相比常规圆形内孔的喷嘴，在PDC钻头和牙轮钻头上使用特殊内孔面过渡的非对称长笛喷嘴,可以提高至少20%以上机械钻速。Vortexx公司采用一种独特的喷嘴内孔几何面过渡变化的设计思路，开发一种与标准圆形喷嘴正冲击力相反的、负冲击压力的喷嘴，以增加涡流喷射。对于在地下钻井来说，负冲击压力能使冲击表面的压力减少至流体静力学的压力。“长笛喷嘴”使流体的体积增加了4～5倍，拖带出的流体形成喷射，在钻头面周围产生更多的再循环流体和岩石面反对抗力，喷射周围的峰值涡流强度显著增加。

　　1996年2月，俄克拉荷马州塔尔萨的阿莫科钻井研究实验室进行了室内试验，从钻压和喷嘴的选择上，测定当时的设计在Cattusa页岩中用于PDC钻头和牙轮钻头时的机械钻速。用一只PDC钻头，在相同流速、相同大范围钻压变化下，长笛喷嘴机械钻速增加了100%以上，平均机械钻速提高了69%;接下来，用一只牙轮钻头在同转速和流速，且相同大范围钻压变化下，将3个标准12/32in的圆形喷嘴与一个交替摆放的V12CLBA型长笛喷嘴进行了对比试验，长笛喷嘴在最低和最高钻压的机械钻速分别提高10%和60%，平均机械钻速提高了29%，通过更换不同类型的喷嘴，现有的钻头设计也能提高29%的机械钻速。

　　现场试验对比

　　3年中，长笛喷嘴已在不同地层、多个不同种类井口进行了超过4000小时的大范围现场试验(最长井下钻时138小时)，总进尺超过250,000ft，证实了在标准PDC钻头和牙轮钻头上使用长笛喷嘴能显著提高机械钻速。除另有说明，下述地区试验的机械钻速都参照了国际钻井承包商协会(以下简称IADC)的相关数据，包括长笛喷嘴的下井次数，最差机械钻速的数值等。

　　PDC钻头现场试验 最初的3口直井试验于1993年～1996年，在美国德克萨斯州布拉索斯县进行，实验数据与之前同地区同条件但采用标准圆形喷嘴所打井口数据对比。这组井的试验结果表明，用最早设计的长笛喷嘴，平均机械钻速提高了22%，去除其中一只长笛喷嘴出现的钻速提升40%的异常值，钻速最慢的是为对比圆形喷嘴钻头设置的一只长笛喷嘴钻头;近期在美国德克萨斯州Panloa县的Carthage油田打的3口直井获得大量对比数据：全部的3只相同PDC钻头钻遇地层、深度及钻井条件完全相同，装有长笛喷嘴的钻头比另两只装有标准圆形喷嘴的钻头在平均机械钻速上提高40.3%。

　　另一批对比试验用4种不同厂家配装标准圆形喷嘴的PDC钻头，与配有Vortexx长笛喷嘴的PDC钻头在同一地层的钻井数据进行对比。通过在 Grimes县同一口井里打一对旋转的和滑行的水平分支井得出数据，长笛喷嘴旋转钻进的机械钻速高出了23.4%，而滑行钻进方式机械钻速高出了 25.6%，平均机械钻速提高了28%。

　　牙轮钻头现场试验 加拿大阿莫科泛石油公司(PCPL)和雪佛龙石油公司牙轮钻头的现场试验9口井结果，平均机械钻速提高了48%。试验在沙特阿拉伯Sharjah油田 Shuaiba纯度较高的石灰岩地层中一口水平井进行，用配V19CEBB型长笛喷嘴和标准喷嘴的牙轮钻头，伴随随钻测井(LWD)下井——这是迄今测试长笛喷嘴效果最好的井下钻具配置。在相同泥浆流速、转速和大致相同的平均泥浆比重情况下，同一个井眼，标准喷嘴牙轮钻头50小时钻进883ft，紧接下入的长笛喷嘴牙轮钻头用时33.5小时，且多进尺625ft。从LWD的地层孔隙度数据看，长笛喷嘴牙轮钻头所钻的地层孔隙度数值从之前平均6.7%突降至 3.3%，一般来讲，在这种情形下钻头机械钻速会大大降低，然而，配有长笛喷嘴的牙轮钻头获得了一项相比IADC机械钻速数值提高了约5.6%，而LWD 井底旋转机械钻速提高了10.1%。图1给出了标准喷嘴牙轮钻头测量深度钻进的机械钻速和地层孔隙度的变化曲线。

