田家林 朱 志 程文明 楊 琳

1. 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

鉆井過(guò)程中的隨鉆取心在可實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)參數(shù)準(zhǔn)確記錄的同時(shí)，還能夠：①根據(jù)得到的鉆進(jìn)地層巖性參數(shù)，優(yōu)化相關(guān)層位的鉆具設(shè)計(jì)，包括鉆頭的個(gè)性化設(shè)計(jì)，以及提速或減摩工具的優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)鉆井過(guò)程提速增效，節(jié)約生產(chǎn)成本、降低井下事故風(fēng)險(xiǎn)；②為后期的油氣資源開(kāi)發(fā)、增產(chǎn)增效提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與參考依據(jù)[1-5]?；谘芯楷F(xiàn)狀，筆者設(shè)計(jì)出一種全新的隨鉆取心鉆頭，與現(xiàn)有技術(shù)不同，通過(guò)在鉆頭體內(nèi)部設(shè)置一個(gè)回旋通道，當(dāng)鉆井液流經(jīng)此通道時(shí)，由于空化效應(yīng)，會(huì)對(duì)通道下部的巖心形成吸附效應(yīng)，而對(duì)于上部巖屑會(huì)產(chǎn)生推送效果?；诹黧w動(dòng)力學(xué)理論和巖石破壞力學(xué)，建立了隨鉆取心鉆頭工作機(jī)理分析模型，對(duì)鉆井過(guò)程中巖石破碎和機(jī)械鉆速的計(jì)算方法進(jìn)行了研究。通過(guò)比較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)新型隨鉆取心鉆頭在保證巖心取樣規(guī)整的同時(shí)，內(nèi)部通道的吸附效應(yīng)會(huì)使鉆頭中心巖石的承壓情況發(fā)生變化，而大幅度增加巖石可鉆性，對(duì)于破巖提速有重要的積極意義。

1 新型隨鉆取心鉆頭設(shè)計(jì)

首先分析現(xiàn)有隨鉆取心鉆頭的結(jié)構(gòu)與破巖特點(diǎn)，如圖1所示兩種典型的隨鉆取心鉆頭。實(shí)際鉆井工程中，由于鉆頭鉆進(jìn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，圖1-a所示的隨鉆取心鉆頭鉆井過(guò)程中的巖心有可能在通道處產(chǎn)生擁堵，當(dāng)然隨著鉆井破巖進(jìn)一步作業(yè)，會(huì)繼續(xù)增加巖心環(huán)空擠壓力，以及優(yōu)化此處的水眼設(shè)計(jì)與刀翼傾斜角度，可減輕或避免此種情況。但由于堵塞情況存在的可能性，實(shí)際鉆井過(guò)程中，由于鉆井液、巖心、巖屑、鉆頭、井壁的耦合關(guān)系，有可能產(chǎn)生巖心的重復(fù)破碎，影響取心效果，或者由于巖屑的重復(fù)破碎，降低鉆井破巖效率[6-10]。

圖1 現(xiàn)有的兩種隨鉆取心鉆頭圖

與此對(duì)應(yīng)，圖1-b所示的隨鉆取心鉆頭，由于在鉆頭內(nèi)部有專(zhuān)用通道，在離井底較遠(yuǎn)處，巖心從通道中被擠出，進(jìn)入環(huán)空，可避免第1種設(shè)計(jì)中所述的問(wèn)題，或者在其他條件相同的情況下，對(duì)于保持巖心的完整性、避免巖屑重復(fù)破碎有積極意義，對(duì)于鉆井破巖提速增效有實(shí)際效果。但是，由于巖心從專(zhuān)用通道流出，所以設(shè)計(jì)中必須保證在鉆井條件下，巖心不會(huì)在通道發(fā)生堵塞，即巖心被往上擠壓的過(guò)程中，一定不能產(chǎn)生“鎖死”現(xiàn)象，為避免這種現(xiàn)象，需要考慮巖心形狀、通道結(jié)構(gòu)尺寸、巖心與通道的接觸、摩擦等情況[11-14]。

在充分考慮現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法、研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文提出一種全新的隨鉆取心鉆頭，如圖2所示。通過(guò)在鉆頭內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)射流專(zhuān)用通道（以下簡(jiǎn)稱(chēng)專(zhuān)用通道），鉆頭內(nèi)部的高壓鉆井液不通過(guò)鉆頭噴嘴到環(huán)空，而從專(zhuān)用通道以速度v0經(jīng)射流噴嘴流出，同時(shí)在負(fù)壓作用下吸附通道以流速vs攜帶巖心進(jìn)入推送通道，然后以流速vc與所取巖心回到環(huán)空。

