PDC鉆頭水力優(yōu)化研究與應(yīng)用.pdf

1、北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文PDC鉆頭水力優(yōu)化研究與應(yīng)用姓名：張利申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：機(jī)械工程指導(dǎo)教師：王奎升;朱明會(huì)20050520PDC鉆頭水力優(yōu)化研究與應(yīng)用摘要為了適應(yīng)當(dāng)今迅猛發(fā)展的鉆井行業(yè)需要，國(guó)內(nèi)外PDC鉆頭設(shè)計(jì)和制造技術(shù)正向著性能不斷完善、綜合指標(biāo)不斷提高的方向發(fā)展。水力因素對(duì)PDC鉆頭性能的影響是巨大的，鉆井液在石油鉆井中起著攜帶巖屑、清洗井底、冷卻和潤(rùn)滑鉆頭、輔助破巖等多種關(guān)鍵功能作用。本文針對(duì)公司內(nèi)PDC鉆頭產(chǎn)品的水力優(yōu)化進(jìn)行分析與研究，主要開展以下幾個(gè)方面工作：(1)通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，連接國(guó)內(nèi)外有關(guān)流場(chǎng)描述方法，確立采用理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的水力優(yōu)化方法。(2)通過(guò)分析

2、噴嘴水力特性以及其選用原則，計(jì)算PDC鉆頭壓力降、噴嘴直徑、噴嘴位置及其布置方式，即噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析。確定水力結(jié)構(gòu)中噴嘴法向角、噴嘴數(shù)量、安放位置、噴嘴角。(3)本文正確選擇水力參數(shù)，以減少甚至克服鉆頭泥包，增強(qiáng)冷卻清洗效果，為如何評(píng)價(jià)PDC鉆頭水力清洗效果提出一種定量化標(biāo)準(zhǔn)。(4)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用delphi60配合Excel2000XP對(duì)PDC鉆頭水力系統(tǒng)進(jìn)行編程分析，編制一套實(shí)用的現(xiàn)代鉆頭水眼設(shè)計(jì)軟件。并對(duì)這套PDC鉆頭水眼設(shè)計(jì)程序做一簡(jiǎn)要介紹?？傊?，針對(duì)目前PDC鉆頭水力研究中存在的問(wèn)題，本文從水力結(jié)構(gòu)和水力參數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行研究。利用水力結(jié)構(gòu)中噴嘴參數(shù)設(shè)計(jì)和噴嘴流線型設(shè)

3、計(jì)對(duì)PDC鉆頭進(jìn)行優(yōu)化，為全面合理地設(shè)計(jì)PDC鉆頭提供有力保障。關(guān)鍵詞：PDC鉆頭，水力結(jié)構(gòu)，水力參數(shù)，水力優(yōu)化，流場(chǎng)模擬THE STUDY AND APPLICATIoNoN HYDRODYNAMIC oPTIMIZATIoNoFPDC BITABSTRACTToday,in order to meet the need of rapid development of well drilling industry,the design and manufacturing technique of native and overseas PDC bit factories alecontinu

4、ously taking pains to improve the mechanical capability of their productsThe effect of hydrodynamic factor to general technical target of PDC bits is enormous；drilling slurry has several pivotal and multifunctional functions，such as schlepping rockoddment，cleaning well boRom，cooling or lubricating b

5、it and auxiliarily fragmentizing rock,and SO onDuring the study course in allusion to hydrodynamic optimization of PDC bit，a sort of petroleum mechanical product in Our company,this paper mainly develops several aspects ofthe PDC bit as follows(1)On the basis of the contrast between domestic and for

6、eign study on hydrodynamic investigative technique and abundant data correlative to this paperconsulted on native and overseas database，this paper ulteriody establishes PDC bit hydrodynamic optimization technique adopting the combination of theoretic analysisand experimentation in the drilling field

7、(2)During the course of PDC bit hydrodynamic optimization techniquethispaper figures out hydrodynamic pressure of bit,the diameter and location of nozzles onbit crown and its arrangement mode，namely,study on nozzlesinterior structureThispaper respectively calculates constructional angle，number and l

8、ocation of nozzles and its spurt angle in hydrodynamic structure ofPDC bit(3)Duringthecourseof PDCbithydrodynamic parameters optimizationtechnique，this paper rightly chooses hydrodynamic parameters，decreases or conquersnozzlesjamming by slurry and rock oddment，enhances cooling and cleaning effect，br

9、ingsforwardasortofquantificationalcriterionforhowtoevaluatePDCbitIIhydrodynamic cleaning effect(4)According to experiential formulae and spot experimentation data,this paperanalyzes PDC bit hydrodynamic system with the software of deIphi60 and stmisficM calculation ofexcel2000xp，compiles a suit ofap

10、plied pertinency software on nozzlesdesignThe seventh sectionof this paper simply recommends such nozzlesdesignprogramme on PDC bitInaword，inallusiontoexistentmattersduringthestudyOnPDCbithydrodynamic optimizmion，this paper develops investigative tasks on the two aspectsof hydrodynamic structure and

11、 drilling parameters analysisThis paper systemicallyoptimizes PDC bit hydrodynamic system on the basis of nozzles 7parameters design inhydrodynamic structure and nozzles 7 streamline mode design,reasonably supplieshydrodynamic design guarantee for PDC bit designKEYWORDS：PDCbit，hydrodynamicstructure，

12、hydrodynamicparameters，hydrodynamic optimization and current field simulation11I譬736823北京化工大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：易戚擴(kuò)1夠年歹月日注：本聲明應(yīng)放在學(xué)位論文首頁(yè)。北京化工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第一章緒論11本文的意義聚晶

13、PDC切削齒鉆頭(polycrystalline diamond compact bit)簡(jiǎn)稱PDC鉆頭， 是美國(guó)石油工業(yè)在八十年代的一項(xiàng)重大技術(shù)成就。由于它具有鋒利、耐磨并能自 銳的復(fù)合片切削點(diǎn)，能在均質(zhì)的軟到中硬地層中，以較低鉆壓獲得高鉆速和高進(jìn) 尺。自它問(wèn)世以來(lái)，就迅速在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，占據(jù)了切削齒型鉆頭90 的市場(chǎng)，總進(jìn)尺占全世界鉆井總進(jìn)尺的25，并成為定向鉆井、深井鉆井、海洋 鉆井、井下動(dòng)力鉆井和小井眼鉆井工程中的一種重要工具。隨著PDC鉆頭的切削結(jié)構(gòu)和切削齒的不斷改進(jìn)，PDC鉆頭破巖能力得到了大幅度提高，然而，鉆進(jìn)過(guò)程中的水力學(xué)問(wèn)題日益突出?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中出現(xiàn)的PDC鉆頭鉆進(jìn)軟

