PDC取心钻头井底流场的数值模拟研究

以一种现场常用的PDC取心钻头为原型，充分考虑排屑槽和切削齿对于井底流动的影响，建立了与实际相接近的PDC取心钻头井底流场的物理模型。运用k—ε两方程模型，采用线性六面体等参单元对取心钻头井底沈动空间进行划分，用有限元方法对井底流场进行了数值模拟研究。分析了排屑槽和切削齿对PTC取心钻头井底漫流的影响，为合理进行取心钻头的结构设计及水力设计提供了依据和校验方法。     

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。     

中心分区式PDC钻头流场数值模拟

为证实Φ215.9 mm中心分区式PDC钻头具有更好的冷却和携岩性能,根据钻头底部轮廓包络面建立了Φ215.9 mm中心分区式与常规PDC钻头刀翼流道流场模型,对模型大压力梯度区域运用非均匀结构网格技术进行了局部细化,模拟了两种水力结构对井底流场及各流道内流量的影响。结果表明,中心分区水力结构形成的弱连通区域,使各流场区域的流量分配更加合理,并可缓解流体对钻头冠部的冲蚀,有利于流体及时冷却切削齿,减小钻头热磨损可能性,提高携岩能力和降低原生泥包发生概率。PDC钻头采用中心分区水力结构不会增加钻头布齿及刀翼等结构设计和加工制造的难度,并能提高水力效率,推荐在适用PDC钻头地层的中深井段常规钻井和复合钻井中使用。      

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钻头旋转流场与非旋转流场的模拟对比研究

在钻井过程中,当地层较软且含有大量黏度较高的物质时,如果不能及时排出岩屑,容易产生泥包,从而降低钻头钻速。对PDC钻头的旋转流场与非旋转流场进行数值模拟仿真,并通过DPM模型模拟岩屑在井底的运移。研究表明:岩屑的运移轨迹在旋转流场与非旋转流场的环空部位存在明显差异;旋转流场岩屑侵蚀刀翼背部较多,非旋转流场岩屑侵蚀齿面较多;刀翼冠部区旋转流场的速度相比非旋转流场的速度较小,刀翼内锥区旋转流场的速度相比非旋转流场的速度较大。     

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。     

PDC钻头静态及旋转流场数值模拟比较研究

为区别PDC钻头在静止时和不同转速时井底流场的异同,文章运用计算流体动力学方法对PDC钻头分别进行了三维井底静态和旋转流场的数值模拟。分析了静态和旋转流场中井底流速及刀翼表面流速的变化情况,并计算了井底各区域的流体湍动能和流速以及刀翼切屑齿表面的平均流速。分析和计算结果表明,井底流场的数值模拟结果随着转速的变化,对井底和切屑齿的流场分布和变化有一定影响,并且对内锥、冠部、肩部及保径部位的影响趋势各不相同,有必要在PDC钻头水力结构的优化设计中采用旋转流场模拟方法进行研究。     

PDC钻头稳定性技术研究

文章对影响PDC钻头稳定性的回旋振动与扭转振动进行了分析与研究，提出了多种改善PDC钻头稳定性的技术措施，并简要介绍了应用效果。     

PDC钻头在胜利油田的应用分析

全世界已将PDC钻头广泛应用于钻软地层和中硬地层。它具有机械钻速高,钻头使用寿命长,起下钻次数少,井斜控制好以及钻井设备及套管磨损小,钻井费用低等优点。     

用PIV技术测量幂律流体同心环空螺旋流的流场

为研究幂律流体同心环空螺旋流的流动特性,建立了流体的同心环空螺旋流动实验模型。利用PIV(粒子图像测速仪)系统拍摄各种情况下环空螺旋流场中粒子的图像,对数据进行分析处理。结果表明:幂律流体在同心环空管道内做螺旋流动时,流量、流体黏滞性的增大或内管旋转角速度的减小都可以使压力梯度增大;其它条件相同时,压力梯度或流量的增大可以使轴向速度增大,促进紊流发生;压力梯度一定时,黏滞性的减小或内管旋转角速度的增大可以使轴向速度增大,促进紊流发生。将所有工况下实测速度与理论计算速度进行对比,最大相对误差为4.8%,理论与PIV测试实验结果吻合得较好。     

