相比常規(guī)圓形內(nèi)孔的噴嘴，在PDC鉆頭和牙輪鉆頭上使用特殊內(nèi)孔面過渡的非對(duì)稱長笛噴嘴,可以提高至少20%以上機(jī)械鉆速。Vortexx公司采用一種獨(dú)特的噴嘴內(nèi)孔幾何面過渡變化的設(shè)計(jì)思路，開發(fā)一種與標(biāo)準(zhǔn)圓形噴嘴正沖擊力相反的、負(fù)沖擊壓力的噴嘴，以增加渦流噴射。對(duì)于在地下鉆井來說，負(fù)沖擊壓力能使沖擊表面的壓力減少至流體靜力學(xué)的壓力。“長笛噴嘴”使流體的體積增加了4～5倍，拖帶出的流體形成噴射，在鉆頭面周圍產(chǎn)生更多的再循環(huán)流體和巖石面反對(duì)抗力，噴射周圍的峰值渦流強(qiáng)度顯著增加。
1996年2月，俄克拉荷馬州塔爾薩的阿莫科鉆井研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，從鉆壓和噴嘴的選擇上，測定當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)在Cattusa頁巖中用于PDC鉆頭和牙輪鉆頭時(shí)的機(jī)械鉆速。用一只PDC鉆頭，在相同流速、相同大范圍鉆壓變化下，長笛噴嘴機(jī)械鉆速增加了100%以上，平均機(jī)械鉆速提高了69%;接下來，用一只牙輪鉆頭在同轉(zhuǎn)速和流速，且相同大范圍鉆壓變化下，將3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)12/32in的圓形噴嘴與一個(gè)交替擺放的V12CLBA型長笛噴嘴進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，長笛噴嘴在最低和最高鉆壓的機(jī)械鉆速分別提高10%和60%，平均機(jī)械鉆速提高了29%，通過更換不同類型的噴嘴，現(xiàn)有的鉆頭設(shè)計(jì)也能提高29%的機(jī)械鉆速。
現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)比
3年中，長笛噴嘴已在不同地層、多個(gè)不同種類井口進(jìn)行了超過4000小時(shí)的大范圍現(xiàn)場試驗(yàn)(最長井下鉆時(shí)138小時(shí))，總進(jìn)尺超過250,000ft，證實(shí)了在標(biāo)準(zhǔn)PDC鉆頭和牙輪鉆頭上使用長笛噴嘴能顯著提高機(jī)械鉆速。除另有說明，下述地區(qū)試驗(yàn)的機(jī)械鉆速都參照了國際鉆井承包商協(xié)會(huì)(以下簡稱IADC)的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括長笛噴嘴的下井次數(shù)，最差機(jī)械鉆速的數(shù)值等。
PDC鉆頭現(xiàn)場試驗(yàn) 最初的3口直井試驗(yàn)于1993年～1996年，在美國德克薩斯州布拉索斯縣進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與之前同地區(qū)同條件但采用標(biāo)準(zhǔn)圓形噴嘴所打井口數(shù)據(jù)對(duì)比。這組井的試驗(yàn)結(jié)果表明，用最早設(shè)計(jì)的長笛噴嘴，平均機(jī)械鉆速提高了22%，去除其中一只長笛噴嘴出現(xiàn)的鉆速提升40%的異常值，鉆速最慢的是為對(duì)比圓形噴嘴鉆頭設(shè)置的一只長笛噴嘴鉆頭;近期在美國德克薩斯州Panloa縣的Carthage油田打的3口直井獲得大量對(duì)比數(shù)據(jù)：全部的3只相同PDC鉆頭鉆遇地層、深度及鉆井條件完全相同，裝有長笛噴嘴的鉆頭比另兩只裝有標(biāo)準(zhǔn)圓形噴嘴的鉆頭在平均機(jī)械鉆速上提高40.3%。
