PDC钻头水力结构优化设计专用软件研究

利用计算流体动力学技术优化PDC钻头水力结构是一种经济有效的手段。通过对PDC钻头在井底的三维流场数值模拟,考虑喷嘴布置的不同位置、间距及喷射角度等因素的影响,研究流体在井底的流动特性及井底净化机理,优化PDC钻头的水力结构。从工程设计便捷、高效的原则出发,以VB.NET为工具对Phoenics软件进行二次开发,建立专用平台,对不同工况条件下的PDC钻头进行数值模拟。     

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。     

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。     

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。     

CFD在PDC钻头水力结构优化设计中的应用

PDC钻头水力结构优化设计的目的在于有效地清除井底岩屑和冷却牙齿,用计算流体动力学(CFD)方法,对其在PDC钻头水力结构优化设计中的应用进行了阐述。在提出PDC钻头水力结构优化设计原则的基础上,对φ311·2mm(1241)英寸GS605P型PDC钻头的三维流场进行了数值模拟,发现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。事实证明,利用计算流体动力学技术,优化PDC钻头的水力结构设计是一种经济而有效的手段。     

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。     

转速对轴流式PDC钻头井底流场影响

PDC钻头在钻进深井过程中,由于钻井液上返速度慢及井底压力大,使得井底岩屑难以上返,从而堆积在井底形成泥包,对钻进效率产生极大影响。为了提升钻进效率,基于轴流泵原理,在PDC钻头保径向上10 mm处设计了轴流泵叶片。该叶片随钻头旋转,给予井底流体向上升力,增加井底钻井液上返速度,降低井底压力。使用Fluent DPM模型对轴流式PDC钻头的井底流场进行数值模拟分析,结果为：随着钻头转速增加,(1)井底射流区、漫流区和上返区钻井液流速增加,出口区域流速也增加;(2)井底压力逐渐减小,刀翼切削处压力逐渐增大,钻头在井底的切向力变化较弱;(3)井底颗粒质量浓度、保径区域颗粒质量浓度和上返区域颗粒质量浓度逐渐降低。     

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。     

新型PDC钻头井底流场数值模拟与优化

为了提高在某些硬岩和研磨性地层钻进效率,减少井底岩屑堆积,基于传统PDC(聚晶金刚石复合片)钻头进行了结构调整,无中心喷嘴,设置三个轴向夹角为20°的斜喷嘴孔,改变六刀翼分布。利用数值模拟分析方法,采用SST k-ω模型,对PDC钻头射流流场特性进行研究,分别对井底、喷嘴、刀翼表面射流流速和压力梯度进行了数值分析。在此基础上,对其水利参数再次优化,并对不同参数的PDC钻头井底流场进行分析对比。结果表明,钻头喷嘴直径越小,直射点速度越大,越利于破岩,但水力能量过于集中,高速漫流无法充分覆盖井底,不利于清洗岩屑;轴向夹角度数在20°～30°时,钻头喷嘴轴向夹角度数变大,直射点速度变化不大,但钻头肩部涡旋减少,上返区域速度提高,有利于岩屑快速排出井底,刀翼表面不易产生泥包;当钻头喷嘴直径在24～28 mm,喷嘴轴向夹角度数在25°～30°时,该PDC钻头水力情况最佳。     

PDC钻头表面流场的数值模拟

用数值方法解非牛顿流体流动的控制方程来研究PDC钻头表面的泥浆流动,以81/2“钻头为实例计算了钻头表面的流场和压强分布,计算结果和实际情况基本符合.其方法对PDC钻头的布齿设计有实用价值.     

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。     

基于UG平台的三牙轮钻头CAD系统研究

文章以UG为开发平台,采用参数化设计思想开发了一套三牙轮钻头CAD系统。进行了牙轮钻头CAD系统结构及开发原理研究,并针对实例运用参数设计及特征造型的基本原理,对牙轮钻头牙轮、牙齿及齿槽进行了造型,同时实现了牙轮与牙齿的装配以及三个牙轮的虚拟装配。该系统界面简洁直观、操作方便、具有良好的人机交互及可扩充性和移植性。本研究为进一步实现在UG平台下开发更加完善的三牙轮钻头CAD系统提供了研究基础。     

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.     

PDC钻头破岩仿真系统离散化方法研究

PDC钻头和岩石的离散化技术是PDC钻头钻进仿真系统的关键技术之一。介绍了虚拟PDC齿、虚拟井底和虚拟井壁的离散化方法,分析、对比了PDC齿不同离散化方法的优缺点,研究了虚拟PDC齿、虚拟井底和虚拟井壁表面上各离散点坐标的计算模型,并在Matlab环境下实现了钻进仿真系统几何模型的可视化。为利用数字仿真技术研究复杂钻进条件下PDC钻头与岩石的互作用关系奠定了基础     

潜孔钻头结构参数与井底流场关系研究

在勘探钻井过程中，QF-Ⅱ型潜孔钻头井底流场分布不合理，存在排屑能力差，对井壁冲蚀破坏严重等缺点，制约了该潜孔钻头在现场的应用。为此，以QF-Ⅱ型潜孔钻头为原型，充分考虑了钻头排屑槽和切削齿对井底流场的影响，建立了与实际相接近的潜孔钻头井底流场物理模型。在计算流体力学软件Fluent中将CAD模型转换为相应的CFD井底流场模型，运用k-ε两方程模型，对钻头喷嘴不同位置、不同直径、不同倾角时的井底流场进行了数值模拟研究。这些结构参数直接影响井底流场分布及流体的排屑能力，在研究中把这些参数作为钻头结构优化设计的重点，找到了钻头喷嘴不同结构参数条件下对井底流场的影响机理，为合理进行潜孔钻头的结构设计及水力设计提供了依据和校验方法。     

应用CFD软件模拟Φ115 mm涡轮钻具机械特性

应用CFD软件对涡轮钻具组的内流场进行了分析研究，重点讨论了模拟压降和扭矩。考虑容积损失和摩擦损失的影响，采用三元流动设计理论，用粘性流体代替理想流体，用湍流代替层流，研究跨叶片的流场及其流体与叶片的相互作用，计算压降的理论预测值与实测值非常接近，修正后的模拟扭矩基本等于对应转速下的实测值，模拟总效率曲线也与实测曲线基本吻合。通过模拟，获得了较详细的内流场数据，揭示了内流场与外特性之间的关系，进一步说明CFD的有效性，对改进涡轮机械性能指明了途径。     

重油催化裂化反应历程数值模拟Ⅱ.重油催化反应历程数值模拟

采用流动反应耦合模型模拟了提升管反应器内的重油催化裂化过程。结果表明，重油催化裂化反应主要发生在喷嘴附近，在该区域有45％（质量分数，下同）的重油转化为汽油和柴油。在距喷嘴12m处，重油转化率达到70％左右；随着管内反应区与喷嘴之间距离的增加，汽油产率逐渐上升，但距喷嘴12m以远的反应区内，汽油产率基本保持不变。从汽油组成的变化来看，汽油中烯烃的质量分数随着提升管内反应区与喷嘴之间距离的增加一直处于下降趋势，由喷嘴区域的60％降至提升管出口位置的42％左右；汽油中烷烃含量则一直呈增加趋势，而汽油中环烷烃和芳烃含量变化较小。