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【摘要】提高钻井的速度和效率是石油钻井不断追求的目标，井下水力旋流钻井提速技术利用安装在井下水力旋流发生器，通过离心分离的原理，将钻井液中的重质组分在经过井下钻头之前，提前将钻井液重质组分分离到钻井环空中，重质组分不经过井下钻头，改善了井下钻头的工作环境，减轻了钻头的磨损。文章通过调研分析，结合石油钻井的实际，研究了井下水力旋流发生装置的原理及设计，分析了井下水力旋流发生装置的工艺流程，通过现场试验验证了井下水力旋流钻井提速技术的效果。
【关键词】井下 水力 旋流 钻井 设计 试验水力旋流器作为一种固液两相分离的装置，已经在各行业中得到了广泛的应用和发展。旋流器最初只是应用到煤炭行业，随着技术和加工工艺的发展，旋流器的工作效率和寿命得到了较大发展，利用旋流器进行固液两相分离的技术逐渐在冶金、石油、电力等行业应用。在石油行业中，水力旋流器被广泛的应用到原油的处理过程中，同时在石油钻井钻井液的处理方面也得到了广泛的应用。在石油钻井行业中钻头的工作效率和寿命是钻井速度提高的瓶颈之一，文中提出一种新型的井下水力旋流钻井提速技术，通过将地面的旋流器改装到井下，利用水力旋流的原理，对进入钻头的钻井液提前进行净化和处理，减少了钻井液中高密度和高固相成分对钻头的磨损，同时减少了钻头处的压持效应，提高了岩屑的排除效率，该技术即实现了对井底钻头的保护，提高了井下钻头的工作寿命，同时也提高了钻头的工作效率，增加了石油钻井的速度，降低了石油勘探开
发的成本。
1 井下水力旋流钻井提速技术的工作原理
在石油钻井的过程中，随着钻头不断的钻进，越往下地层的压力越高，井眼稳定就越为重要，为了保证钻井井眼的稳定性，同时防止地层压力过高，钻井液的液柱压力不足以压住高压地层时，而发生井涌或者井喷事故，需要在钻井过液中需要加入一定比例的加重剂，如重晶石、铁矿粉等，当钻井液中加入这些加重成分后，钻井液流经钻头后会对钻头产生冲蚀作用，严重的影响到钻头的工作寿命，同时加重剂的加入增加了井下钻头的液柱压力，造成钻头处钻井液的压持效应，严重的影响到钻头的钻进速度。为了解决以上问题，文章提出了一种新型的井下水力旋流钻井提速技术，通过井下水力旋流提速装置的作用，将钻井液中重质组分在进入钻头之前就提前分离出去，避免了钻井液重质组分对于钻头的冲蚀破坏，而且降低的井下钻头处的压力。井下水力旋流提速装置整体上为一钻杆短接，长度在两到三米之间。通过利用与钻铤和钻头匹配的扣型，装置在使用时连接在钻铤和钻头之间。从钻井泵出来的钻井液经过地面管汇，传输到井下钻杆中，通过钻杆流向井下水力旋流提速装置中，通过井下水力旋流装置的入口，流向旋流发生器中，在旋流发生器内受到离心力的作用下，钻井液在旋流发生器内做旋转运动，由于钻井液中颗粒质量的不同，钻井液各组分所受到离心力不同，钻井液的重质组分在离心力的作用下，最终达到井下旋流发生装置的侧喷嘴。从侧喷嘴喷出进入到环形空间中，从而避免了重质组分经过钻头的现象。而钻井液的轻质组分在离心力的作用下，最终到达旋流发生装置的下部出口，从下部出口进入到钻头中，从钻头喷嘴喷出，进行携岩和清洗井底等工作。通过井下水力旋流发生装置的作用，实现在钻头上部钻井液重质组分的分离，防止了钻井液重质组分对钻头的损害，同时还改善了钻头附近的井底流场，提高了井下钻头的破岩效率。
2 井下水力旋流钻井提速装置设计及试验
