水平井脉冲内磨钻头设计研究

发布时间：2020-09-11 23:14

　　 水平井钻进中往往因携岩不利、清岩不及时、钻屑在低边堆积等问题产生岩屑床,由此导致托压、底部钻具组合粘托甚至卡钻等。针对这些问题,本文在分析岩屑床形成的基础上,基于赫姆霍兹谐振-脉冲生成、射流泵-负压抽汲、高压射流和粉尘碰撞等理论,设计了一种新型水平井脉冲内磨钻头,可通过高速脉冲射流、反向射流及内磨削结构,实现高效破岩,减小压持效应,清除水平井岩屑床。基于风琴管脉冲生成理论及自激振荡喷嘴和自旋转喷嘴的良好水力辅助破岩效果,并根据水力结构优化原则,对赫姆霍兹式脉冲内磨钻头进行改型,分别设计了风琴管式脉冲、串联式脉冲增强式、自激振荡脉冲增强式和中心旋喷脉冲等多款内磨钻头,可阶段性增强脉冲生成装置的脉冲射流效果,结合自激振荡喷嘴和自旋转喷嘴的水力特性,可望进一步提高水力破岩和携岩效率。分别建立了脉冲生成装置、高效破岩装置、反向抽汲装置和岩屑内磨装置的水力模型,以赫姆霍兹振荡器固有频率、谐振管谐振最优排量、下喷喷嘴出口流体速度、最优流量比、高压作用力、最小内磨末速和最小加速管长度为特征参数,建立了水平井脉冲内磨钻头的参数计算模型。算例分析得到赫姆霍兹振荡腔固有频率为24.00Hz,谐振最优流量为23.92L/s,最优流量比为0.59;以钻井液为高速流体,通过算例分析得到赫姆霍兹振荡器固有频率为24Hz,砂岩的最小内磨末速为64.65m/s,最小加速管长度为67.72mm;泥岩的最小内磨末速为67.08m/s,最小加速管长度为100.57mm。参数研究表明,谐振最优流量随着进给腔直径、反馈腔直径的增大而增大,随着谐振腔直径的增大而减小;最优流量比随着无量纲流量比先增大后减小,随着无量纲面积比的增大而减小,最小内磨末速随着内磨能量系数(f_i)和机械钻速(ROP)的增加而增大,随着内磨终止粒径(d_t)增大而减小,特别是当f_i0.2、ROP3.048m/h和d_t0.3mm时,其影响比较明显;最小加速管长度随着谐振管固有频率的增大而减小,随着流量分配系数的增大而减小。并通过实例分析验证了参数计算模型的可行性。基于水动力学,通过钻头-钻具系统力学分析,建立了脉冲内磨钻头自进力、水平井极限延伸长度的计算模型,通过算例分析得到脉冲内磨钻头的进给力为4333.92N,极限延伸长度为4024.67m。参数研究表明,极限延伸长度随着抽汲腔孔径、下喷流道喷嘴数和分离区流量分离系数的增大而增大,随着下喷流道轴线与钻头轴线夹角、井壁摩擦系数的增大而减小,钻井液流量对极限延伸长度的影响很小。通过实例分析验证了水力模型的可行性。本文研究为清除水平井岩屑床提供了一种解决方案。
【学位单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE921.1
【部分图文】：

图 1.1 射流磨钻头示意图Fig. 1.1 Jet mill bit内置上返通道，区别于普通 PDC 钻头。内置的上文丘里管抽汲井底流体及岩屑，经高压射流粉碎压破岩管，射流磨钻头其上返通道抽吸井底流体，从而塑性、破碎强度，提高破岩效率；减轻井底岩屑时外排，避免重复破碎，提高机械钻速。碎碎岩般为含原生裂纹以及因应力形成的次生裂纹，在扩展，引起岩屑粉碎。射流磨钻头利用高速射流屑，利用高速射流冲击效应，使岩屑颗粒之间、碰撞、剪切，从而破碎。

图 1.2 岩屑水楔粉碎和撞击粉碎Fig. 1.2 Grinding mechanism of cuttings（3）粉碎岩屑携岩水平井钻进中，大颗粒岩屑难以有效运移，井底岩屑形成重复破碎；水平井段容易形成岩屑床，影响 ROP。基于中小岩屑颗粒的运移效率显著优于大岩屑，射流磨钻头能够有效地提高岩屑运移效率。1.3 存在的问题上述岩屑运移理论、数模和实验均是建立在稳态循环流体条件下，包括钻井液和气体，对非稳态循环流体，例如脉冲流体的研究是不充分的，而脉冲射流相对于常规稳态流体，以其对岩石非对称、非均匀的切削，可以大幅度提高水利辅助破岩、清岩效率[17]，在钻头底部形成负压，减小压持效应，清除岩屑床，其非凡的效果已经吸引了越来越多研究者的关注。相关的数值模拟和实验研究也证明脉冲射流钻井技术在提高钻进效率的同时，可改善油田的开发效果[18]。同时，改进的射流磨钻头设计仅局限于气体钻井设计，针对常规钻井液循环

图 1.3 技术路线图Fig. 1.3 Technology roadmap基于射流磨钻头设计，通过分析赫姆霍兹谐振腔脉冲生成理论和钻井液流学相关循环理论，在高压水射流、钻井液流体力学和粉尘破碎力学的基础上计新型脉冲内磨钻头，为清除水平井的岩屑床提供一种解决方案。在结构设计的基础上，分别从脉冲生成装置、高效破岩装置、负压抽汲装岩屑内磨装置对脉冲内磨钻头进行水力学建模和分析，同时考虑实际应用中冲内磨钻头与钻具系统在水平井水平段钻进时的系统力学分析，建立极限延度的计算模型。最后为了进一步优化脉冲内磨钻头的破岩、清岩和携岩效果，对脉冲内磨的流道进行改进，以提高钻头的破岩和清岩效率，更好清除水平井中的岩屑床

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本文编号：2817303