脉冲射流提速配套PDC钻头流场数值模拟研究

为了最大限度地发挥脉冲式井底交变流场提速工具的性能,采用数值模拟的方法对与提速工具配套的PDC钻头进行研究,模拟钻井液通过其产生的井底交变流场,研究了钻头刀翼类型、刀翼数量和喷嘴数量对钻井液井底冲击力和井底清岩效果的影响,并对钻头结构进行了优选。研究结果表明:螺旋刀翼、7喷嘴、6刀翼钻头产生的脉冲射流具有较高的平均静压冲击力和井底冲击力振幅; 6直刀翼6喷嘴钻头对应的井底动压冲击力波动最大,达到7. 0 kN以上,5直刀翼7喷嘴钻头对应的井底静压冲击力波动最大,为2. 8 k N; 5直刀翼5喷嘴钻头的清岩效果最好,其产生的井底最小岩屑质量浓度和平均岩屑质量浓度最低,且井底岩屑质量浓度的波动幅值最大,达到1. 6 kg/m~3;对于软到中硬地层,配合使用脉冲式井底交变流场提速工具,选择5直刀翼5喷嘴PDC钻头清岩和携岩效果较好;对于硬地层,选用6直刀翼6喷嘴PDC钻头提速效果较好。所得结论可为脉冲射流钻井提速工具配套PDC钻头结构设计及应用提供参考。     

定向喷嘴PDC钻头井底流场特性研究

对PDC钻头水力结构的优化是控制泥包生成和发展的有效手段。基于计算流体力学理论,针对PDC钻头在使用过程易产生泥包的问题,建立了带有侧向射流喷嘴的PDC钻头井底结构的物理模型,采用k?ε双方程模型封闭N?S湍流方程,使用SIMPLEC算法对该条件下的物理模型进行数值模拟计算,并定性研究了井底流场特性及刀翼表面速度、压力分布特征。研究结果表明:侧向射流形成新的射流区,减小了井底漩涡的覆盖面积,对井底清岩能起到积极作用;在侧向射流带动下,刀翼切削面的剪切力、压力梯度增大,利于抑制泥包的成长和冷却刀翼,提高钻头性能。该结论为PDC钻头水力结构的优化提供了新的思路。     

叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究

为提高PDC钻头钻进水平段时的井底射流辅助破岩能力,开展了叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究。利用k-ε双方程标准湍流模型,对叶轮式旋转射流流场进行了数值模拟,并采用旋流强度和流量系数评价了射流破岩能力。数值模拟结果表明,叶片扭曲角为115°~140°、直柱段无因次长度为0.6~0.8、收缩角为60°~70°时,流量系数和旋流强度可取得最佳值,射流破岩能力最强。根据不同喷距下的旋转射流破岩试验结果,分析了叶轮式旋转射流喷嘴的破岩特性,结果表明,同压降下叶轮式旋转射流破岩直径是普通直射流的近3倍,且喷距在7~11倍喷嘴出口直径时破岩直径最大。研究结果表明,叶轮式旋转射流喷嘴的破岩能力优于普通直射流喷嘴,且通过优化叶轮式旋转射流喷嘴几何参数可提高其破岩能力,加强井底清岩和辅助破岩效果,提高PDC钻头的破岩效率。      

喷嘴直径匹配对PDC钻头流场特性影响

在石油钻井过程中,PDC钻头利用水力射流的能量进行破岩和清岩,而中心喷嘴与外围喷嘴直径的变化将直接影响井底流场特性。文章利用三维建模和数值模拟软件,建立了PDC钻头实体模型,并将其导入数模软件,分析215.9 mm PDC钻头喷嘴直径对井底流场的影响规律。模拟结果表明,当中心喷嘴直径为12.70 mm时,外围喷嘴直径为8.74~11.13 mm能使PDC钻头井底流场最优。而当外围喷嘴直径为11.13 mm时,中心喷嘴的直径应大于或等于11.13 mm才适合PDC钻头流场。利用该研究结论,可以辅助PDC钻头设计,提高钻头水力能量的利用率进而提高机械钻速。     

