【分　 类】 化工与理学
【关 键 词】 三牙轮钻头；三喷嘴；现场试验；优化组合；经验比值
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正文：
摘要 通过大量的现场试验，得出三牙轮钻头三喷嘴优化组合的经验比值。实践证明该经验比值简单实用可靠，尤其在上部地层明显提高机械钻速，对现场施工有一定的指导意义。
关键词：三牙轮钻头；三喷嘴；现场试验；优化组合；经验比值
 
快速钻进的重要条件之一，是把岩屑及时冲离井底,减少钻头对岩的重复破碎。在钻井条件（设备和泥浆性能等）相当的情况下，三喷嘴截面积相同或近似相等时，哪种喷嘴组合能获得高的机械钻速，那就是最优组合。本文在大量现场试验的基础上，对三牙轮钻头普通三喷嘴的一些组合进行了现场试验并得出了一些推荐组合和最优经验比值。实践证明结论很有实用价值。
1三牙轮钻头三喷嘴的几种组合
1．1 三牙轮钻头喷嘴组合的一般分类
三牙轮钻头喷嘴的不同组合是指相对于某一等径三个喷嘴截面积而言，这些不同组合的截面积与之相等或近似相等。喷嘴直径小于对应等径喷嘴直径时，称之为“小”，大于时，称之为“大”。所以有以下几种不组合：
小1＋小2＋大；小1＋小1＋大；小＋大1＋大2；小＋大1＋大1。
以上只是给出一种定性的组合，对于实际情况下面做了具体的排列，并且考虑了其排列顺序与钻头旋转方向。
1.2现场三牙轮钻头普通喷嘴组合
目前,哈萨克斯坦阿里别克穆拉油田三开钻井常用三牙轮钻头普通喷嘴（不包括长喷嘴、斜喷嘴等）直径系列有7.9mm、8.7mm、9.5mm、10.3mm、11.1mm、11.9mm、12.7mm、14.3mm等，当然还有更大和更小的喷嘴，由于在实际中用的不多，而且实践证明常规井二开如果用小于7.9mm的喷嘴时下钻会发生堵水眼现象，这样会不好开泵或开不开泵。引起一些井下复杂情况和不必要的损失。所以小于7.9mm的水眼现场几乎不用。当然太大的水眼对于使用单泵的常规井来说也很少用。但对于高密度井和使用双泵（一般排量达到40 l/s以上）的井就需要。本文只研究常规井。另外一个原因就是对一定的喷嘴截面积（三喷嘴）如果用特大喷嘴，那么就必须用特小喷嘴与之匹配，这样又会引起堵水眼现象。所以这里只给出上面几种水眼。下面用最大水功率法计算喷嘴直径并给出现场两种情况下的不同组合。
阿里别克穆拉油田井深2100米左右所用钻头喷嘴大小计算及水眼组合类型。
现场所使用的泥浆泵是F-1600型，钻杆外径5″(127mm)，内径为85.7mm；钻铤外径7″(177.8mm)，内径71.4mm。井眼直径8 1/2″ (215.9mm)，这里以2100米左右下的钻头为例：钻井液密度为1.20g/cm³，漏斗粘度33s，喷嘴流量系数为0.98，单泵使用170mm的缸套，共有11根钻铤。
利用最大钻头水功率法可以算出最优当量喷嘴直径
       （1-1）
式中：d_e为当量喷嘴直径，mm；
Q为排量，L/S；
ρ泥浆密度，g/cm³；
C喷嘴流量系数，无因次量；
P_r泵压，MPa；
L井深，m。
由于受设备能力以及钻具和其他因素的影响，现场Q一般取32L/S，同样P取17MPa（刚下钻到底时的泵压，起钻时达到21MPa）。m和 n的值可以由公式求出。对于一定地区某一层位一定的钻具结构和泥浆性能则是一定的值。本文所给的条件是在阿里别克穆拉油田2100米地层的实例。这里取的层位是很有代表性的，当然也可以选其它层位。由现场统计资料在这一层位这一排量下循环系统压耗为：
            P_L=（mL+n）Q^1.8=6.2MPa
将上式代入式（1-1）得钻头喷嘴的当量直径为
  ==17.60mm
即d_e²=309.76mm² 所以d=d_e/3^1/2=10.16mm 
d为三等径水眼直径，在所提供的水眼系列中三水眼直径平方和与当量直径平方和的值非常接近的共有以下几种组合方式：
组合1：7.9²+9.5²+12.7²=313.95；
组合2：7.9²+10.3²+11.9²=310.11；
组合3：7.9²+11.1²+11.1²=308.83；
组合4：8.7²+8.7²+12.7²=312.67；
组合5：8.7²+9.5²+11.9²=307.55；
组合6：8.7²+10.3²+11.1²=304.99；
组合7：9.5²+10.3²+10.3²=302.43；
组合8：9.5²+9.5²+11.1²=303.71；
组合9：10.3²+10.3²+10.3²=318.27。
上面共九种不同组合。这里如果考虑水眼排列顺序和钻头旋转方向，那么7.9＋9.5＋12.7；7.9＋10.3＋11.9；8.7＋9.5＋11.9和8.7＋10.3＋11.1这四种组合分别又有两种组合。如下表：
            表1-1 同一喷嘴组合由于和钻头旋转方向不同下的组合

1组	7.9＋9.5＋12.7	9.5＋7.9＋12.7
2组	7.9＋10.3＋11.9	10.3＋7.9＋11.9
3组	8.7＋9.5＋11.9	9.5＋8.7＋11.9
4组	8.7＋10.3＋11.1	10.3＋8.7＋11.1

这里需要指出，本文没有计算临界井深，因为上面的喷射钻井工作方式受设备和携砂的影响，只是近似于最大水功率方式，而且泥浆泵也受到各种因素的影响而无法达到额定功率或额定泵压的工作状态。所以理论临界井深公式在此已失去其原有的存在条件。而本文研究的问题是不管何种工作方式，都能得到一系列喷嘴组合而只讨论其最佳组合。临界井深只是为达到最大水功率对排量的限制，因此它决定喷嘴的大小，但它对喷嘴怎样组合没有影响。实际情况下，也不可能只为追求最大钻头水功率而调整排量，在钻头没有使用到家时起钻换喷嘴，那样是很不经济的。如果要换喷嘴应从全面考虑。这已不是本文的研究范畴。
2三牙轮钻头三喷嘴组合的现场试验
2.1试验方案
为便于分析对比，试验方案分两步进行。第一步试验方案是先对比同一种喷嘴组合排列顺序与钻头旋转方向不同的情况。第二步方案是在第一步方案的实验结论上去掉一些不合理的组合而对截面积接近的喷嘴组合进行对比。
2.2 三牙轮钻头各种水眼组合的现场试验及结果分析

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