分流式負壓脈沖調制器的設計

程鋒瑞 楊永印 范紅明 李佳 英飛(中國石油大學（華東） 山東 東營 257061)

引言

最近二十年左右，伴隨著越來越多的深井、超深井的出現，不斷更新的高強度的鉆井設備的出現，為了提高鉆井速度，減少鉆井成本，負壓脈沖射流鉆井技術又成為了新的研究熱點[1,2]。目前，主要是由于負壓脈沖射流噴嘴材料的性能滿足不了鉆井的工藝要求，所以負壓脈沖射流鉆井技術在國內仍然還是處在發展的階段。

一、負壓脈沖鉆井技術

負壓脈沖射流鉆井技術的原理是在鉆頭和鉆鋌之間連接一個短節——負壓脈沖調制器，將連續流動的鉆井液調制成脈沖式流動的鉆井液，這種脈沖式的鉆井液流動到鉆頭噴嘴，再通過噴嘴流動到井底，脈沖式的鉆井液的壓力低于井底周圍的壓力，這時在井底的周圍的就會產生一個相對的負壓。

二、負壓脈沖技術提高鉆速機理

壓持效應會造成已經的破碎的巖屑經行重復破碎，這樣就影響了鉆井的速度。鮑格因[3]等人通過對以往的大量實驗數據進行分析、處理后指出，壓差與鉆速的關系在半對數坐標上可以用直線表示，其關系式為：

式中Vpc為實際鉆速，m/h；Vpc0為零鉆壓時的鉆速，m/h；ΔP為井內液柱壓力與地層孔隙壓力之差，MPa；β為與巖石性質有關的系數。

從下面兩個方面可以分析出為什么使井底的壓差降低或使井底出現負壓差

能夠提高鉆井的速度：減輕或消除井底已破碎巖屑的壓持效應。降低井底壓差時，會使井底巖石的圍壓降低，從而降低了井底巖石的塑性，降低井底巖石的破碎強度，因此提高了巖石的破碎效率，提高了鉆井速度。

三、分流式負壓脈沖調制器的設計及其工作原理

1.分流式負壓脈沖調制器的設計

由于分流式負壓脈沖調制器是放在鉆頭和鉆鋌之間的一個小短接，為了便于同時與鉆頭和鉆鋌連接，我們設計的尺寸要滿足鉆頭和鉆鋌的配合需要，我們以八寸半鉆頭為例設計分流式負壓脈沖調制器，利用參數化設計軟件Proe5.0設計出的三維裝配圖如下圖2所示：

根據現場的實際應用情況，一般與八寸半鉆頭相配合6 1/4英寸的鉆鋌，這種鉆鋌的外徑是158.8mm，內徑71.4mm，長度9.15或9.45米。根據現場的施工需要以及鉆井的安全性我們設計的尺寸必須盡量小一點。我們通過AutoCAD二維制圖軟件設計出的分流式負壓脈沖調制器的二維裝配圖，如上圖（圖3）所示：

2.分流式負壓脈沖調制器的工作原理

首先鉆井液會進入分流式負壓脈沖調制器的腔體中。由于最初設計的負壓脈沖調制器的擺閥是偏心的，所以我們在裝配之后，擺閥下部的左端是貼在腔體的內壁上如上圖（圖3）所示，當鉆井液從鉆鋌上流下來的時候，鉆井液會沖擊擺閥，給擺閥一個沖量，于是擺閥就會向負壓脈沖調制器的腔體的右側擺動，一直到擺動到擺閥右側貼近負壓脈沖調制器腔體的右側時，此時，擺閥就會阻斷腔體右側的鉆井液的流動，使右側上方的鉆井液的壓力變大，在此壓力下，又會使擺閥向腔體的左側開始擺動，使擺閥的左側貼到腔體的左側，又回到最初的狀態，這樣周而復始。這種井底壓力的差別也會更有利于清除井底巖屑。當擺閥在分流式負壓脈沖調制器的腔體內不斷地擺動的時候，就會不斷地阻止鉆井液的流動，因而引起鉆頭噴嘴的壓力波動，這樣就會使井底兩側分別間斷地產生負壓，從而提高鉆井速度。分流式負壓脈沖調制器的腔體下部還設計了一個隔板，它的作用是防止腔體內高壓鉆井液和低壓鉆井液的混合。

結束語

綜上所述，分流式負壓脈沖調制器能在井底產生一個高壓區，一個負壓區，這樣可以及時的清除井底的巖屑，減少“壓持效應”，大幅度的提高機械鉆速，尤其是在深井、超深井的應用效果更佳明顯，可以大幅度的節省鉆井的費用，達到更好的經濟效益。

[1]楊永印，沈忠厚，王瑞和.低壓脈沖射流井底欠平衡鉆井提高鉆速機理分析[J].石油鉆探技術，2002，30（5）：15-16.

[2]張勇.負壓脈沖射流流道設計及破巖特點研究 [D].東營：中國石油大學（華東）碩士學位論文，2004 12～16.