PDC钻头定向喷嘴井底流场数值模拟

为提高定向喷嘴PDC钻头清洗井底的效果,最大限度地减少钻头泥包的形成。利用计算流体力学理论和数值模拟方法,建立了定向喷嘴PDC钻头的物理模型,并确定了定向喷嘴PDC钻头的物理模型参数,对定向喷嘴和定向喷嘴PDC钻头的井底流场特性进行了分析。结果表明:在定向喷嘴的结构参数中,双流道的直径组合与侧向流道的倾角是影响流量分配的主要因素,侧孔倾角为45°时,既能满足流量分配的要求,又便于加工;定向喷嘴侧向射流将回流限制在新冲击区的上方,减小了井底漩涡区域,与漫流层的叠加补偿了其能量损失,刀翼切削面处的低速区也变小,对井底清岩起到较好的作用,有利于抑制泥包的形成。定向喷嘴与常规水力结构设计相结合可以在预防和清除PDC钻头泥包方面发挥自身的优势,达到提高机械钻速的目的。      

水平井PDC钻头井下颗粒流数值模拟研究

针对深层页岩气水平井钻探过程中,岩屑运移效率低导致钻头泥包的问题,采用CFDDEM耦合方法,对水平井PDC钻头井底流场进行数值模拟。研究了不同条件下井底流场岩屑运移情况,提出用岩屑滞留量和岩屑运移比来评价PDC钻头井底流场的携岩性能。研究结果表明:在井底PDC钻头区域,钻井液排量越小,岩屑在钻头心部区域的窜流越明显;钻井液的窜流与流量大小无关,主要与钻头水力结构有关;在环空区域,钻井液排量越小,重力作用越明显,重力是井底出现岩屑床的主要因素;旋转体力可使岩屑从低速流层跃迁到高速流层,从而获取轴向运移动能,随高速钻井液排向出口;钻井液排量和旋转均会影响岩屑滞留量和岩屑运移比。研究结果可为后续水平井PDC钻头携岩问题研究提供参考。     

旋切式PDC钻头水力结构优化

旋切式PDC钻头比常规PDC钻头的结构更复杂,工作原理也比较特殊,常规的数值模拟方法不能全面描述旋切式PDC钻头水力结构及井底流场特性。鉴于此,采用标准k-ε模型和离散相模型(DPM)对旋切式PDC钻头井底流场进行仿真模拟,并对钻头的水力结构进行优化设计,对优化前后旋切式PDC钻头的井底流场进行对比分析。研究结果表明:刀盘形状的改变有利于工作流体的流动,可以降低刀盘附近岩屑颗粒的质量浓度;采用带有曲率的喷嘴可以增强旋切式PDC钻头刀盘区域的井底清洗效果;当采用曲率为1/50的喷嘴时,刀盘区域的井底清洗效果最好;当采用中心喷嘴直径12. 0 mm和边缘喷嘴直径8. 8 mm的组合方案时,旋切式PDC钻头的清洗和携岩能力达到最优。研究结果对未来页岩气开采方式的研究具有一定的指导意义。     

装有脉冲喷嘴的PDC钻头井底流场模拟

脉冲射流具有流体脉动特性,应用在钻井作业中,能起到较常规射流更为明显的辅助破碎岩石和清洗井底岩屑的作用。运用计算流体动力学技术,采用雷诺平均Navier-Stokes方程和κ-ε湍流模型,对装有脉冲喷嘴的PDC钻头进行井底流场数值模拟,分析脉冲射流压力波动变化、脉冲射流辅助破碎井底岩石性能以及在PDC刀翼上流体湍流运动的力学性质和脉动情况。模拟结果表明,脉冲射流作用于PDC钻头,能够在一定程度上增强射流辅助破碎岩石、井底岩屑运移和PDC切屑齿的清洗、冷却效果。该项研究成果可为装有自激励振荡脉冲喷嘴的全尺寸PDC钻头进行井底流场的水力特性室内及现场试验提供一定的参考。     