圖2 新型隨鉆取心鉆頭設(shè)計(jì)示意圖

由于鉆頭內(nèi)部的鉆井液壓力較高，以及根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，當(dāng)鉆井液進(jìn)入專(zhuān)用通道直至從環(huán)空流出的過(guò)程中，在鉆頭中心處由于負(fù)壓效應(yīng)，會(huì)對(duì)下部的巖心產(chǎn)生吸附作用，而對(duì)位于推送通道中的巖心，又會(huì)有推送效果。即破巖過(guò)程中，由于專(zhuān)用通道的存在，結(jié)合實(shí)際鉆井工作情況，新設(shè)計(jì)的隨鉆取心鉆頭會(huì)對(duì)巖產(chǎn)生“吸附下部巖屑，推送上部巖屑”的效果。

這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于破巖性能的影響包括兩個(gè)方面，首先可使推送通道保持暢通，取心的巖樣比較均勻，避免了巖心掉落后的重復(fù)破碎。另一方面，新設(shè)計(jì)的隨鉆取心鉆頭（下文簡(jiǎn)稱(chēng)新鉆頭）同時(shí)會(huì)改變井眼中心的圍壓分布，導(dǎo)致心部巖石可鉆性大幅度提高，進(jìn)而提高鉆頭機(jī)械鉆速。

2 工作機(jī)理分析模型

新鉆頭的工作機(jī)理研究包括通道中的鉆井液動(dòng)力學(xué)分析，以及其對(duì)巖石受壓狀態(tài)的影響，進(jìn)而得到新條件下的巖石破碎計(jì)算模型，在此基礎(chǔ)上，可得到的重要結(jié)果包括新鉆頭的破巖特性以及機(jī)械鉆速計(jì)算結(jié)果。

2.1 流體動(dòng)力特性

首先進(jìn)行新鉆頭的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到不同流量、壓力的鉆井液條件下，鉆井液流經(jīng)專(zhuān)用通道后，其壓力分布結(jié)果，可為“吸附下部巖屑、推送上部巖屑”量化分析提供理論基礎(chǔ)。結(jié)合井下實(shí)際工作情況，可得鉆井液的關(guān)鍵因素包括介質(zhì)密度、壓力、流量、黏度、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，再根據(jù)鉆進(jìn)過(guò)程鉆頭處的特殊工況，重點(diǎn)對(duì)鉆井液壓力、流量進(jìn)行分析。

2.1.1 穩(wěn)定流動(dòng)流量分配方法

建立專(zhuān)用通道射流噴嘴吸附下部巖屑模型，首先需要計(jì)算鉆井液在鉆頭處對(duì)應(yīng)鉆頭噴嘴、取心專(zhuān)用通道的結(jié)構(gòu)時(shí)，其流量分配的計(jì)算，根據(jù)井底實(shí)際工作情況參數(shù)，利用穩(wěn)定流動(dòng)流量分配方法[15-17]：

式中 表示分析對(duì)象所占總流量的比例；R、Ri分別表示總體與分析對(duì)象的流阻，Pa·s/m2；Li表示分析管長(zhǎng)，m。

當(dāng)雷諾數(shù)2 300＜Re＜4 000時(shí)，管道中的流體流動(dòng)為過(guò)渡狀態(tài)，Re＞4 000時(shí)，流體流動(dòng)為湍流，摩擦系數(shù)表達(dá)式為：

式中ρ表示流體的密度，kg/m3；ui表示流體速度，m/s；μ表示黏性系數(shù)，Poise；di表示特征長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)專(zhuān)用通道，表示通道的當(dāng)量直徑，m。

結(jié)合流動(dòng)的摩阻計(jì)算公式：

得到流體流阻的計(jì)算公式為：

將此運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等效折合為相同流阻條件下的層流流動(dòng)，該流動(dòng)狀態(tài)的流阻為：

根據(jù)系統(tǒng)流阻條件進(jìn)而可以得到：

式中Δp表示通道阻力，即壓差，Pa；Li表示通道長(zhǎng)度，m；Vi表示體積流量，m3/s。

將公式（6）帶入公式（1），且利用計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行迭代，則可得到湍流管道的流量分配比例，確定進(jìn)入專(zhuān)用通道的鉆井液流量。

