国内外研究表明,井底压差是影响机械钻速的主要因素,随着压差的增大,机械钻速几乎呈指数规律下降。为降低井底压差对机械钻速的影响,钻井技术工作者提出了近平衡钻井技术;为完全消除井底压差对机械钻速的影响,又提出了欠平衡钻井技术,近平衡、欠平衡钻井技术的应用不仅有效地提高了机械钻速,而且有利于发现和保护油气层。就提高机械钻速而言,欠平衡钻井技术在复杂地区的应用仍存在一定的安全隐患,本文的研究工作是开发出一种新技术,其应用能实现井底附近局部压力的降低,而井筒的绝大部压力处于近平衡状态,这样既保证了井下安全,又可有效地降低井底压差、提高机械钻速、及时发现油气藏。 借助于现代流体力学的涡旋理论,本文提出了降低井底附近局部压力的涡旋器设计思路。这种涡旋器安装在钻头上,在钻柱旋转带动下,通过其上喷嘴喷出的射流在环空中产生涡旋流,使涡旋器上方环空中的钻井液柱压力不能完全传递到井底,导致井底压力的局部降低。在提出了涡旋器设计的物理模型后,本文建立了描述涡旋器工作状况的流体力学模型,模型包含了钻头喷嘴射流产生的流场对涡旋器流场的影响。采用标准的k—ε紊流模型,运用时均法推导并建立相应的紊流模式,求解方法具有以下特点: 1.可对在井底产生的淹没射流流场进行三维数值模拟,直观地看到井底附近井壁压力的变化情况。 2.可考虑钻柱、钻头旋转对井底附近流场的影响,通过调整涡旋器的结构参数和水力参数,随时掌握井底附近流场、压力场的变化情况。 理论计算研究表明: 1.流量在0.024m~3/s、0.026m~3/s、0.028m~3/s、0.030m~3/s、0.032m~3/s的情况下,流量 越大,钻头的压力损失也越大,并呈线性递增的关系;流量增大,井底与井底涡旋器顶部的压力差呈现线性递增的趋势;流量增大,导致高速射流引起的环空旋流的旋转速度增加,同时井底部分流场也参与旋转,最终导致井底压力降低。 2.侧喷嘴倾斜角度在0度、30度、45度和60度情况下,由于井底涡旋器的旋流作用,导致井底产生旋转,对钻头喷嘴射流产生了影响,以致在45度时出现压力损失最小的情况;在0度时,出现了明显的正压状况,而在30～60度都出现了明显的负压,其中45度左右时,负压力差最大。说明在设计井底涡旋器时,最好不要采用0度喷嘴,优选45度喷嘴。 3.在5mm、6mm、7mm和8mm四种不同直径下的侧喷嘴情况下,侧喷嘴直径越小,压力损失越大;直径越小,喷嘴射出的钻井液速度越大,旋转力也相应增大,从而导致井底的液杜压力降低。 为证实井底涡旋器能有效地降低井底附近的压力,提高钻井速度,根据涡旋器设计理论设计制造了两种规格的井底涡旋器,开展了实验测试和现场试验的研究工作,实验研究表明井底涡旋器可有效地降低井底附近的压力。在中原油田新文72-189井和文269-6井进行的现场试验,机械钻速平均提高20%以上。