14、地層時(shí)清洗不充分而易于泥包，鉆進(jìn)硬地層時(shí)切削工具的快速熱磨損和鉆頭體沖蝕造成的鉆頭失效現(xiàn)象，一直是鉆頭設(shè)計(jì)者和使用者力求解決的問(wèn)題之。在早期的研究中，我們通過(guò)合理設(shè)計(jì)切削齒的位置，以及在使用中選用合理水力參數(shù)，使這一問(wèn)題有了一定改善。因此，怎樣通過(guò)PDC鉆頭的水力優(yōu)化來(lái)改進(jìn)鉆頭水力參數(shù)設(shè)計(jì)，改善沿鉆頭面尤其是沿切削刃的液流分布，為切削點(diǎn)提供最優(yōu)的清巖和冷卻效果，已成為鉆頭設(shè)計(jì)者和使用者關(guān)心的一項(xiàng)重要問(wèn)題。圖1-1 PDC鉆頭水力循環(huán)(參數(shù))示意圖圖I-2 PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)實(shí)物圖PDC鉆頭水力學(xué)的研究大致分為兩個(gè)方面：一是鉆頭水力參數(shù)研究，如圖1-1所示。一是鉆頭水力結(jié)構(gòu)研究，如圖12所示。鉆

15、頭水力參數(shù)研究主要是鉆頭使用者針對(duì)某一類型PDC鉆頭研究其使用過(guò)程中為提高鉆速和延長(zhǎng)壽命所應(yīng)采取的水北京化工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文力控制參數(shù)，如排量、泵壓、噴嘴直徑、鉆頭水功率等。鉆頭水力結(jié)構(gòu)研究主要是鉆頭設(shè)計(jì)者在研究液流的清洗和冷卻機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究為使井底液流分布達(dá)到最優(yōu)的清巖和冷卻效果而在鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)所采取的結(jié)構(gòu)形式，如噴嘴的尺寸、形狀、個(gè)數(shù)、安放位置、傾角以及流道形狀等。對(duì)于不同的鉆頭水力結(jié)構(gòu)，在鉆頭面上和沿切削齒將存在有不同的液流分布，而不同的液流分布對(duì)鉆頭的清洗和冷卻效果不同。故而，為提高最優(yōu)的對(duì)切削齒的清洗和冷卻效果，進(jìn)行PDC鉆頭的水力優(yōu)化是十分必要的，而這種優(yōu)化設(shè)計(jì)是在對(duì)PDC鉆

16、頭井底流場(chǎng)充分了解的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，那么描述PDC鉆頭井底情況是進(jìn)行PDC鉆頭水力優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但由于PDC鉆頭的鉆頭面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有若干噴嘴、切削塊等，現(xiàn)在不能用理論解析法解決如此復(fù)雜結(jié)構(gòu)條件下流動(dòng)問(wèn)題。石油大學(xué)管志川等人較好地利用針對(duì)某一具體結(jié)構(gòu)的鉆頭通過(guò)流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行描述和評(píng)價(jià)，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了PDC鉆頭在井底條件下多股射流撞擊井底時(shí)的紊流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及特征參數(shù)，為本文順利完成PDC鉆頭水力優(yōu)化提供了必要的研究數(shù)據(jù)和分析依據(jù)。水力因素對(duì)PDC鉆頭性能的影響是巨大的，鉆井液在石油鉆井中起著關(guān)鍵的和多種功能的作用：攜帶巖屑、清洗井底、冷卻和潤(rùn)滑鉆頭、輔助破巖等。鉆頭水力學(xué)就是

17、用以描述鉆井液功能的專門術(shù)語(yǔ)。鉆頭水力學(xué)對(duì)PDC鉆頭使用性能的重要性比其他應(yīng)用更重要：(1)PDC鉆頭以剪切方式破碎巖石，而且有極高的鉆速，產(chǎn)生大量需要從井底清除的巖屑；(2)PDC鉆頭噴嘴靠近井底，在軟地層，能借助水力沖刺地層，提高鉆速；(3)聚晶PDC熱穩(wěn)定溫度為700。C，在切削過(guò)程中，切削齒的溫度可上升到600，因此，PDC鉆頭切削齒完全依靠水力冷卻和潤(rùn)滑。在軟地層，PDC鉆頭的鉆速常常受到清洗效率的限制。當(dāng)排量或水力能量減小時(shí)，由于巖屑的清除變慢使鉆速下降，并可能導(dǎo)致巖屑的反復(fù)碾磨或鉆頭泥包。過(guò)大的噴速和流速也應(yīng)避免，以防過(guò)度地沖蝕鉆頭體，致使切削齒及噴嘴的脫落。鉆頭水力學(xué)對(duì)PDC鉆

18、頭使用性能有全局性影響：(1)PDC鉆頭下射流流動(dòng)物理現(xiàn)象是非常復(fù)雜的，其射流和漫流結(jié)構(gòu)與牙輪鉆頭的不同；(2)PDC鉆頭水力作用不僅是破巖和清巖，而且能更充分地潤(rùn)滑和冷卻PDC鉆頭切削齒：2北京化工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文(3) 除考慮利用射流水力率外，還應(yīng)注意水射流對(duì)鉆頭胎體的沖蝕破壞作用。因此，雖然每只鉆頭特定需求或應(yīng)用可能不同，但水力學(xué)設(shè)計(jì)的主要宗旨應(yīng)該是：(1) 迅速地將巖屑移運(yùn)到環(huán)空處。(2) 保持鉆頭體清潔，冷卻復(fù)合片切削齒。(3) 足夠的水力參數(shù)，以保持持續(xù)有效地配合機(jī)械破巖。12本文的來(lái)源本文針對(duì)公司內(nèi)一類石油鉆井機(jī)械產(chǎn)品PDC鉆頭，為提高其水力效率而設(shè)的水力參數(shù)優(yōu)化研究，是天津