基于DPM模型的双级PDC钻头流场特性研究

针对双级PDC钻头领眼钻头井眼空间上返的钻井液与扩眼钻头井底流场相互干扰的问题,通过在分流传力总成上增加级间喷嘴形成了一种新的双级PDC钻头水力结构。基于FLUENT软件中的DPM模型,模拟计算了井底钻井液流速、井底压降及井底岩屑质量浓度分布,证实了级间喷嘴对于流场改善的有效性,并在此基础上分析了级间结构对双级PDC钻头井底流场的影响规律。仿真结果表明:级间喷嘴倾角为75°时钻井液清洗效果相对较好;领眼钻头与扩眼钻头的刀翼位置应尽量重叠,这样形成了自下而上的流动通道,利于岩屑的快速上返;领眼钻头与扩眼钻头级间段长增大到40 mm时,级间喷嘴的抽吸作用最显著而后逐渐减弱;领眼钻头与扩眼钻头喷嘴流量比值的增大,提高了领眼钻头井底流场清洗效率,降低了扩眼钻头井底流场清洗效率,领眼与扩眼体喷嘴间最佳流量分配比例为5∶5。研究结果可为双级PDC钻头的水力结构设计及井底流场特征研究提供理论依据。     

PDC钻头水力学研究最新进展

以近年来国内外钻头水力学研究的文献为基础,论述了PDC钻头的水力学参数、井底流场和水力结构优化研究的最新进展,提出了研究中存在的问题和今后研究的方向。分析可知,PDC钻头水力参数的优选,趋向于使用较高的排量和较低的泵压;PDC钻头井底流场的模拟已逐渐由二维、单喷嘴的流动数值模拟发展到三维、旋转、非对称多喷嘴的流动数值模拟;钻头井底流场和试验已有机结合起来;PDC钻头井底流场的模拟,仍以清水为介质,没有考虑钻井液的黏度、井底岩屑和井底温度等对流场的影响。PDC钻头水力学研究仍处于一个定性阶段,对PDC钻头水力学状态的量化是今后研究工作的重点。     

PDC钻头防泥包性能数值模拟研究

为量化研究水力因素对PDC钻头防泥包性能的影响规律,针对现场常用PDC钻头建立了三维流域模型,将岩屑视为从井底面射入流场的球状颗粒,基于CFD离散相模型(DPM)对固相颗粒运动进行追踪,将钻头体DPM边界条件设置为"trap(捕获)",用岩屑颗粒捕获率作为泥包概率的评价参数。数值模拟发现,岩屑颗粒在井底流场中的输运是沿程存在碰撞与反弹的不规则三维运动;当岩屑颗粒粒径小于1.0 mm时,其捕获率随粒径增大而减小;当岩屑颗粒粒径大于1.0 mm时,其捕获率随粒径增大而增大;喷嘴尺寸从8.0 mm增大至16.0 mm,岩屑颗粒捕获率逐渐增大;与五喷嘴相比,七喷嘴的岩屑颗粒捕获率更小;相对于不等径喷嘴组合,等径喷嘴组合方式情况下的岩屑颗粒捕获率更小。研究结果表明,岩屑颗粒捕获率随喷嘴尺寸增大呈线性增大,随喷嘴数量增大呈线性减小,随刀翼宽度增大呈线性增大,随刀翼高度增大呈线性减小。基于DPM的钻头井底流场数值模拟为PDC钻头防泥包性能研究提供了新的思路,可以为钻头防泥包设计提供理论指导。      

定向喷嘴布置对PDC钻头齿清洗能力的影响

PDC钻头齿的清洗能力对PDC钻头破岩和清岩影响很大,定向喷嘴则有利于钻头齿的清岩,研究定向喷嘴的布置具有重要意义。使用数值模拟的方法研究了定向喷嘴数量、孔径、喷速等因素对PDC钻头齿清洗效果的影响。研究结果表明,5喷嘴的PDC钻头齿清洗能力较强;钻头齿清洗能力随喷嘴孔径增大而增强;喷射角小的喷嘴射流流场不利于流体向上举升岩屑。将定向喷嘴优化并配合常规水力结构设计可以在PDC钻头预防和清除泥包方面发挥自身的优势,最终达到提高机械钻速的目的。     

领眼与扩眼双级PDC钻头井底流场数值模拟

针对领眼与扩眼双级PDC钻头,利用FLUENT有限元软件进行了井底流场数值模拟,得到了四刀翼双级PDC钻头与六刀翼双级PDC钻头井底的速度场、压力场特征。仿真结果表明,领眼钻头刀翼上的内侧切削齿由于低速滞留区的存在导致表面钻井液流速较低,清洗效果较差;从领眼钻头井底上返的钻井液流过阶梯状环空井眼台阶处时出现压力波动。对比两种双级PDC钻头仿真结果,四刀翼双级PDC钻头领眼体与扩眼体井底水力能量分配更加均衡,同时领眼空间与扩眼空间均形成了较大的轴向压差,更加利于钻井液携岩上返。领眼钻头的井眼尺寸、领眼钻头与扩眼钻头喷嘴的过流面积配比对于双级PDC钻头的井底流场有着较为明显的影响。     