关于PDC钻头形态设计的探讨

针对原有PDC钻头井底流场存在局部流速过大而对钻头表面造成破坏 ,局部流速过小容易产生泥包的问题 ,对原有钻头做如下结构改进 :增加大胫板的长度 ;降低胫板的高度和减小宽度 ;增加小胫板的数量 ,同时减小水槽截面积。对改进的钻头结构建立井底流动模型 ,并进行数值模拟。分析改进结构的流场表明 ,新结构钻头井底流场分布更合理 ,减少了流体对钻头中心区的直接冲蚀 ,有利于延长钻头寿命 ;合理降低切削齿高度后 ,加大了井底漫流区面积 ,提高了切削效率。     

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。     

适合柯柯亚区块的PDC钻头优化设计与现场应用

柯柯亚区块是吐哈油田2009年的主要开发区块之一,针对该区块地层岩石强度高、研磨性高、夹层多、倾角大的特点,优化设计了一种个性化钻头——?215.9 mm七刀翼M433PDC钻头,该钻头拥有浅锥轮廓的冠部形状、螺旋刀翼、高密度布齿、合适的后倾角（10~15°）及灵活性较强的非对称布置喷嘴和深水道布置的水力结构设计等特点。在柯19-10井的试验钻进过程中,在降低钻井周期、提高平均机械钻速（157%）、缩短复杂时效等方面取得了较为理想的效果,达到了降低钻井成本、提高综合经济效益的目的。     

PDC钻头在苏里格气田东区的应用

在苏里格气田东区开发中要始终坚持低成本开发的指导思想下,以PDC钻头应用及优化钻井参数技术为核心大幅度降低了钻井成本,成为苏里格气田控制投资的关键技术之一。文章通过对PDC钻头及优化参数与该区块地层情况相结合而总结了优选PDC钻头技术。通过PDC钻头的应用,真正实现了"优质、安全、高效、低耗"的钻井施工目的,必将推动苏里格气田东区的快速发展。     

PDC钻头井下流动可视化实验研究与冲蚀分析

在自行开发设计的PDC井下射流实验平台上, 通过丝线法和高速摄影手段进行了PDC钻头井下流场结构的可视化实验。发现井下多股射流的流场为不稳定场, 在靠近钻头肩部的流道附近存在强烈的漩涡; 对流场的可视化研究表明破坏钻头的主要因素可能是随漩涡而冲击钻头壁面的岩屑和气相的溃灭冲蚀以及水力设计不合理而造成流道堵塞; 破坏出现的主要位置应是钻头头部多喷嘴之间的区域、喷嘴本身及其周围区域和筋板及流道的逆压力梯度区。因此, 有必要在多喷嘴射流的钻头上加设一中心喷嘴打破井下的涡结构, 以减轻对钻头中心部位的破坏。     

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。     

新型PDC钻头设计与现场试验

为充分发挥PDC钻头在软到中硬地层钻进时钻速高、寿命长的特点,同时减少大尺寸PDC钻头钻进扭矩大的不足,进行了PDC钻头新型结构研究,以提高深井大尺寸井眼钻井速度。针对深井开孔尺寸较大的特点,对PDC钻头几何结构和切削结构进行了分析研究,提出了新型切削结构理论——钻扩型切削结构,该结构特点可降低PDC钻头的破碎功,改变切削力的分布,从而达到提高钻速、减小扭矩的目的。根据该理论设计、制造出的PDC钻头,在上部地层的大尺寸井眼钻进中取得了较好的应用效果,扩大了PDC钻头的应用范围。现场试验结果证明,新型切削结构设计降低了钻进大尺寸井眼的扭矩,合理地分配了破碎能量,提高了钻头稳定性和钻柱的抗振性,降低了钻头回旋趋势,从而达到较高的机械钻速和较好的定向控制。