模型，通过数值模拟，对PDC钻头喷嘴的流动特性进行了分析［10-18］。但是国内外学者大多做法是改变喷嘴直径，对射流形式改变较少，并且缺乏有力的实验验证。

笔者结合PDC钻头与旋转射流的破岩机理，通过室内实验优化旋流喷嘴辅助PDC钻头破岩的关键结构参数，并进行现场验证试验，以指导高效破岩PDC钻头的研制和应用。

1　旋转射流辅助PDC钻头破岩机理

旋转射流辅助PDC钻头破岩过程是充分利用PDC钻头切削齿和旋转射流的各自优势，实现共同破岩的过程。

1.1PDC钻头破岩机理

PDC钻头是一种切削型破岩钻头，在钻进过程中，PDC齿在轴向力和切削力的作用下吃入并破碎井底岩石。对于不同岩性的地层，PDC钻头的破岩机理及方式不同［19］。对于塑性岩石，主要靠犁削作用破岩，岩石破碎以连续平稳破碎为主，PDC齿在轴向力和切削力的共同作用下，吃入岩石一定深度，并挤压PDC齿前方岩石，使之发生塑性破碎；对于脆性岩石，主要靠剪切作用破岩，岩石破碎以跳跃式剪切破碎为主，破碎过程由2个阶段组成——压碎和剪切崩离［20］，岩石破碎开始阶段，由于吃入深度浅，PDC齿与岩石接触面积小，在接触处产生高压应力压碎岩石，PDC齿继续剪切压碎岩石，切削深度和接触面积逐渐增大，切削力随之增大，进而产生大块的剪切崩离。

1.2旋转射流辅助破岩机理

旋转射流的质点具有轴向、径向和切向三维流动速度，径向和切向都是平行于岩石表面的横向流动。轴向流动可以产生对井底岩石的冲击压力，产生密实核效应和水楔作用；横向流动可以形成平行于岩石表面的横向载荷，使岩石产生剪切破坏并伴有冲蚀和拉伸破坏，辅助PDC钻头破碎岩石［21］。在旋转射流的冲击范围内，距轴心一定直径的环形区域内的冲击压力最高，向内和向外冲击压力迅速降低，井底岩屑在极不均匀的冲击压力作用下容易翻转，能够及时离开井底。旋转射流的径向和切向流动速度，能够增强井底漫流对岩屑的横推作用［22］。在PDC齿破碎岩石的同时，旋转射流冲击岩石表面，对应环形区域下的岩石除了受到剪切作用，还受到横向的冲蚀作用。经过PDC齿破碎后的岩石，在其表面产生很多微裂缝，射流流体能够进入微裂纹产生水楔作用，致使微裂纹不断扩展，进而相互连通，造成岩石破碎［23］。

2　切向导入式旋流喷嘴结构优化设计

2.1旋流喷嘴结构设计

旋流喷嘴以工程中常见的圆柱形喷嘴为基础［24］，在喷嘴注入端顶部加工一个封闭圆面，流体从切向导入口进入喷嘴，在喷嘴内形成螺旋流动，经过喷嘴下部的圆锥收缩段后被进一步加速，从喷嘴出口喷出，形成高速旋转锥形射流。旋流喷嘴结构如图1所示。

切向导入式旋流喷嘴关键结构参数见表1。为提高喷嘴的耐磨性，切向导入式旋流喷嘴以铸造碳化钨和钴基黏结金属粉末为材料，采用粉末冶金热压工艺烧结成型［23，25］。

2.2关键结构参数优化

按照425#水泥和石英砂（40～60目）体积比为1∶3的比例，制备人造砂岩试样。试样中含有石英砂颗粒，抗压强度为43.0 MPa，研磨性系数为8.7×10-4mm3/ （kN·m），岩石研磨性较强。为了达到优化旋流喷嘴关键结构参数的目的，用旋流喷嘴在人造砂岩试样上进行冲蚀实验，以人造砂岩试样破碎坑冲蚀体积表征旋流喷嘴的破岩效果。

2.2.1切向导入口数量

旋流喷嘴切向导入口角度设计为20°，圆锥收缩角度设计为30°，设定排量为150 L/min，喷距为30 mm，分别用不同切向导入口数量的旋流喷嘴冲蚀人造砂岩试样5 min。砂岩试样破碎坑冲蚀体积与喷嘴切向导入口数量的关系如图2所示。