19、市大港油田集團(tuán)中成機(jī)械制造有限公司項(xiàng)目“PDC鉆頭質(zhì)量全面提升”課題的部分研究?jī)?nèi)容。研究的目的就是針對(duì)PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用相應(yīng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究鉆頭在井底條件下多股射流撞擊井底時(shí)流場(chǎng)整個(gè)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)特征，為達(dá)到PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要的研究手段和設(shè)計(jì)依據(jù)。13本文研究的主要內(nèi)容本文正是針對(duì)目前PDC鉆頭水力研究中存在的問(wèn)題，從水力結(jié)構(gòu)和水力參數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行研究工作。利用水力結(jié)構(gòu)中噴嘴參數(shù)設(shè)計(jì)和噴嘴流線型設(shè)計(jì)對(duì)PDC鉆頭水力參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為全面合理地設(shè)計(jì)PDC鉆頭提供水力設(shè)計(jì)方面的保障。論文將主要做以下幾個(gè)方面的工作：(1)通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和國(guó)內(nèi)外有關(guān)流場(chǎng)描述方法的對(duì)比

20、，確立了采用理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合進(jìn)行PDC鉆頭水力優(yōu)化方法的探索與應(yīng)用；(2)在水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，通過(guò)分析噴嘴水力特性，以及其選用原則進(jìn)行計(jì)算PDC鉆頭壓力降噴嘴直徑、噴嘴位置及其布置方式，即：噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析。(3)在水力參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中，通過(guò)分析PDC鉆頭水力參數(shù)設(shè)計(jì)原則和噴嘴射流水力特性，分別計(jì)算噴嘴出口處和井底水力參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)輔以Matlab60強(qiáng)大的程序控制流場(chǎng)模擬圖及相應(yīng)的Maflab60語(yǔ)言程序迸行形象逼真地描述PDC鉆頭水力流場(chǎng)。(4)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)各類鉆頭噴嘴和井底水力參數(shù)探討。3北京化工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文(5)鉆井工藝注意事項(xiàng)初步研究：機(jī)械和水力聯(lián)合破巖

21、初探。(6)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，利用delphi60配合Excel2000XP統(tǒng)計(jì)與計(jì)算功能對(duì)PDC鉆頭水力系統(tǒng)進(jìn)行編程分析，編制一套適用于現(xiàn)代鉆頭水眼的設(shè)計(jì)軟件。4北京化工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第二章PDC鉆頭水力學(xué)分析及其發(fā)展現(xiàn)狀21PDC鉆頭發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代初期，KSEPL研究機(jī)構(gòu)調(diào)查研究PDC鉆頭切削齒的應(yīng)用前景，并與克罩斯坦森PDC鉆頭制造商通力合作5年。一種新型高性能鉆頭，即聚晶金 剛石復(fù)合片鉆頭(簡(jiǎn)稱PDC鉆頭)就出現(xiàn)了。1973年美國(guó)克里斯坦森公司生產(chǎn)出 石油鉆井用的PDC鉆頭，并于同年11月在克羅拉多州進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。1975年， 克里斯坦森公司與石油公司聯(lián)

22、合進(jìn)行PDC鉆頭的研制工作，在1977和1978年成 功獲得PDC鉆頭工業(yè)性產(chǎn)品，此后在荷蘭大范圍使用改進(jìn)的PDC鉆頭，取得令人 滿意的成果。1979年，在北海油田使用PDC鉆頭取得技術(shù)上的突破，創(chuàng)造單位進(jìn) 尺成本最低記錄。PDC鉆頭采用聚晶PDC復(fù)合片作為切削元件，即切削齒，由燒 結(jié)工藝固接到碳化鎢鉆頭體上，或固結(jié)到碳化鎢基柱上而鑲嵌在鉆頭剛體上。本 論文是以胎體式鉆頭為研究對(duì)象的。80年代，PDC鉆頭已經(jīng)成為美國(guó)石油鉆井工業(yè)四大鉆井新技術(shù)之一。PDC鉆頭以鋒利、耐磨、自銳的PDC為切削齒，在低鉆壓下可以得到高鉆速和高進(jìn)尺，從而可以大大縮短鉆井周期、節(jié)省人力物力以及降低鉆井成本。1983年P(guān)

23、DC鉆頭 的進(jìn)尺已占西方鉆井總進(jìn)尺的11左右。 并于同年，為了解決PDC鉆頭復(fù)合片工 作溫度高于7300C切削能力下降的問(wèn)題， 鉆頭研制者又開發(fā)研制熱穩(wěn)定聚晶PDC鉆頭，即TSP鉆頭。1987年，大復(fù)合片PDC鉆頭開始投入市場(chǎng)，在極軟軟中等粘性地層可以取得較高機(jī)械鉆速，克服了在水性化很強(qiáng)的頁(yè)巖層鉆進(jìn)時(shí)的泥包問(wèn)題。近年來(lái)，鉆頭家族又出現(xiàn)了不少的新型鉆頭及其型號(hào)，如馬賽克鉆頭、BDC鉆頭和大小復(fù)合片混布鉆頭等，都在石油鉆井工業(yè)中起到不可取代的角色。隨著PDC鉆頭技術(shù)的進(jìn)步和高效低成本石油產(chǎn)品需求的增加，PDC鉆頭將在石油鉆井行業(yè)中占有更加重要的地位。我國(guó)從八十年代初開始了解到PDC鉆頭，1985年

24、引進(jìn)少量開始試用，在“七五”期間才開始發(fā)展自己的PDC鉆頭以滿足國(guó)內(nèi)鉆井施工的需求，同時(shí)國(guó)內(nèi)一些廠家也開始用國(guó)產(chǎn)原料來(lái)試制PDC鉆頭。大港油田集團(tuán)中成機(jī)械制造有限公司就5北京化工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文是國(guó)內(nèi)最早研制和生產(chǎn)PDC鉆頭的石油部定點(diǎn)專業(yè)生產(chǎn)廠家之一，我公司在PDC鉆頭的研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等方面皆處于全國(guó)一流水平。單位擁有從事PDC鉆頭設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)的軟件、硬件設(shè)備，在該領(lǐng)域進(jìn)行過(guò)大量探索研究，并取得許多成果。我單位是專門制造石油鉆井用各種類型人造PDC鉆頭的專業(yè)制造廠，技術(shù)力量雄厚，并擁有一批從事PDC鉆頭研究及制造三十多年的專家和技術(shù)熟練職工。所有產(chǎn)品都通過(guò)API Spec Q1XA