影响到井下水力旋流提速技术性能和效率的参数包括装置的结构参数和工作参数。井下水力旋流提速装置结构参数是影响到装置性能的决定性因素。在旋流装置的入口结构方面，入口的形状、尺寸、数量等参数都需要进行设计。在旋流装置圆筒结构方面，圆筒的长度、溢流管汇的插入深度等参数也需要进行设计。井下水力旋流装置锥体的结构参数是装置的关键部分。当装置锥体角度减小时，旋流装置的分离尺寸就相应的减小，水力旋流装置的分离效率也就相应的提高了。但是随着旋流装置锥角的减小，旋流装置溢流管汇的尺寸需要减小，这样容易造成溢流管汇的堵塞。因此水力旋流装置的锥体存在最优的锥角参数，一般情况下锥角的参数在十度到二十度之间。在保证旋流装置其他参数不变的情况下，开展旋流装置的锥角实验。通过实验可以看出，旋流装置的分离效果随着锥角的减小呈现先增大后减小的现象，根据井下水力旋流的工作参数，并且通过实验得到了优化的锥角角度为15°。井下水力旋流装置的锥筒是决定装置分离量的主要因素，在通常情况下旋流装置锥筒减小后，装置的处理效果就变好了，但是旋流装置锥筒的减小会影响到处理量，锥筒减小后装置的处理量也相应减小了，因此需要在保证井下水力旋流装置处理效果的前提下，最大限度的增加锥筒的大小。根据装置外筒直径的大小，通过手册查得锥筒的壁厚大约要为十五毫米，因此选择锥筒的壁厚为15mm，选择最佳的旋流装置锥筒的直径为95mm。通过校核可以得到该参数的锥筒既可以满足工作的强度要求，同时可以保证井下水力旋流装置最佳的工作效果。井下水力旋流钻井提速技术几口井的现场试验结果表明，该装置的结构合理，安装和使用方便，而且不会对常规钻井产生影响，工作寿命高，提速效果明显，在相同条件下和邻近同井段相比，机械钻速提高了25%以上，该技术成本低，安装使用方便，对于提高石油钻井的速度具有重要的意义，具有较高的推广应用价值。
3 结束语
钻井提速技术一直就是石油钻井技术研究的重要方面，研究如何提高钻井的机械钻速，降低钻井成本，对于钻井技术的发展具有重要的意义。文中提出了一种新型的井下水力旋流提速技术，通过对进入钻头的钻井液提前进行净化和处理，减少了钻井液中高密度和高固相成分对于钻头的磨损，同时减少了钻头处的压持效应，增强了岩屑的排除效果，提高了井下钻头的钻进速度和工作寿命，结合钻井实际参数和实验的结果，得到了优化的锥角角度为15°，最佳的旋流装置锥筒的直径为95mm。井下水力旋流钻井提速技术现场试验结果表明，该装置的结构合理，在相同条件下和邻近同井段相比，机械钻速提高了25%以上。
参考文献
[1] 吕凤霞.井下用旋流器结构优化及制造技术研究[D].黑龙江省大庆市：大庆石油学院，2003
[2] 赵庆国，张明贤.水力旋流器分离技术.化学工业出版社，2003
【关键词】井下 水力 旋流 钻井 设计 试验水力旋流器作为一种固液两相分离的装置，已经在各行业中得到了广泛的应用和发展。旋流器最初只是应用到煤炭行业，随着技术和加工工艺的发展，旋流器的工作效率和寿命得到了较大发展，利用旋流器进行固液两相分离的技术逐渐在冶金、石油、电力等行业应用。在石油行业中，水力旋流器被广泛的应用到原油的处理过程中，同时在石油钻井钻井液的处理方面也得到了广泛的应用。在石油钻井行业中钻头的工作效率和寿命是钻井速度提高的瓶颈之一，文中提出一种新型的井下水力旋流钻井提速技术，通过将地面的旋流器改装到井下，利用水力旋流的原理，对进入钻头的钻井液提前进行净化和处理，减少了钻井液中高密度和高固相成分对钻头的磨损，同时减少了钻头处的压持效应，提高了岩屑的排除效率，该技术即实现了对井底钻头的保护，提高了井下钻头的工作寿命，同时也提高了钻头的工作效率，增加了石油钻井的速度，降低了石油勘探开
发的成本。
1 井下水力旋流钻井提速技术的工作原理
在石油钻井的过程中，随着钻头不断的钻进，越往下地层的压力越高，井眼稳定就越为重要，为了保证钻井井眼的稳定性，同时防止地层压力过高，钻井液的液柱压力不足以压住高压地层时，而发生井涌或者井喷事故，需要在钻井过液中需要加入一定比例的加重剂，如重晶石、铁矿粉等，当钻井液中加入这些加重成分后，钻井液流经钻头后会对钻头产生冲蚀作用，严重的影响到钻头的工作寿命，同时加重剂的加入增加了井下钻头的液柱压力，造成钻头处钻井液的压持效应，严重的影响到钻头的钻进速度。