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。      

PDC钻头旋转喷嘴流场特征仿真研究

PDC钻头的固定式喷嘴对于改善钻头井底流场、抑制漩涡区的发展、防止钻头泥包等方面的作用有限。建立具有旋转喷嘴的PDC钻头的数值仿真模型，分析旋转喷嘴数量、喷嘴自转速度、钻头转速对PDC钻头井底漩涡场的影响规律。结果表明：旋转喷嘴较固定式喷嘴能够有效抑制钻头井底漩涡场的发展；随着旋转喷嘴数量的增加，钻头井底漩涡区面积占比是减小的；随着旋转喷嘴自转速度的增加，钻头井底漩涡区面积占比呈先减小后增加的趋势，存在最优的喷嘴转速值；钻头转速对于旋转喷嘴条件下PDC钻头的井底漩涡场影响较小。     

旋转PDC钻头试验台的研制

PDC钻头流场分析实验通常局限于单喷嘴射流实验或者现场试验研究，文章介绍了旋转PDC钻头试验台的结构、流场可视化结构及相关设备，以及信号从旋转系统传送至静止系统的光电转换信号的原理及方法。该试验台能较好地完成旋转PDC等钻头井底可视化研究，以及钻头表面流场的测试验证等功能。     

PDC钻头超高压射流特性与喷嘴设计

运用计算流体力学方法,对PDC钻头超高压射流流场进行数值模拟研究,并对喷嘴进行设计。结果表明,超高压喷嘴自由淹没射流符合轴对称射流性质,流场与常规射流流场结构一致,分为初始段、过渡段和基本段;超高压喷嘴自由淹没射流存在等速核,等速核长度为7.5倍喷嘴直径;超高压射流喷距设计为4倍喷嘴直径,有利于提高超高压射流破岩能力。现场试验结果表明,超高压PDC钻头配合井下增压器使用可以大幅提高机械钻速。     

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。     

超高压射流辅助钻井技术研究进展

近年来,中国石油大学(北京)针对射流式井下增压器和超高压双流道PDC钻头先后开展了相关理论研究,并取得了突破性进展.综述了截止目前研究中重要的研究成果,包括射流式井下增压器增压原理和公式、射流换向元件水力结构特性(附壁特性和切换特性)、超高压双流道PDC超高压喷嘴结构设计、超高压射流辅助机械齿联合破岩机理,上述四项研究成果丰富和发展了超高压射流理论和PDC钻头超高压射流破岩机理理论,为射流式井下增压器今后的研究和优化奠定了重要的理论基础.     

实体PDC钻头流场数值模拟

为了从微观上分析PDC钻头的流场．从而优化PDC钻头的水力结构设计，利用计算流体动力学技术，对一只实体PDC钻头的三维流场进行了数值模拟。模拟中考虑了钻头的切削齿和射流喷嘴对流场的影响。流场的网格划分采用局部加密的混合网格形式，保证了计算精度和运算速度的要求。流场的三维模拟结果揭示了钻头的低速区、回流区和滞流区域。为钻头水力结构优化分析奠定了理论基础。     

组合射流PDC钻头试验研究

为了将不同射流方式应用于PDC钻头以改变井底流场,并给钻头提供设计依据,通过数值模拟和室内试验分析了反向射流对井底流场的影响规律,并对旋转射流的破岩能力进行了评价。结果表明:PDC钻头加装反向射流喷嘴之后,钻头破岩部位压力降低,并且压降随着反向射流喷嘴距钻头底部距离的增大而减小,随反向射流流量的增大而增大,上部钻井液液柱压力对压降影响不大;在相同压降或排量下,旋转射流较普通直射流有更好的破岩能力。根据试验结论研制出了反向射流与旋转射流组合的PDC钻头,并在坨747井进行现场试验。结果表明,坨747井采用组合射流PDC钻头后,与采用普通PDC钻头的邻井相比,钻速提高40%以上。这表明,将反向射流和旋转射流组合应用于PDC钻头,可以明显提高机械钻速。      

一种适用于普通PDC钻头的新型超高压流道设计

为了突破井下水力增压器只能与特制钻头配套使用的局限性,进行了适用于普通PDC钻头的新型超高压流道设计。根据高压管压力损耗计算,设计了新型分流结构,确定了导流管直径和长度;通过超高压水射流分析,优化了喷嘴结构、喷嘴圆锥段收缩角、喷嘴尺寸参数;通过室内系统测试,验证了不同压力下各部件及连接处的密封性能。由理论分析得知,分流机构上端的理论壁厚下限为3.1 mm,综合考虑施工流量和压力影响,设计超高压管道直径8 mm,配合高压软管长度400 mm,高压水射流喷嘴最大流量系数下的收缩角为13°,高压喷嘴出口段圆柱段的长度选取喷嘴出口直径的2~4倍。现场试验表明,新型超高压流道使平均机械钻速提高71.95%。研究得出,超高压双流道直联式流道系统的分流装置、导流装置、超高压喷嘴满足了现场作业要求,井下增压器直接与普通PDC钻头配合使用拓宽了其应用范围。      

粒子冲击钻井钻头内流道冲蚀特性研究

粒子钻头喷嘴及内流道水力参数设计、冲蚀规律及防冲蚀和耐磨损研究对粒子冲击钻井技术的成败至关重要。通过理论分析、数值模拟及试验研究相结合的方法,设计了粒子钻井用射流喷嘴及流道结构,研究了粒子钻头内流道冲蚀特性,并提出了粒子钻头内流道防冲蚀和耐磨措施。研究结果表明,粒子钻头采用等径12 mm锥直型双喷嘴组合,内流道收敛段和加速直线段长度分别为37和60 mm,喷嘴入口直径25 mm,收缩角半角10°;粒子钻头内流道由于过流断面突变存在多个低压漩涡区,可能导致内流道空蚀磨损,而冲蚀磨损主要在内流道底部,可通过倒角直径变大和内流道镀镍表面强化处理措施解决;钻头内流道最大冲蚀磨损率不到1%,冲蚀磨损较轻,说明内流道结构设计合理。     

非对称多喷嘴平底钻头井底三维流场数值模拟

全面考虑三维、旋转、非对称多个喷嘴射流等多种因素,对垂直和倾斜射流分别进行了数值模拟,并详细分析了井底和钻头间各面上的数据。布置了非对称分布的4个喷嘴射流,明显地改善了井底流动状况。喷嘴倾斜射流能更好地加强井底流体的携带能力,彻底清除滞流或回流。但须注意在钻头表面上布齿时要避开涡,以减少流体对齿的冲蚀.     

