钻头腔内转子调制式脉冲钻井工具
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中图分类号 ：Ｔ １２３ Ｅ８ ． ２ ０ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ６ ７ ８ （ ０ ） — ０ ２ ０ ０ — ６ Ｘ ２ ６ ０ ０６ — ４ ０ ０ ２
由于具有较强 的可操作性 ， 激发井底水力脉动
到钻头不 同的喷嘴 中， 成脉 冲射流作用于井底 。 形
因为调制水力脉 冲的装嚣位于钻头 内部 ， 距离井底 较近 ， 因此水力能量 的沿程损耗较小 ， 有助于钻头获
低 压力 损耗 。
如 为喷嘴直径， ０为喷 嘴出 口压力 ， ／ ａ、 ｒｎ 尸 Ｐｍ ｘ ｎ ｉ 和 Ｐａ 分别为射流轴心的最大压力 、 ／ ｖ 最小压力和时 均压力 ）结果显示射流轴心压力脉动的幅值随着转 ， 子流道螺旋升角的增大而呈现 出增大的趋势。这是 因为转子螺旋升角的增大， 导致流体作用于转子 的 扭矩下降， 转子转速降低 ， 使转子下端流道出 口与钻 头喷嘴流道入 口重合 的时问延长 ， 进入喷嘴的流量
优化 目标 ， 试验确定 了转子 的结 构参 数 。现场试验结果表 明 ， 所研制 的工具 原理正 确 、 合理 、 参数 结构 可靠 ， 著 可显 提高机械钻速 ， 具有广 阔的现场应用 前景 。
关键词 ：水力脉冲 ； 钻井 工具 ； 子 ； 转 钻头腔 ； 岩石破碎 ； 试验研究 ；机械钻速
维普资讯
钻
・
采
工
艺
２Ｏ Ｏ ６年 ３ 月
Ｉａｅ ０ ６ ｄ ｒｈ２ ０
６ ・ ２
ＤＢＩ］． ＩＩ ＮＧ ＆ Ｐ ＲＯＤＵｃＩＯ Ｔ １ Ｎ ＥＣＨＮ ＯＬＯ ＧＹ
钻 头 腔 内转 子调制 式脉冲钻 井 工具
‘ 倪 红 坚 ， 、 韩来聚２许俊 良２ 一 ，
正逐渐成为提高深部地层钻井速度的一项重要技术 手段［ 一引。本 文就激 发井底 水力脉动 的方 式 ， １ｌ ］ 创
造性地利用现有钻头 的固有结构， 研制 了一种钻头 腔内转子调制式脉冲钻井工具【 现场试验表明 ， 引， 该
得更好 的破岩钻进效果。
工具可显著提高机械钻速 ， 具有广阔的应用前景。
作者简 介 ： 红坚（９２ ，Ｉ 年 获石油 大学博士学位 。现在中国石油大学（ 倪 １７ 一）２Ｏ （２ 华东 ） 和胜利油 田从事钻 井工程 、 流动力学 、 石力学和 射 岩
石油工具的博士后 研究工 作。地址 ： ５ｏ １ 山东东营 ， （ ７６ ） ２ 电话：５６ ８７ ２３ Ｅ ｍ ｉ ｎ ｊ ２ ３ｎｔ ０ — ７ ８２ ， — ａ ：￣ ＠ ６ ． ４ ｌ ｈ ｅ
二、 结构优化试验
转子是该工具 的关键水力元件 ， 决定着调制脉
冲射流 的特性 。本 次研究基 于压力脉动 的幅值越
大 ， 冲射 流 破 岩 、 助 破 岩 的 效 果 越 好 的认 脉 辅 识Ｅ６， ４Ｊ ， 首先以获得较大 的压力脉动 幅值为 目标 ， 优
收稿 日期 ： Ｏ５ ０ —１ ； ２ ０ — ８ ２ 修回 日 ：２Ｏ — ２ ０ 期 Ｏ６ ０ —１