25、PI Spec 7標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。目前，我們可以生產(chǎn)4”12 14”的各類PDC鉆頭以及專門為用戶設(shè)計(jì)制造特殊要求的鉆頭。22 PDC鉆頭水力學(xué)概述221PDC鉆頭水力學(xué)水力因素對(duì)任何井下鉆進(jìn)都是十分關(guān)鍵的。而對(duì)于PDC鉆頭來(lái)說(shuō)，它比其它類型鉆頭顯得更為重要。噴嘴及排屑槽一起提供了清洗和冷卻PDC鉆頭及減少巖屑向環(huán)形空間排除所經(jīng)距離的基本流動(dòng)模式，如圖2一l所示。PDC鉆頭水力學(xué)就是專門用來(lái)描述在PDc鉆頭條件下水力因素的作用的。圖21 PDc鉆頭單個(gè)刀翼水眼及流道由于鉆頭水力學(xué)對(duì)PDC鉆頭性能有著全局性的影響，所以要合理控NPDC鉆頭的水力因素，使其能有效地?cái)y帶巖屑，清洗井底和鉆頭，避免泥包，冷卻

26、切削齒，并發(fā)揮水力破碎巖石作用，從而提高鉆頭的機(jī)械鉆速和鉆進(jìn)效率。也就是說(shuō)，要最大限度地充分利用鉆頭可獲得的水力能量，才能獲得最優(yōu)鉆頭性能，這在深井鉆井時(shí)尤其明顯。在這些情況下系統(tǒng)能量損耗降低了鉆頭上可利用的水力能和機(jī)械能。鉆頭水力學(xué)對(duì)PDC鉆頭性能的影響主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：(1)鉆頭冷卻當(dāng)PDC鉆頭鉆進(jìn)較硬或腐蝕性較強(qiáng)的地層時(shí)，切削齒的工作部分，是溫度升高的部分。PDC復(fù)合片的熱穩(wěn)定性上限溫度為7500C，在鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)切削刃的溫度超過(guò)7750C時(shí)，PDC將迅速衰變，磨損加劇。因而盡可能保持PI)C切削齒冷卻以延長(zhǎng)鉆頭壽命是至關(guān)重要的，這可以通過(guò)噴嘴在所有切削齒的PDC表面和切削齒基底周6

27、北京化工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文圍產(chǎn)生高速流來(lái)實(shí)現(xiàn)。(2)井底清洗由于PDC鉆頭主要靠剪切作用并較深地吃入地層來(lái)破碎巖石，所以有大量的巖屑需要從井底及時(shí)清除，尤其在軟地層，鉆速常常主要取決于鉆頭清除巖屑的能力如何。為某一地層設(shè)計(jì)的PDC鉆頭，即使只有一小部分巖屑不能立即從井底排走，這些巖屑也可能粘結(jié)到鉆頭上的滯流區(qū)，最終導(dǎo)致鉆頭泥包。將巖屑快速地從井底移運(yùn)到環(huán)空，可大大地提高機(jī)械鉆速。另外使重復(fù)切削滯留在井底的巖屑所耗費(fèi)的能量減少到最小，也能提高鉆頭的機(jī)械效率。因此最大的移屑速率將使PDC鉆頭具備最大機(jī)械鉆進(jìn)潛力。(3)輔助破巖PDC鉆頭的噴嘴出口到井底的距離非常小(一般小于lO倍噴嘴主徑)。射流

28、在到達(dá)井底的過(guò)程中，水力能量損耗較小，射流沖擊力使巖屑翻轉(zhuǎn)離開井底從而清洗井底，在軟地層中鉆進(jìn)時(shí)還可借助水力射流沖刷地層，實(shí)現(xiàn)水力直接破碎巖石，提高鉆頭的機(jī)械鉆速。因此，雖然每種鉆頭的特定需求或應(yīng)用可能不同，但水力學(xué)設(shè)計(jì)的主要宗旨應(yīng)該都是：冷卻切削齒；保持鉆頭體清潔；將巖屑迅速地移運(yùn)至環(huán)空。222 Poc鉆頭水力學(xué)研究關(guān)于PDC鉆頭水力學(xué)的研究目前可歸納為兩大方面：一是鉆頭水力參數(shù)研究，一是鉆頭井底流場(chǎng)和水力結(jié)構(gòu)研究。鉆頭水力參數(shù)研究主要包括使用過(guò)程中為提高鉆速和延長(zhǎng)鉆頭使用壽命所應(yīng)采取的水力控制參數(shù)和措施，如排量、泵壓、噴嘴直徑、鉆頭水功率和鉆頭沖擊力等。鉆頭井底流場(chǎng)和水力結(jié)構(gòu)研究主要是鉆頭

29、設(shè)計(jì)者在研究液流在井底的流動(dòng)規(guī)律以及液流的清巖和冷卻機(jī)理的基礎(chǔ)上，為使井底液流和水力能量分布達(dá)到最優(yōu)的清巖和冷卻效果而在鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)研究所應(yīng)采取的結(jié)構(gòu)形式，如噴嘴尺才、形狀、安放位置、傾角以及鉆頭流道形狀和布置等。223PDC鉆頭水力學(xué)研究方法PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)的研究是在對(duì)液流在井底和鉆頭面上的流動(dòng)規(guī)律、水力能量分布以及液流的清巖和冷卻機(jī)理研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，即針對(duì)鉆頭的不同機(jī)械結(jié)構(gòu)(機(jī)械破巖所需的結(jié)構(gòu)形式)，研究其配合不同水力結(jié)構(gòu)形式時(shí)所產(chǎn)生的井底流速場(chǎng)和壓力場(chǎng)，然后根據(jù)水力作用對(duì)井底和鉆頭的清巖和冷卻機(jī)理，找到與某種機(jī)械結(jié)構(gòu)的鉆頭相匹配的。能使巖屑盡快離開井底和切削刃，以最短路徑到達(dá)7北京化