2.1.2 噴嘴處的壓降計(jì)算

根據(jù)前面所述，文章核心在于對(duì)底部巖心的吸附，以及對(duì)于上部巖屑的推送效果。而下部的吸附是由于負(fù)壓效應(yīng)所引起的，根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論，得到對(duì)于底部吸附效果的計(jì)算方法。進(jìn)行隨鉆取心鉆頭的通道壓力計(jì)算，需要考慮兩個(gè)方面的因素：①專(zhuān)用通道至取心通道處的噴嘴對(duì)流體壓力的改變，②基于流體動(dòng)力學(xué)的吸附效應(yīng)的計(jì)算分析。噴嘴處的壓降[9]表示為：

式中Δpb表示噴嘴處的壓降，MPa；ρd表示噴嘴噴出的流體密度，kg/m3；C表示噴嘴流量系數(shù)，無(wú)因次，表示噴嘴的阻力系數(shù)；Q表示噴嘴處流量，m3/s；A0表示噴嘴面積，m2。

2.1.3 射流結(jié)構(gòu)對(duì)底部巖心的吸附效應(yīng)

在確定射流噴嘴流出的鉆井液壓力、流量基礎(chǔ)上，可計(jì)算射流結(jié)構(gòu)對(duì)底部巖心的吸附效應(yīng)，首先將鉆井液作不可壓縮流體，其基本方程組為[18]：

連續(xù)性方程

運(yùn)動(dòng)方程

能量方程

式中 表示哈密頓算子； 表示速度矢量，m/s；ρ表示流體的密度，kg/m3；p表示流體壓力，Pa；表示質(zhì)量力，N；μ表示動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa·s；cp表示流體的定壓熱容，J/（mol·K）； 表示流體運(yùn)動(dòng)參數(shù)，無(wú)因次；T表示溫度，K；k表示流體熱傳系數(shù)，W/（m2·K）；q表示流體熱量，J。

進(jìn)行專(zhuān)用通道噴嘴對(duì)下部巖屑的吸附效果計(jì)算，集中在其對(duì)于下部產(chǎn)生的負(fù)壓效應(yīng)分析。首先確定吸附通道和專(zhuān)用通道流量的比為：

式中Qs表示被吸入流體體積流量，L/s；Q0表示工作流體體積流量，L/s。

同理，得到推送通道和專(zhuān)用通道的壓力比為：

式中Δpc、Δp0分別表示推送通道和吸附通道的壓差、專(zhuān)用通道噴嘴處和吸附通道的壓差，Pa；g表示重力加速度，m/s2；v0、vs、vc分別表示噴嘴流體位置、被吸流體位置、混合流體位置斷面的平均速度，m/s；z0、zs、zc分別表示噴嘴流體位置、被吸流體位置、混合流體位置的位置水頭，m；p0、ps、pc分別表示噴嘴流體位置、被吸流體位置、混合流體位置的壓力，Pa；ρ0、ρs、ρc分別表示專(zhuān)用通道、吸附通道、推送通道流體的密度，kg/m3。

對(duì)于壓力與速度場(chǎng)的求解，采用k-ε雙方程紊流模型，其流動(dòng)控制方程為以下表達(dá)形式：

將控制方程無(wú)量綱化，其連續(xù)性方程：

其動(dòng)量方程：

進(jìn)而可求解得到速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)。

對(duì)于射流的吸附效應(yīng)計(jì)算，基于穩(wěn)態(tài)解的廣義Reynolds方程，根據(jù)分析模型中的坐標(biāo)關(guān)系，得到y(tǒng)

方向零吸附工況下的Reynolds方程：

其中 的定義公式為：

根據(jù)黏性流體的伯努利方程：

式中α1、α2分別表示動(dòng)能修正系數(shù)，無(wú)因次；hw表示黏性流體揚(yáng)程損失，m。

由此得到Reynolds方程的邊界條件為：

2.1.4 推送巖心效應(yīng)

由于新鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，專(zhuān)用通道的噴嘴射流對(duì)下部吸附通道巖屑的吸附效應(yīng)，以及對(duì)推送通道巖屑的推送效應(yīng)，可減小或避免巖屑的重復(fù)破碎，所以需要考慮新鉆頭推送通道的攜巖能力?？紤]井身結(jié)構(gòu)可能為直井或者水平井，根據(jù)井底實(shí)際工作情況，此處對(duì)巖心的作用考慮推送效應(yīng)，建立分析計(jì)算方法為：