由图2可知，在旋流喷嘴切向导入口角度和圆锥收缩角度一定的条件下，非对称切向导入口喷嘴的破岩效果比对称切向导入口喷嘴的破岩效果要好。这是因为非对称切向导入可以减少喷嘴流道内射流流体碰撞带来的能量损失，增加流体旋流作用。但是，并非切向导入口越多越好，随着切向导入口数量的增加，从各个切向导入口进入喷嘴流道内的流体彼此干扰会越来越严重，高速射流区域越来越小，减弱了射流流体的旋流作用，降低了射流流速。切向导入口数量为3个时，人造砂岩试样的破碎坑冲蚀体积最大，旋流喷嘴破岩效果最好。

2.2.2切向导入口角度

旋流喷嘴切向导入口数量设计为3个，圆锥收缩角度设计为20°，设定排量为150 L/min，喷距为30 mm，分别用不同切向导入口角度的旋流喷嘴冲蚀人造砂岩试样5 min。砂岩试样破碎坑冲蚀体积与喷嘴切向导入口角度的关系如图3所示。

由图3可知：在旋流喷嘴切向导入口数量和圆锥收缩角度一定的条件下，随着切向导入口角度的增大，旋流喷嘴的破岩效果呈现先增大后减小的趋势；当切向导入口角度为30°时，人造砂岩试样的破碎坑冲蚀体积最大。分析原因认为，随着切向导入口角度增大，喷嘴流道内射流流体的导流能力逐渐增强，流体轴向压力逐渐减小，周向压力逐渐增大。在射流冲击区域内，岩石受到射流流体轴向压力和周向压力的共同作用产生破碎，当切向导入口角度为30°时，射流流体的轴向压力和周向压力达到最优组合，旋流喷嘴的破岩效果最好。

2.2.3圆锥收缩角度

旋流喷嘴切向导入口数量设计为3个，切向导入口角度设计为30°，设定排量为150 L/min，喷距为30 mm，分别用不同圆锥收缩角度的旋流喷嘴冲蚀人造砂岩试样5 min。砂岩试样破碎坑冲蚀体积与喷嘴圆锥收缩角度的关系如图4所示。

由图4可知：在旋流喷嘴切向导入口数量和角度一定的条件下，随着圆锥收缩角度增大，破碎坑冲蚀体积迅速增大，而后缓慢减小；当圆锥收缩角度为20°时，人造砂岩试样的破碎坑冲蚀体积最大。其主要原因为，当排量一定时，随着圆锥收缩角度增大，圆锥收缩段两端压降升高，参与破岩的射流流速和水功率相应增加，射流流体的冲击作用加强，破岩能力增强，但是圆锥收缩角度越大，圆锥收缩段侧面对射流流体的反作用力越大，射流流体能量损失越大，减弱了射流流体的旋流作用，导致破岩效果变差。圆锥收缩角度为20°时，旋流喷嘴破岩效果最好。

2.3优化结果破岩实验

根据喷嘴关键结构参数的优化结果，烧结切向导入式旋流喷嘴，在砂岩试样上进行冲蚀实验，并与普通圆喷嘴冲蚀效果进行对比。

2.3.1人造砂岩试样冲蚀实验

设定排量为150 L/min，喷距为30 mm，分别用切向导入式旋流喷嘴和普通圆喷嘴冲蚀试样5 min，旋流喷嘴压降为9.6 MPa，普通圆射流喷嘴压降为7.3 MPa。旋转射流与普通圆射流冲蚀效果对比见图5、表2。

由表2可以看出：旋转射流破碎坑深度为普通圆射流的1/2，破碎坑直径约为普通圆射流的3.30倍，破碎坑冲蚀体积约为普通圆射流的5.60倍。这说明旋转射流的穿透力比普通圆射流弱，但总的破岩效率比普通圆射流高。

2.3.2天然砂岩试样冲蚀实验

在抗压强度为17.5MPa、研磨性系数为2.6×10-3mm3/ （kN·m）的强研磨性天然砂岩试样上，固定喷嘴压降为8.0 MPa，分别用旋流喷嘴和普通圆喷嘴冲蚀试样30 s。旋转射流与普通圆射流冲蚀效果对比见图6、表3。

对比图5和图6可知，旋转射流与普通圆射流冲蚀天然砂岩的效果与冲蚀人造砂岩试样的效果相似。旋转射流破碎坑深度为普通圆射流的0.28倍，破碎坑直径约为普通圆射流的4.10倍，破碎坑冲蚀体积约为普通圆射流的4.00倍。这说明旋转射流的有效喷距比普通圆射流小，能量衰减速度比普通圆射流快。

