相比常規(guī)圓形內(nèi)孔的噴嘴，在PDC鉆頭和牙輪鉆頭上使用特殊內(nèi)孔面過渡的非對稱長笛噴嘴,可以提高至少20%以上機械鉆速。Vortexx公司采用一種獨特的噴嘴內(nèi)孔幾何面過渡變化的設(shè)計思路，開發(fā)一種與標準圓形噴嘴正沖擊力相反的、負沖擊壓力的噴嘴，以增加渦流噴射。對于在地下鉆井來說，負沖擊壓力能使沖擊表面的壓力減少至流體靜力學(xué)的壓力。“長笛噴嘴”使流體的體積增加了4～5倍，拖帶出的流體形成噴射，在鉆頭面周圍產(chǎn)生更多的再循環(huán)流體和巖石面反對抗力，噴射周圍的峰值渦流強度顯著增加。
1996年2月，俄克拉荷馬州塔爾薩的阿莫科鉆井研究實驗室進行了室內(nèi)試驗，從鉆壓和噴嘴的選擇上，測定當(dāng)時的設(shè)計在Cattusa頁巖中用于PDC鉆頭和牙輪鉆頭時的機械鉆速。用一只PDC鉆頭，在相同流速、相同大范圍鉆壓變化下，長笛噴嘴機械鉆速增加了100%以上，平均機械鉆速提高了69%;接下來，用一只牙輪鉆頭在同轉(zhuǎn)速和流速，且相同大范圍鉆壓變化下，將3個標準12/32in的圓形噴嘴與一個交替擺放的V12CLBA型長笛噴嘴進行了對比試驗，長笛噴嘴在最低和最高鉆壓的機械鉆速分別提高10%和60%，平均機械鉆速提高了29%，通過更換不同類型的噴嘴，現(xiàn)有的鉆頭設(shè)計也能提高29%的機械鉆速。
現(xiàn)場試驗對比
3年中，長笛噴嘴已在不同地層、多個不同種類井口進行了超過4000小時的大范圍現(xiàn)場試驗(最長井下鉆時138小時)，總進尺超過250,000ft，證實了在標準PDC鉆頭和牙輪鉆頭上使用長笛噴嘴能顯著提高機械鉆速。除另有說明，下述地區(qū)試驗的機械鉆速都參照了國際鉆井承包商協(xié)會(以下簡稱IADC)的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括長笛噴嘴的下井次數(shù)，最差機械鉆速的數(shù)值等。
PDC鉆頭現(xiàn)場試驗 最初的3口直井試驗于1993年～1996年，在美國德克薩斯州布拉索斯縣進行，實驗數(shù)據(jù)與之前同地區(qū)同條件但采用標準圓形噴嘴所打井口數(shù)據(jù)對比。這組井的試驗結(jié)果表明，用最早設(shè)計的長笛噴嘴，平均機械鉆速提高了22%，去除其中一只長笛噴嘴出現(xiàn)的鉆速提升40%的異常值，鉆速最慢的是為對比圓形噴嘴鉆頭設(shè)置的一只長笛噴嘴鉆頭;近期在美國德克薩斯州Panloa縣的Carthage油田打的3口直井獲得大量對比數(shù)據(jù)：全部的3只相同PDC鉆頭鉆遇地層、深度及鉆井條件完全相同，裝有長笛噴嘴的鉆頭比另兩只裝有標準圓形噴嘴的鉆頭在平均機械鉆速上提高40.3%。
另一批對比試驗用4種不同廠家配裝標準圓形噴嘴的PDC鉆頭，與配有Vortexx長笛噴嘴的PDC鉆頭在同一地層的鉆井?dāng)?shù)據(jù)進行對比。通過在 Grimes縣同一口井里打一對旋轉(zhuǎn)的和滑行的水平分支井得出數(shù)據(jù)，長笛噴嘴旋轉(zhuǎn)鉆進的機械鉆速高出了23.4%，而滑行鉆進方式機械鉆速高出了 25.6%，平均機械鉆速提高了28%。
牙輪鉆頭現(xiàn)場試驗 加拿大阿莫科泛石油公司(PCPL)和雪佛龍石油公司牙輪鉆頭的現(xiàn)場試驗9口井結(jié)果，平均機械鉆速提高了48%。試驗在沙特阿拉伯Sharjah油田 Shuaiba純度較高的石灰?guī)r地層中一口水平井進行，用配V19CEBB型長笛噴嘴和標準噴嘴的牙輪鉆頭，伴隨隨鉆測井(LWD)下井——這是迄今測試長笛噴嘴效果最好的井下鉆具配置。在相同泥漿流速、轉(zhuǎn)速和大致相同的平均泥漿比重情況下，同一個井眼，標準噴嘴牙輪鉆頭50小時鉆進883ft，緊接下入的長笛噴嘴牙輪鉆頭用時33.5小時，且多進尺625ft。從LWD的地層孔隙度數(shù)據(jù)看，長笛噴嘴牙輪鉆頭所鉆的地層孔隙度數(shù)值從之前平均6.7%突降至 3.3%，一般來講，在這種情形下鉆頭機械鉆速會大大降低，然而，配有長笛噴嘴的牙輪鉆頭獲得了一項相比IADC機械鉆速數(shù)值提高了約5.6%，而LWD 井底旋轉(zhuǎn)機械鉆速提高了10.1%。圖1給出了標準噴嘴牙輪鉆頭測量深度鉆進的機械鉆速和地層孔隙度的變化曲線。