式中 ρc表示巖心密度，kg/m3；Vc表示巖心體積，m3；ac表示巖心加速度，m/s2；c表示阻力系數(shù)，N·s/m；uc表示巖心運(yùn)移速度，m/s；Fvm、FD、Fs、Fg分別表示虛擬質(zhì)量力、運(yùn)動(dòng)阻力、流體速度梯度力、重力（含浮力），N；推送過(guò)程中的各力計(jì)算方法分別如下：

虛擬質(zhì)量力是由于巖心在液體中做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度越大，推動(dòng)流體動(dòng)能增加所產(chǎn)生的力將大于使巖心加速的力mcac，其效應(yīng)等價(jià)于巖心的質(zhì)量增加，計(jì)算公式為：

式中km表示經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，無(wú)因次；uf表示流體速度，m/s；dt表示t時(shí)刻速度曲率半徑，m。

運(yùn)動(dòng)阻力的計(jì)算方法如下：

式中CD表示阻力系數(shù)，其與顆粒雷諾系數(shù)有關(guān)，無(wú)因次；ρf表示流體密度，kg/m3；dc表示巖心有效直徑。

同時(shí)修正得到不同流動(dòng)工況下的摩擦阻力計(jì)算公式：

式中表示修正系數(shù)，無(wú)因次； 是與物性參數(shù)、流動(dòng)參數(shù)、幾何參數(shù)相關(guān)的函數(shù)；a、b、c表示特定參數(shù)，無(wú)因次；XTT表示Lockhart-Martinelli參數(shù)，表示兩相摩擦倍率。

流體速度在y方向的梯度力計(jì)算方法如下：

該公式僅對(duì)于Re＜1有效，因?yàn)樵诹鲃?dòng)的主流區(qū)，速度梯度通常都很小，故此時(shí)可忽略其影響，僅僅在速度邊界層中，對(duì)于小尺寸的巖心，其作用才變得明顯。

重力（含浮力）的計(jì)算方法如下：

式中l(wèi)c表示巖心有效長(zhǎng)度，m。

2.2 機(jī)械鉆速計(jì)算

對(duì)于機(jī)械鉆速的計(jì)算分析，機(jī)械鉆速影響因素眾多，對(duì)此本文研究基于以下內(nèi)容展開(kāi)，首先由于所述專(zhuān)用通道產(chǎn)生的負(fù)壓效應(yīng)對(duì)巖石圍壓的影響，導(dǎo)致巖石可鉆性發(fā)生變化，會(huì)降低單位體積巖石有效破碎功，減小巖石破碎所需功耗[19-23]；其次是在實(shí)際鉆井過(guò)程中，新鉆頭設(shè)計(jì)的專(zhuān)用通道在具有吸附下部巖屑，以及推送通道推送上部巖屑效果的同時(shí)，會(huì)增強(qiáng)了鉆頭排屑效果，減小了巖石重復(fù)破碎，提高了破巖效率。從而對(duì)于鉆頭破巖過(guò)程巖石破碎功、破巖效率產(chǎn)生影響。

考慮到鉆井過(guò)程井下的復(fù)雜工況，結(jié)合本文研究的機(jī)械鉆速影響因素，首先引入通用冪指數(shù)模式分析鉆進(jìn)過(guò)程的機(jī)械鉆速：

式中Rate表示機(jī)械鉆速，m/h；K表示系數(shù)，與可鉆性相關(guān)，無(wú)因次；W表示鉆壓，N；N表示轉(zhuǎn)速，r/min；Eb表示比水功率，kW/cm2；當(dāng)Eb＞0.32 kW/cm2時(shí)，可認(rèn)為井底清潔狀態(tài)下破巖；e表示自然對(duì)數(shù)，無(wú)因次；Δp表示井底壓差，Pa；C2表示切削齒磨損系數(shù)，無(wú)因次；h表示切削齒磨損量，mm；a、b、c、d分別表示鉆壓指數(shù)、轉(zhuǎn)速指數(shù)、水功率指數(shù)和壓差指數(shù)；并且，計(jì)算公式中的系數(shù)K、a、b、c、Eb可根據(jù)巖性參數(shù)查相關(guān)手冊(cè)確定取值范圍，然后利用計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行迭代計(jì)算，確定最終結(jié)果。