另一批對(duì)比試驗(yàn)用4種不同廠家配裝標(biāo)準(zhǔn)圓形噴嘴的PDC鉆頭，與配有Vortexx長笛噴嘴的PDC鉆頭在同一地層的鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。通過在 Grimes縣同一口井里打一對(duì)旋轉(zhuǎn)的和滑行的水平分支井得出數(shù)據(jù)，長笛噴嘴旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速高出了23.4%，而滑行鉆進(jìn)方式機(jī)械鉆速高出了 25.6%，平均機(jī)械鉆速提高了28%。
牙輪鉆頭現(xiàn)場試驗(yàn) 加拿大阿莫科泛石油公司(PCPL)和雪佛龍石油公司牙輪鉆頭的現(xiàn)場試驗(yàn)9口井結(jié)果，平均機(jī)械鉆速提高了48%。試驗(yàn)在沙特阿拉伯Sharjah油田 Shuaiba純度較高的石灰?guī)r地層中一口水平井進(jìn)行，用配V19CEBB型長笛噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的牙輪鉆頭，伴隨隨鉆測井(LWD)下井——這是迄今測試長笛噴嘴效果最好的井下鉆具配置。在相同泥漿流速、轉(zhuǎn)速和大致相同的平均泥漿比重情況下，同一個(gè)井眼，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴牙輪鉆頭50小時(shí)鉆進(jìn)883ft，緊接下入的長笛噴嘴牙輪鉆頭用時(shí)33.5小時(shí)，且多進(jìn)尺625ft。從LWD的地層孔隙度數(shù)據(jù)看，長笛噴嘴牙輪鉆頭所鉆的地層孔隙度數(shù)值從之前平均6.7%突降至 3.3%，一般來講，在這種情形下鉆頭機(jī)械鉆速會(huì)大大降低，然而，配有長笛噴嘴的牙輪鉆頭獲得了一項(xiàng)相比IADC機(jī)械鉆速數(shù)值提高了約5.6%，而LWD 井底旋轉(zhuǎn)機(jī)械鉆速提高了10.1%。圖1給出了標(biāo)準(zhǔn)噴嘴牙輪鉆頭測量深度鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速和地層孔隙度的變化曲線。
孔隙度曲線顯示，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)噴嘴牙輪鉆頭，機(jī)械鉆速與孔隙度沒有多大關(guān)系，而對(duì)長笛噴嘴牙輪鉆頭，兩者增減趨勢相一致，長笛噴嘴清洗井底比標(biāo)準(zhǔn)噴嘴效果更好。通常，機(jī)械鉆速提高10%并不多，但這里的數(shù)據(jù)是隨鉆測井(LWD)在Vortexx長笛噴嘴牙輪鉆頭鉆進(jìn)一段更致密的低孔隙度地層時(shí)測出，則具有可比性。
在加拿大的奧爾德森油田進(jìn)行了另一組牙輪鉆頭實(shí)驗(yàn)。鉆頭穿過頁巖、砂巖和石炭紀(jì)等5組地層，試驗(yàn)1和試驗(yàn)2下入了標(biāo)準(zhǔn)噴嘴牙輪鉆頭，試驗(yàn)3和試驗(yàn)5下入了 V10CEBB型長笛噴嘴牙輪鉆頭，而試驗(yàn)4下入了一只標(biāo)準(zhǔn)超短圓形噴嘴的牙輪鉆頭。最初的16404ft鉆壓和轉(zhuǎn)速基本一樣，標(biāo)準(zhǔn)超短噴嘴牙輪鉆頭打出了2只標(biāo)準(zhǔn)噴嘴牙輪鉆頭的進(jìn)尺，圖2顯示了兩種噴嘴牙輪鉆頭鉆進(jìn)性能的曲線，從上部地層開始鉆進(jìn)，總進(jìn)尺2713ft，長笛噴嘴牙輪鉆頭(上部曲線)比標(biāo)準(zhǔn)超短噴嘴牙輪鉆頭(下部曲線)平均機(jī)械鉆速高了19.8%，而長笛噴嘴牙輪鉆頭比標(biāo)準(zhǔn)超短噴嘴牙輪鉆頭延伸鉆進(jìn)的進(jìn)尺數(shù)據(jù)沒有包括在這個(gè)試驗(yàn)中。
在Viking地層之前，最初16404ft的鉆壓、機(jī)械鉆速、地層和流速的波動(dòng)被認(rèn)為是一個(gè)比較合理的性能對(duì)比井段。長笛噴嘴牙輪鉆頭平均機(jī)械鉆速 89.1m/h，超過了標(biāo)準(zhǔn)超短噴嘴牙輪鉆頭平均74.6m/h，相當(dāng)于長笛射流噴嘴平均機(jī)械鉆速提高了19.5%。
