深井、超深井钻进过程中,机械钻速随井深增加明显下降。重要原因是由于井底压差的增大,岩屑不能及时清除,造成钻头的重复破碎。从井底负压脉动提高机械钻速的基本原理看,通过脉动分流钻头产生井底流场负压脉动,能起到减小“压持效应”,提高机械钻速的作用。在前期项目中设计的降压分流钻头研究基础上,依据文丘里效应和水击作用设计了利用双稳附壁射流换向元件实现钻井液切换的脉动分流钻头。数值模拟和室内实验证明,当井筒底部流场处于压力脉动的波谷时,其降压效果有27%到62.5%的提升,并且较以前的负压脉动工具优势明显。在条件为:排量40L/s,钻头压降设计为10MPa,井底静液柱压力(即液柱围压)为30MPa,钻井液通过该脉动分流钻头时设定其以50Hz的频率在钻头底部向下喷嘴和钻头周围向上喷嘴切换喷射时,负压幅值最大可达10MPa以上。数值模拟和室内实验分析了影响井底流场负压脉动的因素,包括喷嘴组合的结构参数以及水力条件。发现钻头周围抽吸喷嘴与井底间的距离以及喷嘴组合之间的当量直径比对井底流场脉动效果影响最大,而在切换频率以及钻井液在各喷嘴组合的分布时间还有井底液柱压力则影响有限。另外,在结构参数不变的条件下,增大排量对井底流场负压脉动有一定提升作用。