基金项 目：本文系中国石油 天然气 集 团公 司石 油科技 中青 年 创新 基金项 目（ 编号 ： Ｅ ０２ 和中 国博 士后 科 学基 金 资助 项 目（ ４ ０ ７４） 编号 ： ２０ ３６２ 的部分成果。 ０４ ５９ ） ０
（ 中国石油大学石油工程 学院・ １ 华东 ２ 胜利石油管理局钻井工艺研究院）
倪红坚等 ． 钻头腔 内转 子调制式 脉冲钻井工具 ． 钻采工艺 ， ０ ， （）６ — ５ ２ ６２ ２ ： ６ Ｏ ９ ２
摘 要 ：研 制 了一种钻头腔 内转子调制式 脉冲钻井 工具 ， 其原 理是 将一个 直径 与钻头腔 内径 接近 、 表面加 工 有 螺旋流道的圆柱形转子置人钻头腔 内， 钻井液通过螺旋流 道时驱动转子旋转 ， 随着转 子的旋转 ， 流道 内的钻井 其 液被周 期性 分配到钻头不同的喷嘴 中， 形成脉 冲射流作用 于井底 。以射流轴心压力 脉动 的幅值 和射 流破岩效果 为
一
、
结 构 原 理
所研制的脉冲钻井工具 由转 子 ｌ连接轴 ２ 定 、 、
子 ３ 推力轴承 ４ 扶正轴承 ５ 压紧螺母 ６ 连接套 ７ 、 、 、 、 和短节壳体 ８ 组成 ， 圆柱形转子表面加工有螺旋流 道（ 见图 ｌ 图中 ａ为转子流道 的螺旋升 角 ， 为转 ，
子流道的开角 ） 。将 工具组装好后 ， 与钻头配接 ， 即 形成一个完整的水力脉 冲钻井装 置 ， 直径与钻头 内 径接近的转子伸入钻头 内部 ， 转子 的下端面位于钻 头喷 嘴的 人 口处 ｌｌ 。 ５ 钻井液流经转子上的螺旋流道 ， 推动转子旋转 ， 当转子下端的流道与钻头喷嘴流道人 口重合时 ， 钻 井液进入喷嘴的流量增大 ， 由喷嘴喷 出的射流速度 由于该脉 冲钻井工具 采用水力驱动 ， 流道形状
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第 ２卷 ９
第 ２期
ｖ０．９ １２ Ｎｎ２ ．
钻
采
工
艺
・ ３ ・ ６
ＤＩ Ｎ ＲⅢ Ｇ＆Ｐ Ｏ Ｕ Ｔ０ Ｃ Ｎ Ｌ Ｇ Ｒ Ｄ Ｃ １Ｎ Ｔ Ｈ Ｏ Ｏ Ｙ Ｅ
液在该区域的流动平滑 ， 从而减少对转子的冲蚀 、 降
为提高零部件的耐冲蚀性 能 ， 设计采用淬火或氮化
工艺对转子 、 、 轴 定子 、 紧螺母和连接套进行 表面 压 强化处理 ， 推力轴承和扶正轴承使用硬质合金制造 。 此外还将转子上端的迎水面设计 成流线 型 ， 使钻井
喷出的射 流速度降低 ， 对井底 的冲击作用 力变小 。 随着转子 的旋转 ， 其流道 内的钻井液被周期性分配
这是因为虽然随着流道开角的增大转子转速降低有利于更多的流体进人钻头喷嘴形成更高的压力脉动幅值但是由于钻头腔内的?64?钻采工艺dr上jncproducon7rechnoi幻gy2006年3月march2006空间有限相邻转子流道间的距离较小增大钻头开角使相邻转子流道中流体流动的相互干扰加强相比于增大流道开角对提高脉冲射流轴心压力脉动幅值的贡献这种干扰的负面影响更大ｔ ｊ Ｊ ＼ຫໍສະໝຸດ 一／！ ／ Ｉ ＼
图 １ 结构原 理示意 图
提高 ， 对井底的冲击作用力变大 ， 当转子下端的流道 与喷嘴流道人 口错开时 ， 钻井液进入喷嘴的途 径受