为了解决以上问题，文章提出了一种新型的井下水力旋流钻井提速技术，通过井下水力旋流提速装置的作用，将钻井液中重质组分在进入钻头之前就提前分离出去，避免了钻井液重质组分对于钻头的冲蚀破坏，而且降低的井下钻头处的压力。井下水力旋流提速装置整体上为一钻杆短接，长度在两到三米之间。通过利用与钻铤和钻头匹配的扣型，装置在使用时连接在钻铤和钻头之间。从钻井泵出来的钻井液经过地面管汇，传输到井下钻杆中，通过钻杆流向井下水力旋流提速装置中，通过井下水力旋流装置的入口，流向旋流发生器中，在旋流发生器内受到离心力的作用下，钻井液在旋流发生器内做旋转运动，由于钻井液中颗粒质量的不同，钻井液各组分所受到离心力不同，钻井液的重质组分在离心力的作用下，最终达到井下旋流发生装置的侧喷嘴。从侧喷嘴喷出进入到环形空间中，从而避免了重质组分经过钻头的现象。而钻井液的轻质组分在离心力的作用下，最终到达旋流发生装置的下部出口，从下部出口进入到钻头中，从钻头喷嘴喷出，进行携岩和清洗井底等工作。通过井下水力旋流发生装置的作用，实现在钻头上部钻井液重质组分的分离，防止了钻井液重质组分对钻头的损害，同时还改善了钻头附近的井底流场，提高了井下钻头的破岩效率。
2 井下水力旋流钻井提速装置设计及试验
影响到井下水力旋流提速技术性能和效率的参数包括装置的结构参数和工作参数。井下水力旋流提速装置结构参数是影响到装置性能的决定性因素。在旋流装置的入口结构方面，入口的形状、尺寸、数量等参数都需要进行设计。在旋流装置圆筒结构方面，圆筒的长度、溢流管汇的插入深度等参数也需要进行设计。井下水力旋流装置锥体的结构参数是装置的关键部分。当装置锥体角度减小时，旋流装置的分离尺寸就相应的减小，水力旋流装置的分离效率也就相应的提高了。但是随着旋流装置锥角的减小，旋流装置溢流管汇的尺寸需要减小，这样容易造成溢流管汇的堵塞。因此水力旋流装置的锥体存在最优的锥角参数，一般情况下锥角的参数在十度到二十度之间。在保证旋流装置其他参数不变的情况下，开展旋流装置的锥角实验。通过实验可以看出，旋流装置的分离效果随着锥角的减小呈现先增大后减小的现象，根据井下水力旋流的工作参数，并且通过实验得到了优化的锥角角度为15°。井下水力旋流装置的锥筒是决定装置分离量的主要因素，在通常情况下旋流装置锥筒减小后，装置的处理效果就变好了，但是旋流装置锥筒的减小会影响到处理量，锥筒减小后装置的处理量也相应减小了，因此需要在保证井下水力旋流装置处理效果的前提下，最大限度的增加锥筒的大小。根据装置外筒直径的大小，通过手册查得锥筒的壁厚大约要为十五毫米，因此选择锥筒的壁厚为15mm，选择最佳的旋流装置锥筒的直径为95mm。通过校核可以得到该参数的锥筒既可以满足工作的强度要求，同时可以保证井下水力旋流装置最佳的工作效果。井下水力旋流钻井提速技术几口井的现场试验结果表明，该装置的结构合理，安装和使用方便，而且不会对常规钻井产生影响，工作寿命高，提速效果明显，在相同条件下和邻近同井段相比，机械钻速提高了25%以上，该技术成本低，安装使用方便，对于提高石油钻井的速度具有重要的意义，具有较高的推广应用价值。
3 结束语
钻井提速技术一直就是石油钻井技术研究的重要方面，研究如何提高钻井的机械钻速，降低钻井成本，对于钻井技术的发展具有重要的意义。文中提出了一种新型的井下水力旋流提速技术，通过对进入钻头的钻井液提前进行净化和处理，减少了钻井液中高密度和高固相成分对于钻头的磨损，同时减少了钻头处的压持效应，增强了岩屑的排除效果，提高了井下钻头的钻进速度和工作寿命，结合钻井实际参数和实验的结果，得到了优化的锥角角度为15°，最佳的旋流装置锥筒的直径为95mm。井下水力旋流钻井提速技术现场试验结果表明，该装置的结构合理，在相同条件下和邻近同井段相比，机械钻速提高了25%以上。
参考文献
[1] 吕凤霞.井下用旋流器结构优化及制造技术研究[D].黑龙江省大庆市：大庆石油学院，2003
[2] 赵庆国，张明贤.水力旋流器分离技术.化学工业出版社，2003