如前所述，由于新鉆頭對(duì)井底巖心的吸附效應(yīng)，以及對(duì)于重復(fù)破碎率的影響，在現(xiàn)有的機(jī)械鉆速計(jì)算的基礎(chǔ)上，得到新的機(jī)械鉆速計(jì)算公式：

式中M0表示保證井底清潔時(shí)的臨界比水功率時(shí)的門(mén)限鉆壓，N；We表示水力作用的當(dāng)量鉆壓，N。

考慮到實(shí)際鉆井工程中的具體情況，當(dāng)其他因素不變時(shí)，機(jī)械鉆速與鉆頭射流比水功率的關(guān)系為：

式中R0-ate表示單純依靠機(jī)械破巖的鉆速，m/h；rate表示水力因素產(chǎn)生的鉆速增量，m/h。

由此可得W與Eb的關(guān)系為線性關(guān)系，將機(jī)械鉆速公式改寫(xiě)為：

式中Ce表示射流水功率與當(dāng)量鉆壓換算的系數(shù)，即比水功率轉(zhuǎn)換率，無(wú)因次。當(dāng)巖石可鉆性介于3.13～9.98時(shí)，Ce取值范圍介于0.217 8～0.012 4。

由于比水功率轉(zhuǎn)換率與可鉆性可用一元冪指數(shù)回歸：

式中ω、λ分別表示比水功率與可鉆性的相關(guān)系數(shù)與指數(shù)，無(wú)因次；由此得到修正后的機(jī)械鉆速計(jì)算公式：

對(duì)于臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，由于采用新鉆頭，不考慮鉆頭磨損，同時(shí)不存在壓差影響，式（31）簡(jiǎn)化為：

此計(jì)算方法與其他方法相比，與實(shí)際情況吻合度更高，考慮因素更全面，計(jì)算精度更高。

3 算例分析

為了對(duì)新鉆頭破巖特性進(jìn)行量化分析，利用建立的理論模型，進(jìn)行算例求解。分別計(jì)算其工作過(guò)程的液力分布，以及其他參數(shù)結(jié)果，確定關(guān)鍵參數(shù)對(duì)新鉆頭破巖性能的影響。利用鉆頭破巖模型，分析對(duì)鉆頭機(jī)械鉆速的影響，得到新鉆頭對(duì)于破巖提速的實(shí)際意義。算例參數(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 算例參數(shù)表

對(duì)于專(zhuān)用通道噴嘴而言，其當(dāng)量尺寸變化對(duì)于其流量分配的影響如圖3所示，由圖3可知，隨著噴嘴當(dāng)量尺寸增加，流量增加幅度斜率減小，呈現(xiàn)非線性特性。

圖3 噴嘴當(dāng)量尺寸與流量的關(guān)系圖

各噴嘴的壓降、流量以及攜帶的最大顆粒見(jiàn)圖4。

圖4 各噴嘴的壓降、流量及攜帶最大顆粒圖

由圖4可知，對(duì)于專(zhuān)用通道噴嘴（6號(hào)噴嘴）而言，其壓降值遠(yuǎn)大于其他噴嘴，達(dá)到7 MPa以上；同時(shí)，其噴口處流體速度也遠(yuǎn)大于其他噴嘴，達(dá)到15 m/s以上。根據(jù)得到的水力參數(shù)結(jié)果計(jì)算得到的攜帶最大顆粒直徑，專(zhuān)用通道噴嘴對(duì)應(yīng)的巖屑直徑達(dá)到35 mm以上，這里需要注意的是，此處的結(jié)果是根據(jù)噴口處的水力參數(shù)計(jì)算得到的，實(shí)際上由于井底情況復(fù)雜，影響因素眾多，需要考慮其余噴嘴液力參數(shù)，以及巖石特性，才與環(huán)空返回的實(shí)際情況更接近。