圖3顯示了兩種噴嘴牙輪鉆頭機(jī)械鉆速的對(duì)比曲線，試驗(yàn)1和試驗(yàn)2標(biāo)準(zhǔn)噴嘴與試驗(yàn)3和試驗(yàn)5長笛噴嘴的兩條試驗(yàn)曲線，包括最大深度，長笛噴嘴(紅色曲線)與標(biāo)準(zhǔn)噴嘴(藍(lán)色曲線)有著相同趨勢和對(duì)峙的距離，前16404ft數(shù)據(jù)表明，長笛噴嘴比標(biāo)準(zhǔn)噴嘴平均機(jī)械鉆速提高了50%，穿過了3個(gè)地層，配有長笛噴嘴的F07牙輪鉆頭平均機(jī)械鉆速89.1m/h，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴牙輪鉆頭平均機(jī)械鉆速56.9m/h，前者比后者平均機(jī)械鉆速提高了56%。
美國密西西比州Heidelburg油田牙鉆頭直井試驗(yàn)中，鉆頭從上白堊紀(jì)地層的頂部開始鉆進(jìn)了1150ft，長笛噴嘴牙輪鉆頭平均機(jī)械鉆速提高了 41.5%。在600ft以后，長笛噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)噴嘴平均機(jī)械鉆速基本相同，但在前600ft的上白堊紀(jì)井段，標(biāo)準(zhǔn)圓形噴嘴牙輪鉆頭平均機(jī)械鉆速為 19.6ft/h，V14CEBB長笛噴嘴牙輪鉆頭平均機(jī)械鉆速為46.3ft/h，比前者提高了136%。
設(shè)計(jì)相關(guān)原理和試驗(yàn)
流體力學(xué)概念 傳統(tǒng)的軸對(duì)稱圓形噴嘴在射流沖擊井底時(shí)，僅僅產(chǎn)生軸對(duì)稱的正壓噴射流，不能控制其變化，設(shè)計(jì)者期望創(chuàng)建一個(gè)負(fù)壓射流沖擊井底。改動(dòng)噴嘴內(nèi)孔的幾何形狀，比如出口尺寸和出口速度矢量斜率，使其周期性出現(xiàn)在出口周邊，一部分負(fù)壓液泡被下壓，更接近沖擊面，而另一部分液泡會(huì)朝著噴嘴出口面被上拉，負(fù)壓和渦旋狀液泡會(huì)上下起伏波動(dòng)，在噴射周圍形成旋渦流動(dòng)。
出口半徑的擾動(dòng)尺寸、斜率和恰當(dāng)?shù)膬?nèi)孔過渡面設(shè)計(jì)想結(jié)合，可使至少一種周期噴射的圓周狀負(fù)壓液泡沖擊井底。生成負(fù)沖擊壓的出口半徑和角度組合方法有很多種，Vortexx負(fù)壓噴嘴基本的結(jié)構(gòu)專利設(shè)計(jì)是將一個(gè)大的圓形進(jìn)口逐漸縮小成非圓形出口，過渡部分的橫截面是一條圍繞圓周做周期變化的精確弧線。已經(jīng)證實(shí)，噴嘴內(nèi)孔過渡區(qū)域的這種逐漸形成多個(gè)肺葉狀弧線的橫截面可以產(chǎn)生負(fù)沖擊壓力;非對(duì)稱長笛形射流也增強(qiáng)了渦流強(qiáng)度。最初的計(jì)算流體力學(xué)參數(shù)研究顯示，傳統(tǒng)的射流形成一種“頂帽”形渦流，大多數(shù)渦旋動(dòng)力能量局限在兩個(gè)區(qū)域：圍繞著主噴射流附近相對(duì)稀疏的圓筒形范圍和一種沿著沖擊面薄而短的圓形邊緣區(qū)域。已經(jīng)證明，由于流體的非對(duì)稱夾帶作用，非對(duì)稱長笛形射流具有遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)噴嘴的渦流強(qiáng)度，這種高渦流在其周圍不斷變化。射流周圍或平行于對(duì)峙面最大量值渦流強(qiáng)度的位置可以通過對(duì)噴嘴內(nèi)表面繞圓周幾何形狀的微調(diào)來控制。
在阿莫科鉆井研究實(shí)驗(yàn)室里，PDC鉆頭試驗(yàn)了一個(gè)兩肺葉內(nèi)孔(流體容積)曲面形長笛噴嘴。Security DBS公司進(jìn)行了使用類似的三肺葉內(nèi)孔長笛噴嘴PDC鉆頭現(xiàn)場試驗(yàn)，阿莫科鉆井研究實(shí)驗(yàn)室還進(jìn)行了另一款長笛噴嘴牙輪鉆頭試驗(yàn)。