3　现场应用

3.1旋流PDC钻头基本结构

旋流PDC钻头以常规PDC钻头基本结构为基础，在钻头流道内部安装切向导入式旋流喷嘴，引入旋转射流辅助破岩，改善了钻头性能，可以提高PDC钻头的破岩效率。现场试验用旋流PDC钻头如图7所示，钻头直径为215.9 mm，切削齿后倾角为15°，侧倾角为10°。为加强旋流PDC钻头的辅助破岩作用，钻头水力结构采用1个直径为18 mm的切向导入式旋流喷嘴+4个直径为16 mm的普通圆喷嘴的组合方式。

3.2现场试验

为进一步验证旋流PDC钻头的破岩效果，在胜利油田夏405-斜12井和临38-斜37井进行了现场试验，并与相邻井位普通PDC钻头钻进效果进行了对比，结果如表4所示。

对比组1所钻地层为沙二段和沙三段，主要岩性为石英砂岩和细粒长石砂岩，属于强研磨性地层。起钻后发现：旋流PDC钻头主刀翼上的复合片有不同程度的磨损，但是不影响继续使用；而普通PDC钻头5个刀翼上的复合片磨损均非常严重，不能继续使用，仅试验1口井就报废。在钻进过程中，旋流PDC钻头的机械钻速比较平稳，而普通PDC钻头的机械钻速极不平稳，波动剧烈，下降幅度非常大。旋流PDC钻头的机械钻速比普通PDC钻头提高了51%，延长了钻头使用寿命。

对比组2所钻地层为沙一段和沙二段，主要岩性为粉砂岩和砂岩，属于中等强度研磨性地层。起钻后发现：旋流PDC钻头个别刀翼上的复合片有轻微磨损，磨损量较小；而普通PDC钻头磨损较为严重，磨损量较大，有的部位复合片崩损破坏，需要及时更换。在钻进过程中，旋流PDC钻头的机械钻速平稳，波动小，随着井深的增加，机械钻速下降幅度较小；而普通PDC钻头钻速波动比较明显，随着井深的增加，机械钻速下将幅度较大。旋流PDC钻头的机械钻速比普通PDC钻头提高了67%，延长了钻头使用寿命。

4　结论

1）在相同条件下，非对称切向导入口喷嘴比对称切向导入口喷嘴的破岩效果好，最优切向导入口数量为3个。

2）最优切向导入口角度为30°，此时射流流体的轴向压力和周向压力达到最佳组合，流体旋流效果最好，破岩效率最高。

3）随着圆锥收缩角度的增大，切向导入式旋流喷嘴的破岩能力呈现先增大后减小的趋势，最优圆锥收缩角度为20°。

4）切向导入式旋流喷嘴的穿透力比普通圆射流喷嘴弱，但是旋转射流产生的破碎坑面积比普通圆射流的大，产生的破碎坑冲蚀体积为普通圆射流的4.00～5.60倍。

5）现场试验证明，旋流PDC钻头比普通PDC钻头的机械钻速提高了51%～67%，减轻了钻头磨损，延长了钻头使用寿命。

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（编辑赵卫红）

Rock-breaking experiment by tangential import swirl nozzle assisted PDC bit

YUAN Jun，ZOU Deyong，LIU Xiao′ao
（College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

To improve the drill speed and prolong the service life of PDC bit in abrasive formation，through laboratory experiment and oilfield verification，a type of tangential import swirl nozzle is designed.The key structure parameters of swirl nozzle are optimized，and then the swirl nozzle is applied to PDC bit to verify the rock-breaking effect.The researches show that the rockbreaking effect of non-symmetrical tangential import entrances is better than that of symmetrical tangential import entrances.The optimaltangentialimportentrance numberis3，the optimalangle oftangentialimportentrance 30 degree，and the optimalangle ofcone contraction 20 degree.The erosion volume of crushing pit produced by swirl nozzle is about 4.00-5.60 times that of common round nozzle.Field application results show that the drill speed of swirl PDC bit is increased by 51%-67%compared with common PDC bit，and the service life is extended.

PDC bit；swirling jet；tangential import swirl nozzle；abrasive formation

国家教育部博士点基金项目“石油钻井地层岩石研磨性定量评价方法研究”（20100133110002）

TE921+.1

A

10.6056/dkyqt201604026

2015-10-15；改回日期：2016-04-19。

袁军，男，1986年生，在读博士研究生，主要从事油气井岩石力学和岩石破碎原理与方法方面的研究工作。E-mail：yuanjuncup@sina.com。

引用格式：袁军，邹德永，刘笑傲.切向导入式旋流喷嘴辅助PDC钻头破岩实验［J］.断块油气田，2016，23（4）：528-532.

YUAN Jun，ZOU Deyong，LIU Xiao′ao.Rock-breaking by tangential import swirl nozzle assisted PDC bit in abrasive formation［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（4）：528-532.