抽吸式微取心PDC钻头的研究与应用

常规PDC钻头切削产生的粉状或片状岩屑颗粒不便于地质录井,对此提出了一种新型抽吸式微取心PDC钻头。该抽吸式微取心PDC钻头取消了常规PDC钻头心部的主切削齿,设置特殊的水力结构,使钻头心部在钻进过程中形成一定直径的竖直岩心并适时折断,通过负压抽吸作用将断的微岩心从钻头体内部流道带离井底。结合破岩仿真与液固两相流理论,研究了在岩心、岩屑与钻井液混合流动的流场中,射流喷嘴直径的大小对取心通道中抽吸效果的影响规律。数值模拟结果表明,对于拟定条件下钻头直径为215.9 mm的微取心PDC钻头,当射流喷嘴直径为8 mm时,从排心孔排出的岩心、岩屑和钻井液的质量较高,其负压腔的抽吸效果较好。室内及现场试验表明:采集的岩心以柱状为主,岩心完整性和采集率高;在磨溪111井位嘉陵江组二段3亚段至长兴组上部地层,获总进尺805.65 m,平均机械钻速为4.57 m/h,最高机械钻速可达7.4 m/h;该钻头在嘉陵江组二段3亚段至飞仙关组一段(总进尺742 m)的机械钻速比该区块同层位的其他常规PDC钻头高出了50%以上。     

牙轮-PDC复合钻头井底流场CFD模拟研究

牙轮-PDC复合钻头是对硬地层采用碾压与刮切相结合破岩的一种新型钻头,随着其结构形式及破岩方法的改变,需要对其井底流场进行研究并提出新的水力结构设计。运用计算流体动力学理论,采用标准κ-ε模型以及封闭N-S湍流方程对某型复合钻头的井底流场进行了数值模拟计算,并分析了井底压力及流速、PDC刀翼齿面和牙轮体表面流速。研究结果表明,复合钻头设计原型的水力结构存在一定缺陷,可通过合理设计钻头体中心位置结构、调整中心喷嘴射流角度以及调整2个边喷嘴的设计来加以改进。     

井底反向射流辅助破岩机理分析

采用有限元方法模拟分析了井底反向射流辅助破岩的机理,分析结果表明,反向射流抽汲井底流体,降低了作用于井底的压力,使得岩石易于破碎,岩屑的净化效果改善,而且抽汲作用在井底诱使流体定向流动,也强化了井底岩屑的启动,使新的岩石破坏面暴露,钻头的破岩钻进效率提高。随着反向射流速度、射流轴线速度与井底平面间夹角和喷嘴直径的增大、喷嘴数量的增多以及井眼直径的减小,反向射流对井底流体的抽汲作用逐渐增强,作用于井底负压的绝对值逐渐增大,也越有利于提高钻井速度。研究结果为实际应用提供了理论依据。     

����������������������һ���

喷射钻井能够提高钻井速度主要是充分利用喷嘴射流的水力能量来源理岩屑和破碎岩石。脉冲射流喷嘴的瞬时冲击动压力和瞬时速度大，它的轴心瞬时冲击动压力比普通连续射流提高１．７倍，岩心冲蚀体积的提高２倍。所以，脉冲射流消除和减小了井底岩屑压持效应，使整个井底形成了不墨守成规和不均匀的压力分布。从而有效地净化井底和破碎岩石，现场应用中提高了钻井速度。     

基于CFX的PDC钻头水力结构优化方法研究

应用CFD仿真软件CFX对PDC钻头的井底流场进行了模拟,并对该流场进行了流道流量分配及压力、速度等方面的分析,结果表明现有钻头模型水力结构存在一定的缺陷。根据PDC钻头水力结构优化原则,对现有钻头模型喷嘴的位置、喷射角度进行了调整,并将调整后的PDC钻头井底流场与原始钻头模型的井底流场进行了对比。结果表明,调整后PDC钻头的井底流场已经得到明显的改善。