30、工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文井壁并舉升到環(huán)形空間的良好的井底流場(chǎng)，同時(shí)研究產(chǎn)生各種不同井底流場(chǎng)的水力結(jié)構(gòu)條件，為鉆頭的水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。由于在井底條件下，鉆頭表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有若干噴嘴，對(duì)PBC鉆頭有切削齒、筋板、流道等，再加上鉆頭的旋轉(zhuǎn)，因此根據(jù)目前流體力學(xué)的基本理論，用解析的方法還不能描述如此復(fù)雜結(jié)構(gòu)條件下的流動(dòng)問(wèn)題。對(duì)井底流場(chǎng)的研究通常采用的方法是針對(duì)某一具體結(jié)構(gòu)的鉆頭，通過(guò)流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行描述和評(píng)價(jià)。但這種方法受實(shí)驗(yàn)條件及儀器設(shè)備的限制，一般不能給出完整的流道描述結(jié)構(gòu)，且對(duì)不同結(jié)構(gòu)的鉆頭必須制造不同鉆頭模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件不能進(jìn)行靈活的改變，導(dǎo)致研究成本較為昂貴。高速計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使

31、得通過(guò)采用數(shù)值計(jì)算的方法求解流體力學(xué)基本方程的設(shè)想成為可能，目前計(jì)算流體力學(xué)己廣泛應(yīng)用于各種水力計(jì)算。對(duì)鉆井井底流場(chǎng)的描述與研究也出現(xiàn)了數(shù)值模擬方法。因此，到目前為止，關(guān)于井底流場(chǎng)的研究及描述方法分為流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法。流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)法又具體分為(1)染色液法(2)貼線法(3)涂漆法(4)示蹤顆粒軌跡法。染色液法是在循環(huán)時(shí)從鉆頭某一水眼注入染色液體，觀察染色液體在鉆頭表面上的覆蓋面積，從而求出較好地覆蓋整個(gè)鉆頭面(或井底)的噴嘴組合。用這種方法只能定性研究噴嘴出流所能沖洗和冷卻到的鉆頭面，對(duì)鉆頭井底流場(chǎng)的研究不是一種有效的研究手段。貼線法是在要研究的鉆頭表面粘貼上柔軟的彩色短線，當(dāng)流體循

32、環(huán)時(shí)彩色短線隨液流方向擺動(dòng)，彩色短線的擺動(dòng)方向即為液流流動(dòng)方向。用這種方法可以定性研究鉆頭表面的流場(chǎng)特征，發(fā)現(xiàn)鉆頭表面的旋渦區(qū)和滯流區(qū)。涂漆法研究鉆頭流場(chǎng)有三種測(cè)試方式。第一種是”鮮漆測(cè)試”，其方法是首先在鉆頭面上涂上一層漆，并晾干，然后再涂上一層與第一層漆的顏色形成鮮明對(duì)比的漆。在第二層漆涂上之后就立即開始實(shí)驗(yàn)(即開泵循環(huán))循環(huán)幾分鐘后停泵，循環(huán)流體沖刷第二層漆后留在鉆頭表面的鮮漆圖案即為液流的流線圖案。第二種是點(diǎn)漆測(cè)試，這種測(cè)試是在第一種測(cè)試之后，對(duì)所得到的流線方向有懷疑的地方進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)試。其方法是在第一層漆晾干之后，那些對(duì)流動(dòng)方向有懷疑的地方滴上與第一層漆有鮮明對(duì)比的漆點(diǎn)，然后開泵循環(huán)，

33、通過(guò)漆點(diǎn)在鉆頭表面的擴(kuò)散情況，進(jìn)一步解釋該處的流動(dòng)方向。第三種是”沖蝕”測(cè)試。其方法是在鉆頭上涂上若干層漆，每層漆要晾干后再涂下一層，每層之間的顏色要形成對(duì)比。等漆干了以后開泵循環(huán)，進(jìn)行沖蝕實(shí)驗(yàn)，根據(jù)沖蝕掉的漆的層數(shù)判斷鉆頭面的沖蝕程度和易沖蝕點(diǎn)。用涂漆測(cè)試的方法可以描述流體在鉆頭面上流動(dòng)的各種不同的R北京化工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文流動(dòng)結(jié)構(gòu)，如旋渦、沖蝕點(diǎn)、回流等。但這也是一種定性的實(shí)驗(yàn)研究方法。示蹤顆粒軌跡測(cè)試法是目前研究PDC鉆頭井底流場(chǎng)應(yīng)用比較成功和有效的方法，這種方法是在循環(huán)流體中加入具有適當(dāng)尺寸和密度的一定量的顆粒，當(dāng)液流循環(huán)時(shí)顆粒跟隨液體一起循環(huán)，每個(gè)顆粒相當(dāng)于一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)，用高速攝

34、影技術(shù)將顆粒在井底的運(yùn)動(dòng)軌跡留在膠片上，通過(guò)對(duì)攝影膠片的圖像處理，可以得到井底某平面的液流速度場(chǎng)，這不僅可以確定液流方向，還可以確定在平面上的液流速度值。不過(guò)，目前這一技術(shù)只能用于二維流場(chǎng)的研究。數(shù)值模擬方法是近幾年隨著計(jì)算流體力學(xué)學(xué)科的發(fā)展而產(chǎn)生的一種研究鉆頭流場(chǎng)的方法。主要內(nèi)容是通過(guò)求解PDC鉆頭條件下的三維不可壓縮流體的NavierStokes方程，在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)PDC鉆頭井底流場(chǎng)的物理圖像。通過(guò)這種方法可以較全面完整地描述PDC鉆頭的三維流場(chǎng)，并可以比較靈活地變化鉆頭的水力結(jié)構(gòu)條件，為鉆頭的水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供便利的研究手段。不過(guò)，利用這種方法，要求計(jì)算機(jī)要有大的存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度。