　　孔隙度曲线显示，对于标准喷嘴牙轮钻头，机械钻速与孔隙度没有多大关系，而对长笛喷嘴牙轮钻头，两者增减趋势相一致，长笛喷嘴清洗井底比标准喷嘴效果更好。通常，机械钻速提高10%并不多，但这里的数据是随钻测井(LWD)在Vortexx长笛喷嘴牙轮钻头钻进一段更致密的低孔隙度地层时测出，则具有可比性。

　　在加拿大的奥尔德森油田进行了另一组牙轮钻头实验。钻头穿过页岩、砂岩和石炭纪等5组地层，试验1和试验2下入了标准喷嘴牙轮钻头，试验3和试验5下入了 V10CEBB型长笛喷嘴牙轮钻头，而试验4下入了一只标准超短圆形喷嘴的牙轮钻头。最初的16404ft钻压和转速基本一样，标准超短喷嘴牙轮钻头打出了2只标准喷嘴牙轮钻头的进尺，图2显示了两种喷嘴牙轮钻头钻进性能的曲线，从上部地层开始钻进，总进尺2713ft，长笛喷嘴牙轮钻头(上部曲线)比标准超短喷嘴牙轮钻头(下部曲线)平均机械钻速高了19.8%，而长笛喷嘴牙轮钻头比标准超短喷嘴牙轮钻头延伸钻进的进尺数据没有包括在这个试验中。

　　在Viking地层之前，最初16404ft的钻压、机械钻速、地层和流速的波动被认为是一个比较合理的性能对比井段。长笛喷嘴牙轮钻头平均机械钻速 89.1m/h，超过了标准超短喷嘴牙轮钻头平均74.6m/h，相当于长笛射流喷嘴平均机械钻速提高了19.5%。

　　图3显示了两种喷嘴牙轮钻头机械钻速的对比曲线，试验1和试验2标准喷嘴与试验3和试验5长笛喷嘴的两条试验曲线，包括最大深度，长笛喷嘴(红色曲线)与标准喷嘴(蓝色曲线)有着相同趋势和对峙的距离，前16404ft数据表明，长笛喷嘴比标准喷嘴平均机械钻速提高了50%，穿过了3个地层，配有长笛喷嘴的F07牙轮钻头平均机械钻速89.1m/h，标准喷嘴牙轮钻头平均机械钻速56.9m/h，前者比后者平均机械钻速提高了56%。

　　美国密西西比州Heidelburg油田牙钻头直井试验中，钻头从上白垩纪地层的顶部开始钻进了1150ft，长笛喷嘴牙轮钻头平均机械钻速提高了 41.5%。在600ft以后，长笛喷嘴和标准喷嘴平均机械钻速基本相同，但在前600ft的上白垩纪井段，标准圆形喷嘴牙轮钻头平均机械钻速为 19.6ft/h，V14CEBB长笛喷嘴牙轮钻头平均机械钻速为46.3ft/h，比前者提高了136%。

　　设计相关原理和试验

　　流体力学概念 传统的轴对称圆形喷嘴在射流冲击井底时，仅仅产生轴对称的正压喷射流，不能控制其变化，设计者期望创建一个负压射流冲击井底。改动喷嘴内孔的几何形状，比如出口尺寸和出口速度矢量斜率，使其周期性出现在出口周边，一部分负压液泡被下压，更接近冲击面，而另一部分液泡会朝着喷嘴出口面被上拉，负压和涡旋状液泡会上下起伏波动，在喷射周围形成旋涡流动。