噴嘴壓力試驗(yàn) 對(duì)傳統(tǒng)的對(duì)稱噴嘴與2～4肺葉非對(duì)稱長笛噴嘴進(jìn)行了水流動(dòng)形象化研究和壓力測試試驗(yàn)。圖為傳統(tǒng)噴嘴的正沖擊壓力效果和三肺葉非對(duì)稱沖擊壓力測量結(jié)果。這些在低靜壓情況下進(jìn)行的試驗(yàn)證實(shí)，長笛噴嘴在相當(dāng)一部分沖擊表面(圖4中深凹陷部分)產(chǎn)生了負(fù)壓抽吸效應(yīng);深凹陷區(qū)域的位置取決于流體的流速和噴嘴出口的幾何形狀。試驗(yàn)性壓力測試證實(shí)了上述擾動(dòng)變化的幾何學(xué)噴嘴內(nèi)孔設(shè)計(jì)理念，描述了流體力學(xué)的研究設(shè)計(jì)。在有限的資源和有限的計(jì)算流體力學(xué)研究資料的條件下，這種近期觀察到的流動(dòng)現(xiàn)象和負(fù)壓分布得到了充分驗(yàn)證。
計(jì)算流體力學(xué)研究 計(jì)算流體力學(xué)研究是基于各種流體動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)行的。最初的一系列軸對(duì)稱流動(dòng)性研究試驗(yàn)得出存在負(fù)壓液泡和夾帶數(shù)量，接著，利用一系列三維模型完成2～4肺葉非對(duì)稱長笛噴嘴設(shè)計(jì)。這些研究對(duì)流動(dòng)區(qū)域全三維非線性Navier-Stokes方程和K-Epsilon渦流封閉系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。它們最初是用線性有限體積代碼進(jìn)行評(píng)估的。然而，由于渦流和幾何曲線對(duì)于研究非常重要，大多數(shù)計(jì)算流體力學(xué)研究都是在一個(gè)更精確的曲面hp自適應(yīng)有限元系統(tǒng)的指導(dǎo)下進(jìn)行的。這一專業(yè)的核心出現(xiàn)了錯(cuò)誤的估計(jì)量，它自動(dòng)純化了網(wǎng)孔或增加了多項(xiàng)式階次來提高精確性。因此，我們大多數(shù)渦流的計(jì)算涉及到周邊的、伴隨6-th度多項(xiàng)式函數(shù)的純化網(wǎng)孔解析了K-Epsilon模型。最初，為了簡化條件范圍，定期的引用了對(duì)稱性方法，以減少必要的參數(shù)研究時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)峙平面上，計(jì)算的非對(duì)稱負(fù)沖擊壓力輪廓與上述列舉的噴嘴壓力完全吻合，標(biāo)準(zhǔn)圓形噴嘴也以三維模型方式驗(yàn)證了研究設(shè)計(jì)與新設(shè)計(jì)的效果對(duì)比，由于證實(shí)了新流動(dòng)現(xiàn)象可以控制，為負(fù)沖擊壓力和最大渦流強(qiáng)度創(chuàng)建一個(gè)最適宜的場所，出現(xiàn)了大量的計(jì)算流體力學(xué)研究，這些研究目前延伸到包括鉆頭幾何學(xué)設(shè)計(jì)的更多領(lǐng)域。
這項(xiàng)基于鉆頭噴嘴的流動(dòng)水力學(xué)原理研制的，可提升PDC鉆頭和牙輪鉆頭機(jī)械鉆速的新技術(shù)已經(jīng)得到了驗(yàn)證。計(jì)算流體力學(xué)模型和試驗(yàn)研究已經(jīng)證明了幾項(xiàng)新的、創(chuàng)新性噴嘴設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生負(fù)沖擊壓力和高渦流再循環(huán)區(qū)域，區(qū)域位置和范圍可以通過噴嘴內(nèi)孔的幾何學(xué)設(shè)計(jì)來控制。現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)和鉆井研究室內(nèi)試驗(yàn)都證明了此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際效果——在標(biāo)準(zhǔn)PDC鉆頭和牙輪鉆頭上使用vortexx長笛噴嘴，通常能提高機(jī)械鉆速20%至100%以上。
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