孔隙度曲線顯示，對于標準噴嘴牙輪鉆頭，機械鉆速與孔隙度沒有多大關(guān)系，而對長笛噴嘴牙輪鉆頭，兩者增減趨勢相一致，長笛噴嘴清洗井底比標準噴嘴效果更好。通常，機械鉆速提高10%并不多，但這里的數(shù)據(jù)是隨鉆測井(LWD)在Vortexx長笛噴嘴牙輪鉆頭鉆進一段更致密的低孔隙度地層時測出，則具有可比性。
在加拿大的奧爾德森油田進行了另一組牙輪鉆頭實驗。鉆頭穿過頁巖、砂巖和石炭紀等5組地層，試驗1和試驗2下入了標準噴嘴牙輪鉆頭，試驗3和試驗5下入了 V10CEBB型長笛噴嘴牙輪鉆頭，而試驗4下入了一只標準超短圓形噴嘴的牙輪鉆頭。最初的16404ft鉆壓和轉(zhuǎn)速基本一樣，標準超短噴嘴牙輪鉆頭打出了2只標準噴嘴牙輪鉆頭的進尺，圖2顯示了兩種噴嘴牙輪鉆頭鉆進性能的曲線，從上部地層開始鉆進，總進尺2713ft，長笛噴嘴牙輪鉆頭(上部曲線)比標準超短噴嘴牙輪鉆頭(下部曲線)平均機械鉆速高了19.8%，而長笛噴嘴牙輪鉆頭比標準超短噴嘴牙輪鉆頭延伸鉆進的進尺數(shù)據(jù)沒有包括在這個試驗中。
在Viking地層之前，最初16404ft的鉆壓、機械鉆速、地層和流速的波動被認為是一個比較合理的性能對比井段。長笛噴嘴牙輪鉆頭平均機械鉆速 89.1m/h，超過了標準超短噴嘴牙輪鉆頭平均74.6m/h，相當(dāng)于長笛射流噴嘴平均機械鉆速提高了19.5%。
圖3顯示了兩種噴嘴牙輪鉆頭機械鉆速的對比曲線，試驗1和試驗2標準噴嘴與試驗3和試驗5長笛噴嘴的兩條試驗曲線，包括最大深度，長笛噴嘴(紅色曲線)與標準噴嘴(藍色曲線)有著相同趨勢和對峙的距離，前16404ft數(shù)據(jù)表明，長笛噴嘴比標準噴嘴平均機械鉆速提高了50%，穿過了3個地層，配有長笛噴嘴的F07牙輪鉆頭平均機械鉆速89.1m/h，標準噴嘴牙輪鉆頭平均機械鉆速56.9m/h，前者比后者平均機械鉆速提高了56%。
美國密西西比州Heidelburg油田牙鉆頭直井試驗中，鉆頭從上白堊紀地層的頂部開始鉆進了1150ft，長笛噴嘴牙輪鉆頭平均機械鉆速提高了 41.5%。在600ft以后，長笛噴嘴和標準噴嘴平均機械鉆速基本相同，但在前600ft的上白堊紀井段，標準圓形噴嘴牙輪鉆頭平均機械鉆速為 19.6ft/h，V14CEBB長笛噴嘴牙輪鉆頭平均機械鉆速為46.3ft/h，比前者提高了136%。
設(shè)計相關(guān)原理和試驗
流體力學(xué)概念 傳統(tǒng)的軸對稱圓形噴嘴在射流沖擊井底時，僅僅產(chǎn)生軸對稱的正壓噴射流，不能控制其變化，設(shè)計者期望創(chuàng)建一個負壓射流沖擊井底。改動噴嘴內(nèi)孔的幾何形狀，比如出口尺寸和出口速度矢量斜率，使其周期性出現(xiàn)在出口周邊，一部分負壓液泡被下壓，更接近沖擊面，而另一部分液泡會朝著噴嘴出口面被上拉，負壓和渦旋狀液泡會上下起伏波動，在噴射周圍形成旋渦流動。
出口半徑的擾動尺寸、斜率和恰當(dāng)?shù)膬?nèi)孔過渡面設(shè)計想結(jié)合，可使至少一種周期噴射的圓周狀負壓液泡沖擊井底。生成負沖擊壓的出口半徑和角度組合方法有很多種，Vortexx負壓噴嘴基本的結(jié)構(gòu)專利設(shè)計是將一個大的圓形進口逐漸縮小成非圓形出口，過渡部分的橫截面是一條圍繞圓周做周期變化的精確弧線。已經(jīng)證實，噴嘴內(nèi)孔過渡區(qū)域的這種逐漸形成多個肺葉狀弧線的橫截面可以產(chǎn)生負沖擊壓力;非對稱長笛形射流也增強了渦流強度。最初的計算流體力學(xué)參數(shù)研究顯示，傳統(tǒng)的射流形成一種“頂帽”形渦流，大多數(shù)渦旋動力能量局限在兩個區(qū)域：圍繞著主噴射流附近相對稀疏的圓筒形范圍和一種沿著沖擊面薄而短的圓形邊緣區(qū)域。已經(jīng)證明，由于流體的非對稱夾帶作用，非對稱長笛形射流具有遠高于傳統(tǒng)噴嘴的渦流強度，這種高渦流在其周圍不斷變化。射流周圍或平行于對峙面最大量值渦流強度的位置可以通過對噴嘴內(nèi)表面繞圓周幾何形狀的微調(diào)來控制。