35、隨著大型計(jì)算機(jī)的不斷出現(xiàn)和數(shù)值方法的不斷完善，這種方法將有比較廣闊的發(fā)展前景。224研究中存在的問(wèn)題和展望目前所有的研究都是針對(duì)某種具體結(jié)構(gòu)的鉆頭進(jìn)行的，都沒(méi)有找出各種鉆頭的共同之處，給出普遍的規(guī)律，即沒(méi)有給出一旦一種新型的PDC鉆頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好以后，水力結(jié)構(gòu)中噴嘴數(shù)量、安放位置、角度、指向和流道布置怎樣與之相匹配的設(shè)計(jì)規(guī)則。一點(diǎn)也不難理解，因?yàn)镻DC鉆頭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，只要鉆頭結(jié)構(gòu)稍有變化，其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)就相應(yīng)發(fā)生變化。因而很難找到一個(gè)描述PDC鉆頭流場(chǎng)的普遍規(guī)律。這也是近期PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)研究都提到要采用數(shù)值模擬方法的原因。數(shù)值模擬方法是通過(guò)不同結(jié)構(gòu)條件下建立PDC鉆頭物理模型和邊界條件

36、求解描述流體流動(dòng)規(guī)律的基本方程，只要經(jīng)過(guò)比較簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法是正確的，就可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，靈活地改變實(shí)驗(yàn)條件、克服采用實(shí)驗(yàn)方法時(shí)帶來(lái)的研究成本昂貴、周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)條件變化不靈活以及由于儀器設(shè)備條件限制對(duì)流場(chǎng)描述不完整的缺點(diǎn)。因此，采用數(shù)值模擬方法來(lái)描述PDC鉆頭井底流場(chǎng)，進(jìn)行鉆頭水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化將是PDC鉆頭水力學(xué)研究的一個(gè)方向。225 PDC鉆頭水力學(xué)分析 預(yù)澳IJPDC鉆頭的井底流場(chǎng)，首先應(yīng)該對(duì)PDC鉆頭的井底清洗機(jī)理作進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。清洗井底就是將PDC切削齒產(chǎn)生的巖屑迅速地移運(yùn)到環(huán)空。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，9北京化工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文就必須對(duì)PDC鉆頭的切削機(jī)理、泥包機(jī)理和井

37、底流動(dòng)機(jī)理等有深入的了解，并且在設(shè)計(jì)水力參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，還應(yīng)該考慮到鉆頭的沖蝕情況以及切削齒的熱磨損狀況。(1)PDC鉆頭破巖分析PDC鉆頭對(duì)巖石的破碎機(jī)理，取決于鉆頭的切削結(jié)構(gòu)及所鉆地層的硬度和巖性。PDC鉆頭的破巖方式主要有四種，批即剪切、預(yù)破碎、犁削及磨削。剪切從巖石破碎力學(xué)可知，巖石的抗剪強(qiáng)度比其抗壓強(qiáng)度要低得多，兩者比值在009015左右。顯然，采用剪切方式破碎巖石比用壓碎方式破碎巖石要容易而有效得多。PDC鉆頭的復(fù)合片切削結(jié)構(gòu)正是利用了巖石這一力學(xué)特性，采用高效的剪切方式來(lái)破碎巖石，從而達(dá)到快速鉆井的目的。當(dāng)PDC鉆頭在軟到中等硬度地層鉆進(jìn)時(shí)，復(fù)合片切削齒在鉆壓和扭矩的作用下克服

38、地層應(yīng)力吃入地層并向前滑動(dòng)，巖石在切削齒作用下沿其剪切方向破碎并產(chǎn)生塑性流動(dòng)，切削所產(chǎn)生的巖屑呈大塊片狀。這一切削過(guò)程與刀具切削金屬材料非常相似。預(yù)破碎 預(yù)破碎(開槽效應(yīng))是PDC鉆頭的”尖圓”齒交替布置切削結(jié)構(gòu)所特有的巖石破碎方式，主要作用于以純剪切方式不容易鉆進(jìn)的地層，如中等、中硬和硬地層及帶有硬夾層的地層等。預(yù)破碎過(guò)程是通過(guò)開槽切削來(lái)完成的，具有這種切削結(jié)構(gòu)的鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中，尖形切削齒因與地層接觸面積小受力集中而先行吃入地層，巖石在接觸應(yīng)力作用下產(chǎn)生破碎裂紋，隨著鉆頭的不斷旋轉(zhuǎn)，尖形齒在巖石中可切出一條條小小的螺旋狀”卸荷”槽，緊隨其后的圓形切削齒則以剪切方式切削，其強(qiáng)度己大大減弱的大

39、塊巖石，達(dá)到快速鉆進(jìn)的目的。這樣大大提高了切削效率，降低了切削齒的磨損速度。犁削巖石在鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中，由于終到切削齒的作用，在其內(nèi)部發(fā)生破碎并向表面?zhèn)鬟f。堆積在切削齒前面的破碎巖屑由于切削齒的移動(dòng)被推向兩邊，最后由泥漿帶出井底，這一切削過(guò)程類似于犁地過(guò)程。磨削PDC鉆頭在鉆進(jìn)極硬的粗晶粒地層時(shí)，其切削結(jié)構(gòu)常常以磨削方式破碎巖石。切削齒在鉆進(jìn)過(guò)程中克服巖石的高抗壓強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)巖石的局部破碎。由于硬地層巖10北京化工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文石的高強(qiáng)度，使破碎的巖屑比較小，呈細(xì)粒狀，因而鉆頭的機(jī)械鉆速相應(yīng)較低。(2)PDC鉆頭熱磨損分析PDC切削齒是PDC鉆頭的主要工作元件，而PDC金剛石層則是PDC切削齒

40、的主要工作部分，它承受著絕大部分的工作載荷(包括鉆壓、切削阻力等)，一旦損壞，將影響鉆頭的性能，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致整個(gè)鉆頭的失效。因此，水力學(xué)的任務(wù)就是提供良好的清洗和冷卻，盡可能使PDC層的溫度不致過(guò)高，從而避免熱磨損現(xiàn)象。由于在PDC顆粒與粘結(jié)劑之間的縫隙里充填了金屬材料鈷，而鈷與PDC顆粒的熱膨脹率大不一致。在鉆進(jìn)過(guò)程中，切削齒和巖石表面問(wèn)要產(chǎn)生大量的摩擦熱，這時(shí)如果清洗和冷卻不好，熱量將使PDC層內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，并形成微裂紋。當(dāng)外載作用在PDC切削齒上時(shí)，就導(dǎo)致切削齒PDC層的碎裂。當(dāng)磨損平面形成后，會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，熱磨損將進(jìn)一步加劇。PDC層的熱磨損有兩個(gè)臨界溫度，即3500

