自振空化射流钻头喷嘴研制及现场试验

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1、第31卷第5期石油钻探技术Vol.31,No.52003年10月PETROLEUMDRILLINGTECHNIQUESOct.,2003
校庆专栏自振空化射流钻头喷嘴研制及现场试验李根生,沈忠厚,张召平,廖华林(石油大学油气井工程学科,山东东营257061)摘要:在风琴管谐振腔模型的基础上,给出了自振空化喷嘴的设计模式。用硬质合金为主要材料研制出了石油钻井用自振空化射流喷嘴。现场试验表明,自振空化喷嘴钻头与普通中长喷嘴钻头相比,钻井速度提高10.5%～49.3%,平均机械钻速提高31.2%,钻头进尺也相应增加29.1%。自振空化射流喷嘴具有广泛的应

2、用前景。关键词:空化;射流;喷嘴;钻头;钻井速度;现场试验中图分类号:TE248;TE921+.1文献标识码:A文章编号:1001-0890(2003)05-0011-03钻井实践证明,提高井底水力冲击力,可以提高式中,L为风琴管振动腔长度,mm;d为喷嘴出口直钻井速度,降低成本。众所周知,空化具有很强的破径,mm;M为射流工作马赫数,无因次;Sd为临界坏作用,如果将强大的空化破坏作用引入到射流中,变Strouhal数,无因次;Kn为振动腔内振动的模数系有害为有利,将大大提高射流的破岩效果,关键是如数。[1-2]何在井底下引入空化作用。经过系统的理论

3、与室内[3]试验研究,发现利用流体自激振荡可产生空化射流,利用瞬态流理论调制连续射流,建立了自振空化射流[4]调制理论和谐振腔振荡模型。室内试验表明,自振空化射流可以在比普通射流更深的井底围压条件下产生空化射流;在相同条件下,自振空化射流的冲蚀岩石效果是普通射流的2～4倍,冲击压力脉动幅度比普通[5]射流高24%～37%。笔者在自振空化射流谐振腔模图1自振空化射流喷嘴结构模型示意图型的基础上,结合钻井现场条件,设计研制出了自振空很显然,流体共振是靠自激产生的,是无源自振。化射流钻井喷嘴,并通过现场试验,取得良好使用效果。根据水声学原理,共振驻波的频率

4、与射流临界自激结构频率相近,由Sd确定,但是,精确的共振频率值取1自振空化射流产生机理与喷嘴模型2决于风琴管谐振腔的入口截面(Ds/D)和出口截面2风琴管谐振腔结构简单,自激振动作用明显,易(D/d)的收缩程度。因此,风琴管谐振腔的设计,首于在钻头上应用。风琴管自振空化喷嘴工作原理如图先必须计算出谐振腔的固有频率,然后根据自激压力1所示。它是用一个长度为L、直径为D的风琴管式谐振荡可能发生的激励频率(射流临界自激结构频率)设振腔作为振荡放大器,谐振腔入口与直径为Ds的来流计出合适的谐振腔尺寸。2管相连,(Ds/D)构成谐振腔的入口收缩截面。谐振腔2的

5、下部与直径为d的出口截面相连,(D/d)构成谐振2自振空化射流喷嘴设计与研制腔的出口收缩截面。当稳定流体通过时,其收缩面既2.1射流喷嘴结构参数优化设计能使流体产生初始压力激动,又能将压力激动反馈回常规三牙轮钻头上有3个水眼流道供安装喷嘴,谐振腔,形成反馈压力振荡。根据瞬态流理论,如果标准的水眼流道的内径33mm、长度约33mm,内有压力激动的频率与风琴管谐振腔的固有频率匹配,反“O”型密封圈和卡环槽供密封和固定喷嘴。根据钻头馈的压力振荡就能得到放大,从而在谐振腔内产生流体共振,形成驻波,射流剪切层内涡流变成大结构分离环状涡流,这种大结构的涡流环可以

6、增强空化作用。收稿日期:2003-06-15[4]风琴管振动腔结构按下式设计:基金项目:国家杰出青年科学基金(50125413)和国家自然科学L=KNd/MSd(1)基金重点项目(50234030)。22KN=(2N-1)/4(Ds/D)
1,(D/d)
1作者简介:李根生(1961-),男,1983年毕业于华东石油学院钻K2井工程专业,教授、博导。系本刊编委。N=N/2(Ds/D)
1,(D/d)≥1联系电话:(0546)8391017(2)·12·石油钻探技术2003年10月水眼流道尺寸和卡环标准,首先确定喷嘴上部与钻头～20MPa,排量为26～

7、35L/s,喷嘴出口速度100～水眼配合部分的外径为33mm,上段长度为27mm,喷140m/s。试验地层大多为沙1、沙2、沙3段,也有平嘴下部振动腔部分外径为25mm。需要进行设计和计原组、馆陶组和孔店组地层。所钻进的主要岩层有泥算的参数主要有喷嘴出口直径d、入口直径Ds、振动岩、疏松砂砾岩互层、生物灰岩、白云岩、油页岩、砂腔内径D、振动腔长度L和射流工作的马赫数M。岩、含砾砂岩、粉砂岩等。试验钻机有3200m和4500m1)喷嘴出口直径d的确定。根据高压喷射钻井水钻机,钻压140～180kN,转盘转速65～110r/min,钻力参数设计要求,在不

8、同的井深,钻井液排量一般在井液密度1.05～1.50kg/L,粘度20～30s,含砂量20～35L/s,相应