在阿莫科鉆井研究實驗室里，PDC鉆頭試驗了一個兩肺葉內(nèi)孔(流體容積)曲面形長笛噴嘴。Security DBS公司進行了使用類似的三肺葉內(nèi)孔長笛噴嘴PDC鉆頭現(xiàn)場試驗，阿莫科鉆井研究實驗室還進行了另一款長笛噴嘴牙輪鉆頭試驗。
噴嘴壓力試驗 對傳統(tǒng)的對稱噴嘴與2～4肺葉非對稱長笛噴嘴進行了水流動形象化研究和壓力測試試驗。圖為傳統(tǒng)噴嘴的正沖擊壓力效果和三肺葉非對稱沖擊壓力測量結(jié)果。這些在低靜壓情況下進行的試驗證實，長笛噴嘴在相當(dāng)一部分沖擊表面(圖4中深凹陷部分)產(chǎn)生了負壓抽吸效應(yīng);深凹陷區(qū)域的位置取決于流體的流速和噴嘴出口的幾何形狀。試驗性壓力測試證實了上述擾動變化的幾何學(xué)噴嘴內(nèi)孔設(shè)計理念，描述了流體力學(xué)的研究設(shè)計。在有限的資源和有限的計算流體力學(xué)研究資料的條件下，這種近期觀察到的流動現(xiàn)象和負壓分布得到了充分驗證。
計算流體力學(xué)研究 計算流體力學(xué)研究是基于各種流體動力學(xué)分析進行的。最初的一系列軸對稱流動性研究試驗得出存在負壓液泡和夾帶數(shù)量，接著，利用一系列三維模型完成2～4肺葉非對稱長笛噴嘴設(shè)計。這些研究對流動區(qū)域全三維非線性Navier-Stokes方程和K-Epsilon渦流封閉系統(tǒng)進行關(guān)聯(lián)。它們最初是用線性有限體積代碼進行評估的。然而，由于渦流和幾何曲線對于研究非常重要，大多數(shù)計算流體力學(xué)研究都是在一個更精確的曲面hp自適應(yīng)有限元系統(tǒng)的指導(dǎo)下進行的。這一專業(yè)的核心出現(xiàn)了錯誤的估計量，它自動純化了網(wǎng)孔或增加了多項式階次來提高精確性。因此，我們大多數(shù)渦流的計算涉及到周邊的、伴隨6-th度多項式函數(shù)的純化網(wǎng)孔解析了K-Epsilon模型。最初，為了簡化條件范圍，定期的引用了對稱性方法，以減少必要的參數(shù)研究時間。研究發(fā)現(xiàn)，在對峙平面上，計算的非對稱負沖擊壓力輪廓與上述列舉的噴嘴壓力完全吻合，標準圓形噴嘴也以三維模型方式驗證了研究設(shè)計與新設(shè)計的效果對比，由于證實了新流動現(xiàn)象可以控制，為負沖擊壓力和最大渦流強度創(chuàng)建一個最適宜的場所，出現(xiàn)了大量的計算流體力學(xué)研究，這些研究目前延伸到包括鉆頭幾何學(xué)設(shè)計的更多領(lǐng)域。
這項基于鉆頭噴嘴的流動水力學(xué)原理研制的，可提升PDC鉆頭和牙輪鉆頭機械鉆速的新技術(shù)已經(jīng)得到了驗證。計算流體力學(xué)模型和試驗研究已經(jīng)證明了幾項新的、創(chuàng)新性噴嘴設(shè)計可以產(chǎn)生負沖擊壓力和高渦流再循環(huán)區(qū)域，區(qū)域位置和范圍可以通過噴嘴內(nèi)孔的幾何學(xué)設(shè)計來控制。現(xiàn)場試驗對比數(shù)據(jù)和鉆井研究室內(nèi)試驗都證明了此項技術(shù)的實際效果——在標準PDC鉆頭和牙輪鉆頭上使用vortexx長笛噴嘴，通常能提高機械鉆速20%至100%以上。
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