41、C和7500C。當(dāng)磨損平面平均溫度低于350C時(shí)，熱磨損不明顯，切削齒的磨損屬于磨粒磨損；當(dāng)磨損平面平均溫度高于3500C而低于7500C時(shí)，由于VCCo的軟化，致使wcco基底的磨損速度明顯加快，PDC層微碎裂加??；當(dāng)磨損平面平均溫度高于750時(shí)，PDC層的內(nèi)應(yīng)力急劇增加，致使PDC顆粒剝落。實(shí)際上在7500C以后，PDC切削齒在井底條件下已無(wú)法工作，壽命終止。熱磨損的解決辦法有兩種，一是從冶金學(xué)角度提高PDC切削齒的耐高溫能力，研制熱膨脹性能與PDC顆粒更接近的新生填充材料；另一種辦法就是從鉆頭結(jié)構(gòu)上提高其水力冷卻效率。而后者對(duì)鉆頭制造者和設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，更切實(shí)可行，是一個(gè)重要的研究方向。(3

42、)PDC鉆頭泥包分析泥包是影nI自PDC鉆頭性能的重要原因之一，只有正確認(rèn)識(shí)泥包機(jī)理，才能有效地防止泥包的發(fā)生，從而提高鉆頭性能。鉆進(jìn)時(shí)由鉆頭牙齒機(jī)械破碎的巖屑如果不能及時(shí)被清除，就會(huì)在井底被重復(fù)切削，甚至影響鉆速和進(jìn)尺。在水力能量不足的情況下井底巖屑不能及時(shí)被清除的主要原因是因?yàn)閹r屑處于被壓持著的狀態(tài)。常見的泥包形式主要有鉆頭泥包和井底泥包兩種。切屑粘結(jié)到切削結(jié)構(gòu)以及鉆頭體上就形成鉆頭泥包，它嚴(yán)重削弱了鉆頭的破巖能力。而井底泥包是指切屑與泥漿的粘性混合物形成一層厚厚的濾餅粘結(jié)到井底上，在地層與鉆頭之間形成層屏障，阻礙了切削齒有效地破碎巖石，它常常伴隨著鉆頭泥包發(fā)生。對(duì)PDC鉆11北京化工大學(xué)

43、工程碩士學(xué)位論文頭來(lái)說(shuō)，鉆頭泥包是最主要的泥包形式，井底泥包則比較少見。因此下面我們只對(duì)鉆頭泥包機(jī)理進(jìn)行討論。PDC鉆頭的切削機(jī)理表明，由于井底壓力的作用，切屑和PgC切削齒接觸面上的有效接觸應(yīng)力較高，結(jié)果在這個(gè)接觸面產(chǎn)生了摩擦力，并隨著接觸面積的增加而增大。當(dāng)克服摩擦所需擠壓力超過(guò)了切屑的強(qiáng)度或切屑移動(dòng)受到鉆頭體阻礙(如流道尺寸較小)時(shí)，切屑失穩(wěn)成為碎屑并層疊起來(lái)，這時(shí)如果切屑生成速率超過(guò)了泥漿對(duì)切屑的沖蝕速率，切屑就堆積起來(lái)，從而導(dǎo)致鉆頭泥包。這種泥包過(guò)程幾乎是在切屑產(chǎn)生的同時(shí)發(fā)生的，被稱為原生鉆頭泥包，原生泥包在油基泥漿和水基泥漿中都有可能發(fā)生。如果鉆頭沒(méi)有發(fā)生原生泥包，泥漿包圍切屑并將

44、其移運(yùn)到環(huán)空。然而，在使用水基泥漿鉆進(jìn)時(shí)，為了平衡作用在切屑上的壓差，切屑具有從泥漿中吸收泥漿濾波的強(qiáng)烈趨勢(shì)，結(jié)果切屑可能很容易粘結(jié)到鉆頭表面上(包括切削齒表面)，最終導(dǎo)致鉆頭泥包。如果切屑含有對(duì)水分敏感的粘土，這種趨勢(shì)還將大大增加。井底地層壓力的釋放和切削過(guò)程中巖石顆粒之間原始粘結(jié)力的破壞，都會(huì)激活切屑的膨脹潛力。實(shí)際上，這種基于粘土水合作用的膨脹潛力可能比壓差平衡過(guò)程誘發(fā)的膨脹潛力更大。由于受流體侵入的影響，切屑?jí)翰钇胶庖鸬哪喟团蛎涍^(guò)程不會(huì)立即發(fā)生，因而稱為次生泥包。在油基泥漿中，泥漿濾失造成的次生鉆頭泥包的可能性很小，因?yàn)橛偷那秩氩⒉粫?huì)激活切屑中粘土的膨脹潛力。為了避免鉆頭泥包可以讓

45、PDC切削齒工作面和鉆頭端面之間的過(guò)渡不連續(xù)(比如在保證鉆頭刀翼強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，將刀翼切削面設(shè)計(jì)成內(nèi)凹)，限制鉆頭端面與切屑之間的接觸，將泥包風(fēng)險(xiǎn)降低到最小。另外，PDC切削齒的較大出露高度有利于形成長(zhǎng)切屑，其排出不會(huì)受到鉆頭體阻礙，切屑一旦充分暴露在泥漿中，流體動(dòng)力將其破碎并移運(yùn)到環(huán)空。同時(shí)，還可以增大流道尺寸和液流速度，提高切屑移運(yùn)效率。為了消除井底泥包，可采用較大的切削齒出露度和較小的負(fù)前角，提高鉆頭剪切地層的能力。在鉆進(jìn)過(guò)程中，增大流量和鉆頭比水功率也能有效地防止井底泥包。(4)PDC鉆頭沖蝕分析在PDC鉆頭的使用過(guò)程中，為了解決PDC切削齒的冷卻和井底清洗問(wèn)題，通常的作法是增加鉆頭的水