到转子流道侧壁 的限制 ， 进入喷嘴的流量减少 ， 喷嘴
变化较大 ， 容易受到钻井液固相及砂粒的强烈 冲刷 ，
由于具有较强 的可操作性 ， 激发井底水力脉动
到钻头不 同的喷嘴 中， 成脉 冲射流作用于井底 。 形
因为调制水力脉 冲的装嚣位于钻头 内部 ， 距离井底 较近 ， 因此水力能量 的沿程损耗较小 ， 有助于钻头获
低 压力 损耗 。
如 为喷嘴直径， ０为喷 嘴出 口压力 ， ／ ａ、 ｒｎ 尸 Ｐｍ ｘ ｎ ｉ 和 Ｐａ 分别为射流轴心的最大压力 、 ／ ｖ 最小压力和时 均压力 ）结果显示射流轴心压力脉动的幅值随着转 ， 子流道螺旋升角的增大而呈现 出增大的趋势。这是 因为转子螺旋升角的增大， 导致流体作用于转子 的 扭矩下降， 转子转速降低 ， 使转子下端流道出 口与钻 头喷嘴流道入 口重合 的时问延长 ， 进入喷嘴的流量
优化 目标 ， 试验确定 了转子 的结 构参 数 。现场试验结果表 明 ， 所研制 的工具 原理正 确 、 合理 、 参数 结构 可靠 ， 著 可显 提高机械钻速 ， 具有广 阔的现场应用 前景 。
关键词 ：水力脉冲 ； 钻井 工具 ； 子 ； 转 钻头腔 ； 岩石破碎 ； 试验研究 ；机械钻速
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钻
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２Ｏ Ｏ ６年 ３ 月
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钻 头 腔 内转 子调制 式脉冲钻 井 工具
‘ 倪 红 坚 ， 、 韩来聚２许俊 良２ 一 ，
正逐渐成为提高深部地层钻井速度的一项重要技术 手段［ 一引。本 文就激 发井底 水力脉动 的方 式 ， １ｌ ］ 创
造性地利用现有钻头 的固有结构， 研制 了一种钻头 腔内转子调制式脉冲钻井工具【 现场试验表明 ， 引， 该
得更好 的破岩钻进效果。
工具可显著提高机械钻速 ， 具有广阔的应用前景。
作者简 介 ： 红坚（９２ ，Ｉ 年 获石油 大学博士学位 。现在中国石油大学（ 倪 １７ 一）２Ｏ （２ 华东 ） 和胜利油 田从事钻 井工程 、 流动力学 、 石力学和 射 岩
石油工具的博士后 研究工 作。地址 ： ５ｏ １ 山东东营 ， （ ７６ ） ２ 电话：５６ ８７ ２３ Ｅ ｍ ｉ ｎ ｊ ２ ３ｎｔ ０ — ７ ８２ ， — ａ ：￣ ＠ ６ ． ４ ｌ ｈ ｅ
二、 结构优化试验
转子是该工具 的关键水力元件 ， 决定着调制脉
冲射流 的特性 。本 次研究基 于压力脉动 的幅值越
大 ， 冲射 流 破 岩 、 助 破 岩 的 效 果 越 好 的认 脉 辅 识Ｅ６， ４Ｊ ， 首先以获得较大 的压力脉动 幅值为 目标 ， 优
收稿 日期 ： Ｏ５ ０ —１ ； ２ ０ — ８ ２ 修回 日 ：２Ｏ — ２ ０ 期 Ｏ６ ０ —１
基金项 目：本文系中国石油 天然气 集 团公 司石 油科技 中青 年 创新 基金项 目（ 编号 ： Ｅ ０２ 和中 国博 士后 科 学基 金 资助 项 目（ ４ ０ ７４） 编号 ： ２０ ３６２ 的部分成果。 ０４ ５９ ） ０