　　出口半径的扰动尺寸、斜率和恰当的内孔过渡面设计想结合，可使至少一种周期喷射的圆周状负压液泡冲击井底。生成负冲击压的出口半径和角度组合方法有很多种，Vortexx负压喷嘴基本的结构专利设计是将一个大的圆形进口逐渐缩小成非圆形出口，过渡部分的横截面是一条围绕圆周做周期变化的精确弧线。已经证实，喷嘴内孔过渡区域的这种逐渐形成多个肺叶状弧线的横截面可以产生负冲击压力;非对称长笛形射流也增强了涡流强度。最初的计算流体力学参数研究显示，传统的射流形成一种“顶帽”形涡流，大多数涡旋动力能量局限在两个区域：围绕着主喷射流附近相对稀疏的圆筒形范围和一种沿着冲击面薄而短的圆形边缘区域。已经证明，由于流体的非对称夹带作用，非对称长笛形射流具有远高于传统喷嘴的涡流强度，这种高涡流在其周围不断变化。射流周围或平行于对峙面最大量值涡流强度的位置可以通过对喷嘴内表面绕圆周几何形状的微调来控制。

　　在阿莫科钻井研究实验室里，PDC钻头试验了一个两肺叶内孔(流体容积)曲面形长笛喷嘴。Security DBS公司进行了使用类似的三肺叶内孔长笛喷嘴PDC钻头现场试验，阿莫科钻井研究实验室还进行了另一款长笛喷嘴牙轮钻头试验。

　　喷嘴压力试验 对传统的对称喷嘴与2～4肺叶非对称长笛喷嘴进行了水流动形象化研究和压力测试试验。图为传统喷嘴的正冲击压力效果和三肺叶非对称冲击压力测量结果。这些在低静压情况下进行的试验证实，长笛喷嘴在相当一部分冲击表面(图4中深凹陷部分)产生了负压抽吸效应;深凹陷区域的位置取决于流体的流速和喷嘴出口的几何形状。试验性压力测试证实了上述扰动变化的几何学喷嘴内孔设计理念，描述了流体力学的研究设计。在有限的资源和有限的计算流体力学研究资料的条件下，这种近期观察到的流动现象和负压分布得到了充分验证。

　　计算流体力学研究 计算流体力学研究是基于各种流体动力学分析进行的。最初的一系列轴对称流动性研究试验得出存在负压液泡和夹带数量，接着，利用一系列三维模型完成2～4肺叶非对称长笛喷嘴设计。这些研究对流动区域全三维非线性Navier-Stokes方程和K-Epsilon涡流封闭系统进行关联。它们最初是用线性有限体积代码进行评估的。然而，由于涡流和几何曲线对于研究非常重要，大多数计算流体力学研究都是在一个更精确的曲面hp自适应有限元系统的指导下进行的。这一专业的核心出现了错误的估计量，它自动纯化了网孔或增加了多项式阶次来提高精确性。因此，我们大多数涡流的计算涉及到周边的、伴随6-th度多项式函数的纯化网孔解析了K-Epsilon模型。最初，为了简化条件范围，定期的引用了对称性方法，以减少必要的参数研究时间。研究发现，在对峙平面上，计算的非对称负冲击压力轮廓与上述列举的喷嘴压力完全吻合，标准圆形喷嘴也以三维模型方式验证了研究设计与新设计的效果对比，由于证实了新流动现象可以控制，为负冲击压力和最大涡流强度创建一个最适宜的场所，出现了大量的计算流体力学研究，这些研究目前延伸到包括钻头几何学设计的更多领域。

　　这项基于钻头喷嘴的流动水力学原理研制的，可提升PDC钻头和牙轮钻头机械钻速的新技术已经得到了验证。计算流体力学模型和试验研究已经证明了几项新的、创新性喷嘴设计可以产生负冲击压力和高涡流再循环区域，区域位置和范围可以通过喷嘴内孔的几何学设计来控制。现场试验对比数据和钻井研究室内试验都证明了此项技术的实际效果——在标准PDC钻头和牙轮钻头上使用vortexx长笛喷嘴，通常能提高机械钻速20%至100%以上。