46、力能量，但同時(shí)這也大大增加了鉆頭被沖蝕的危險(xiǎn)性。因此，必須對(duì)沖蝕的機(jī)理進(jìn)行分析，從而根據(jù)具體使用環(huán)境合理地進(jìn)行鉆頭的水力12北京化工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水力參數(shù)設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)外許多研究者認(rèn)為，PDC鉆頭的沖蝕是由于射流達(dá)到井底后的反射流動(dòng)造成的。但試驗(yàn)表明，反射流動(dòng)不是造成鉆頭沖蝕的唯一原因，甚至不是主要原因。石油大學(xué)王瑞和教授實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為“4”“ ，井底流場(chǎng)中除了在離井底較近的地方存在著漫流以外，在靠近鉆頭底面的空間有逆向流動(dòng)，在流速急劇變化處還存在渦流。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)PDC鉆頭的沖蝕部位以及沖蝕形成的溝槽狀和環(huán)狀痕跡分析，可以斷定這種逆向流動(dòng)和渦流是造成沖蝕的主要原因。其沖蝕過(guò)程為：當(dāng)泥漿

47、到達(dá)井底后，它便攜帶有許多小巖屑，形成固液兩相流，其中小巖屑成為一種磨料，在參與鉆頭底面的逆向流動(dòng)過(guò)程中，對(duì)鉆頭不斷磨蝕，尤其是當(dāng)逆向流動(dòng)遇到切削齒阻擋時(shí)，便形成繞流，并在齒柱的背部產(chǎn)生附面層脫離，形成渦旋，這種繞流和渦旋就導(dǎo)致切削齒及其周圍的鉆頭體遭到?jīng)_蝕。一旦沖蝕坑形成，則由于渦流的加劇便發(fā)生更迅速的沖蝕，最終導(dǎo)致掉齒或斷齒。這說(shuō)明，逆向流和渦流是造成PDC鉆頭沖蝕的主要原因。當(dāng)鉆頭端面與井底間隙較大時(shí)，井底漫流在沿徑向流動(dòng)過(guò)程中，對(duì)相距較遠(yuǎn)的鉆頭底面附近的流體影響較小，在射流和漫流流動(dòng)過(guò)程中壓差和粘滯力引起的流動(dòng)流量增加而產(chǎn)生的逆向流動(dòng)，將在漫流層以上一個(gè)較大的厚度段上存在，因此逆向流動(dòng)

48、的適度較小，不會(huì)對(duì)鉆頭造成明顯的沖蝕。但當(dāng)間隙減小時(shí)，逆流層厚度減小，流量的補(bǔ)充只能依靠增大逆流層的流速來(lái)完成，逆流層流速增大，必然會(huì)嚴(yán)重地沖蝕鉆頭。因此，在噴距和間隙小的條件下，鉆頭沖蝕不可避免，這也IF是PDC鉆頭沖蝕比牙輪鉆頭嚴(yán)重的原因。在整個(gè)井底流場(chǎng)中，逆向流動(dòng)速度在靠近噴嘴附近的鉆頭底面處最大，所以造成噴嘴附近的切削齒和鉆頭體被嚴(yán)重沖蝕，甚至噴嘴本身也被沖壞或沖掉。由于鉆頭冠部的中心區(qū)域附近布置有多個(gè)噴嘴(一般為34個(gè))，幾股射流在井底相互影響，造成傳統(tǒng)上的所謂滯流區(qū)。實(shí)際上在滯流區(qū)中，只是泥漿和巖屑不容易向外流動(dòng)，造成該區(qū)的清洗不良，并不是該區(qū)流體不流動(dòng)，而是流動(dòng)異常劇烈，渦旋叢生

49、，切削齒破碎的新巖屑不斷進(jìn)入該區(qū)域，又不能及時(shí)運(yùn)移出去，致使該區(qū)域固相濃度增大，結(jié)果導(dǎo)致了噴嘴位置以內(nèi)的鉆頭中心部位首先發(fā)生沖蝕破壞。根據(jù)以上的分析，可以采取以下措施來(lái)防止鉆頭沖蝕：選取適當(dāng)噴距和井底間隙，增大逆流層厚度，從而減小逆流速度；對(duì)PDC鉆頭中心區(qū)域被首先沖蝕的情況，在鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)，以合理傾斜角度1 3北京化工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文布置一只中心噴嘴，與外圍噴嘴相配合，使中心區(qū)域的流體比較容易地向外流動(dòng)，清除滯留巖屑；在其它條件一定的情況下，噴嘴流量越大，射流速度越高，井底漫流速度和厚度越大，相應(yīng)的逆向流動(dòng)速度也越大，對(duì)鉆頭的沖蝕也就越嚴(yán)重。因此，為了及時(shí)清除井底巖屑，不能片面地增大流量，

50、必須合理選擇PDC鉆頭的水力參數(shù)(包括泵壓和排量)來(lái)防止鉆頭沖蝕。(5)泥漿對(duì)PDC鉆頭的影響泥漿是一個(gè)影響PDC鉆頭使用性能的重要因素。泥漿種類不同、同種泥漿的性能不同，都會(huì)對(duì)鉆頭的使用造成不同影響。石油鉆井中主要使用水基和油基兩種泥漿，水基泥漿由于價(jià)格低廉，配制方法簡(jiǎn)單，在鉆井中得到了廣泛使用。但在使用PDC鉆頭時(shí)，采用油基泥漿鉆井可以獲得良好的使用效果。油基泥漿具有良好的潤(rùn)滑性，可以減輕鉆頭表面和切削齒的磨損。PDC材料具有良好的油浸潤(rùn)性，因而采用油基泥漿可有效地提高傳熱效率，改善鉆頭的冷卻條件，從而避免切削齒因切削熱燒損而先期失效。實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)研究表明，鉆井泥漿的密度增加時(shí)，鉆頭機(jī)械鉆速相應(yīng)降低，如果保持泥漿密度不變，增加泥漿的低密度固體含量，泥漿粘度增加，鉆頭機(jī)械鉆速下降，當(dāng)泥漿失水增加時(shí)，鉆頭機(jī)械鉆速增加。泥漿中