（ 中国石油大学石油工程 学院・ １ 华东 ２ 胜利石油管理局钻井工艺研究院）
倪红坚等 ． 钻头腔 内转 子调制式 脉冲钻井工具 ． 钻采工艺 ， ０ ， （）６ — ５ ２ ６２ ２ ： ６ Ｏ ９ ２
摘 要 ：研 制 了一种钻头腔 内转子调制式 脉冲钻井 工具 ， 其原 理是 将一个 直径 与钻头腔 内径 接近 、 表面加 工 有 螺旋流道的圆柱形转子置人钻头腔 内， 钻井液通过螺旋流 道时驱动转子旋转 ， 随着转 子的旋转 ， 流道 内的钻井 其 液被周 期性 分配到钻头不同的喷嘴 中， 形成脉 冲射流作用 于井底 。以射流轴心压力 脉动 的幅值 和射 流破岩效果 为
一
、
结 构 原 理
所研制的脉冲钻井工具 由转 子 ｌ连接轴 ２ 定 、 、
子 ３ 推力轴承 ４ 扶正轴承 ５ 压紧螺母 ６ 连接套 ７ 、 、 、 、 和短节壳体 ８ 组成 ， 圆柱形转子表面加工有螺旋流 道（ 见图 ｌ 图中 ａ为转子流道 的螺旋升 角 ， 为转 ，
子流道的开角 ） 。将 工具组装好后 ， 与钻头配接 ， 即 形成一个完整的水力脉 冲钻井装 置 ， 直径与钻头 内 径接近的转子伸入钻头 内部 ， 转子 的下端面位于钻 头喷 嘴的 人 口处 ｌｌ 。 ５ 钻井液流经转子上的螺旋流道 ， 推动转子旋转 ， 当转子下端的流道与钻头喷嘴流道人 口重合时 ， 钻 井液进入喷嘴的流量增大 ， 由喷嘴喷 出的射流速度 由于该脉 冲钻井工具 采用水力驱动 ， 流道形状
维普资讯
第 ２卷 ９
第 ２期
ｖ０．９ １２ Ｎｎ２ ．
钻
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・ ３ ・ ６
ＤＩ Ｎ ＲⅢ Ｇ＆Ｐ Ｏ Ｕ Ｔ０ Ｃ Ｎ Ｌ Ｇ Ｒ Ｄ Ｃ １Ｎ Ｔ Ｈ Ｏ Ｏ Ｙ Ｅ
液在该区域的流动平滑 ， 从而减少对转子的冲蚀 、 降
为提高零部件的耐冲蚀性 能 ， 设计采用淬火或氮化
工艺对转子 、 、 轴 定子 、 紧螺母和连接套进行 表面 压 强化处理 ， 推力轴承和扶正轴承使用硬质合金制造 。 此外还将转子上端的迎水面设计 成流线 型 ， 使钻井
喷出的射 流速度降低 ， 对井底 的冲击作用 力变小 。 随着转子 的旋转 ， 其流道 内的钻井液被周期性分配
这是因为虽然随着流道开角的增大转子转速降低有利于更多的流体进人钻头喷嘴形成更高的压力脉动幅值但是由于钻头腔内的?64?钻采工艺dr上jncproducon7rechnoi幻gy2006年3月march2006空间有限相邻转子流道间的距离较小增大钻头开角使相邻转子流道中流体流动的相互干扰加强相比于增大流道开角对提高脉冲射流轴心压力脉动幅值的贡献这种干扰的负面影响更大ｔ ｊ Ｊ ＼ຫໍສະໝຸດ 一／！ ／ Ｉ ＼
图 １ 结构原 理示意 图
提高 ， 对井底的冲击作用力变大 ， 当转子下端的流道 与喷嘴流道人 口错开时 ， 钻井液进入喷嘴的途 径受
到转子流道侧壁 的限制 ， 进入喷嘴的流量减少 ， 喷嘴
变化较大 ， 容易受到钻井液固相及砂粒的强烈 冲刷 ，