非对称多喷嘴平底钻头井底三维流场数值模拟

全面考虑三维、旋转、非对称多个喷嘴射流等多种因素,对垂直和倾斜射流分别进行了数值模拟,并详细分析了井底和钻头间各面上的数据。布置了非对称分布的4个喷嘴射流,明显地改善了井底流动状况。喷嘴倾斜射流能更好地加强井底流体的携带能力,彻底清除滞流或回流。但须注意在钻头表面上布齿时要避开涡,以减少流体对齿的冲蚀.     

PIV技术在PDC钻头外部流场研究中的应用

根据PIV系统的性能特点和测量的技术要求 ,建立了PDC钻头流场测试实验系统 ,系统由PIV系统、PDC钝钻头及井底流动系统、配套的储水罐、离心泵、压力表和流量计等组成。在模拟PDC钻头井底流场的条件下 ,对PDC钻头 4个喷嘴的射流流场进行了测试。测试数据与三维流场计算机数值模拟结果的对比表明 ,偏差在误差允许的范围内 ,两者相吻合 ,数值模拟结果得到测试结果的验证 ,可以确认建立的数值模型及计算方法的可信度。     

三牙轮三喷嘴钻头井底射流辅助破岩机理分析

由于井底射流辅助破岩的复杂性，其室内模拟试验和理论分析均有较大难度，所获得的结论多以经验性的、定性的解释为主，还未能建立能用于实际的、确定有效的理论。为此，采用有限元方法模拟分析了三牙轮三喷嘴钻头井底射流流场，结合井底岩石应力状态和岩屑启动机制的分析，探索了井底射流辅助破岩的机理。研究结果表明，三牙轮钻头三个喷嘴直径的不同，致使井底流场高压区和低压区并存，钻头旋转，带动流场局部低压区周期性地覆盖井底，使得岩石破碎强度和岩屑启动的难度降低，钻头的破岩钻进效率提高。喷嘴间直径差别的增大，使得井底流场高压区和低压区之间的压差增大，钻井机械钻速提高。研究结果与现场试验结论一致。     

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。     

喷嘴孔径对PDC钻头井底流场影响的数值分析

根据实际PDC钻头结构．建立了2个不同孔弪四喷嘴PDC钻头模型，研究了喷嘴孔径对井底漫流特性的影响及漫流层高度和最大漫流速度。分析了流场的总体特点．得出了喷嘴孔径对PDC钻头井底流场的各种影响。     

PDC钻头水力结构优化设计研究

在PDC钻头工作过程中，钻井液对钻头体表面的冲洗、冷却和润滑是保证钻头正常工作的一个非常重要的条件。对PDC钻头而言，水力结构（主要是中心水眼和冠部水道）设计的重要性尤其突出。以前,对钻头水力系统研究只能通过实验的方法进行,研究周期长、成本高、结构调整不方便，而数值模拟的方法在几年前还不成熟，甚至静态的复杂结构流场问题基本无法解决。为此，在提出PDC钻头水力结构优化设计原则的基础上，对PDC钻头的三维流场进行了数值模拟。模拟中考虑了钻头的喷嘴布置位置、直径、数量以及切削齿对流场的影响。计算结果表明，原设计在喷嘴布置位置和喷射角度上存在不足，以此为基础进行了水力结构的优化设计。文中的研究成果成功地应用在新型钻头水力结构的设计中，研究方法为PDC钻头水力结构优化分析奠定了理论基础。     

旋转钻头射流方式对井底流场影响的数值剖析

为研究射流方式对旋转钻头井底流场的影响,对三维、旋转、非对称布置多个喷嘴的钻头进行了多种射流方式的数值对比模拟,并进行了详细的数据分析和讨论。模拟结果表明,射流方式对漫流层厚度影响不大但对井底的清岩能力有明显影响,同角度倾斜射流产生的井底结构在计算范围内比其它射流方式要好。     

斜喷嘴的作用机理和应用效果

斜喷嘴是继中长、加长和中心喷嘴之后的又一种高效喷嘴。它能产生速度更高及有效作用面积更大的漫流,有效地解除井底岩屑垫层和钻头泥包,显著提高机械钻这和单只钻头进尺。本文研究了斜喷嘴射流清洗作用的机理,介绍了斜喷嘴结构和性能,通过中原、吐哈、江苏等9个油田的广泛使用,结果证明,斜喷嘴钻头平均机械钻速提高12%~37%,单只钻头进尺可提高10%~24%,效益十分明显。这一成果填补了国内空白。     

内倾式侧喷嘴钻头井底射流流场初探

提出了柱座标下三维紊流流场控制方程，并用有限差分法进行数值模拟。探讨了强化井底漫流的措施，认为内倾式侧喷嘴可以较大幅度地提高井底漫流强度。吐哈油田深井钻井实践表明，３１１．１ｍｍ三牙轮钻头采用新型内倾式侧喷嘴后，机械钻速平均提高４３．９９％。