為了對(duì)破巖性能進(jìn)行更直觀的對(duì)比，進(jìn)行破巖分析的算例參數(shù)與后面實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)，在后面的臺(tái)架試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，給出對(duì)應(yīng)輸入?yún)?shù)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并完成相關(guān)分析。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證理論模型，利用臺(tái)架實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)新鉆頭進(jìn)行測(cè)試分析，將測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，深化對(duì)新設(shè)計(jì)的隨鉆取心鉆頭破巖性能的理解。首先根據(jù)理論分析結(jié)果，進(jìn)行與算例參數(shù)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)鉆頭的加工，然后利用臺(tái)架進(jìn)行新鉆頭的實(shí)驗(yàn)，分析測(cè)試得到的巖心現(xiàn)狀、破巖行為等特性。實(shí)驗(yàn)用的鉆頭參數(shù)與算例中的輸入值相同，臺(tái)架實(shí)驗(yàn)采用清水做鉆井液，基礎(chǔ)參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)用鉆頭如圖5所示，臺(tái)架實(shí)驗(yàn)過(guò)程與井底模型如圖6所示，為對(duì)比破巖性能，將同尺寸的其他類(lèi)型隨鉆取心鉆頭進(jìn)行相同條件實(shí)驗(yàn)，對(duì)破巖結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)得到的現(xiàn)有鉆頭、新鉆頭破巖過(guò)程機(jī)械鉆速結(jié)果，并將兩種隨鉆取心鉆頭的機(jī)械鉆速結(jié)果處理，得到新鉆頭機(jī)械鉆速增加比如圖7所示。

由圖7可知，其值大致分布區(qū)間介于3%～5%，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)取得了一定的提速效果，根據(jù)利用大排量泵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析得到：產(chǎn)生這樣的原因是由于臺(tái)架試驗(yàn)鉆井液排量太小，導(dǎo)致新設(shè)計(jì)所具備的“吸附下部巖屑、推送上部巖屑”的作用不明顯。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用的新型隨鉆取心鉆頭圖

圖6 隨鉆取心鉆頭臺(tái)架實(shí)驗(yàn)與結(jié)果照片

圖7 新鉆頭機(jī)械鉆速增加比值圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證破巖性能、機(jī)械鉆速結(jié)果，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，同樣采用與算例分析、臺(tái)架實(shí)驗(yàn)相同的隨鉆取心鉆頭，且與其鄰井使用其他鉆頭進(jìn)行破巖效率對(duì)比?，F(xiàn)場(chǎng)鉆具組合參數(shù)為：?215.9 mmPDC×0.32 m＋ ?172 mm螺桿×7.97 m＋回壓凡爾×0.5 m＋?165.1 mm無(wú)磁鉆鋌（1根）×9.32 m＋ ?215 mm扶正器1.07 m＋ ?165.1 mm鉆鋌（14根）×128.6 m＋ ?165.1 mm隨鉆震擊器×9.56 m＋ ?165.1 mm鉆鋌（3根）×26.92 m＋ ?127 mm鉆桿（加3只防磨接頭），現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)

由于鉆井泵排量相對(duì)于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)大幅度增加，使新鉆頭的減小重復(fù)破碎能力，導(dǎo)致新鉆頭的增速效果很明顯，在相同井段、相近鉆井參數(shù)條件下進(jìn)行機(jī)械鉆速對(duì)比，可獲得機(jī)械鉆速增加比大致在5%～40%。

5 結(jié)論

1）提出的新型隨鉆取心鉆頭，與現(xiàn)有取心鉆頭不同，通過(guò)在鉆頭內(nèi)部建立一個(gè)專(zhuān)用通道，鉆頭內(nèi)部的高壓鉆井液流經(jīng)專(zhuān)用通道至推送通道，然后至環(huán)空。通過(guò)結(jié)合井下情況，利用流體動(dòng)力學(xué)、破巖力學(xué)，建立隨鉆取心鉆頭工作機(jī)理研究的理論模型，為進(jìn)行新鉆頭破巖過(guò)程的“吸附下部巖屑、推送上部巖屑”，以及提速增效的特性，提供了理論支撐。

2）通過(guò)算例分析、臺(tái)架實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)隨鉆取心鉆頭的關(guān)鍵參數(shù)以及提速效果進(jìn)行了分析，且對(duì)比了不同類(lèi)型鉆頭、計(jì)算方法的結(jié)果，對(duì)影響破巖性能的因素進(jìn)行了確定，并給出了計(jì)算結(jié)果。研究結(jié)果表明，在現(xiàn)場(chǎng)條件下，鉆井泵的排量、功率對(duì)鉆頭的提速效果影響較大，在鉆井液流量為25 L/s的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，新鉆頭提速范圍在5%～40%。

3）筆者提出的新型隨鉆取心鉆頭，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，破巖性能與理論計(jì)算結(jié)果吻合，驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性與精度。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明，新鉆頭的設(shè)計(jì)對(duì)于隨鉆取心技術(shù)發(fā)展，以及鉆井過(guò)程提速增效，特別是對(duì)于大排量的鉆井工程，進(jìn)行提速技術(shù)研究具有重要的參考意義。

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