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。     

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。     

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。     

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。     

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钻头刀翼优化设计研究

Φ76三翼PDC钻头在钻井试验中,钻进速率有了明显的提高,但也有堵塞喷嘴、排屑不畅等情况发生,影响了钻井效率的提高。基于PDC钻头理论和计算流体力学原理,对钻头刀翼形状进行优化,设计出新钻头,并运用Fluent软件进行井底流场模拟分析,得到刀翼形状对井底清洗的影响规律。提升了钻头的井底清洗返屑能力,提高了Φ76三翼PDC钻头的性能。     

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。      

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。     

六刀翼多夹层PDC钻头井下流场的模拟与设计

为了深入分析PDC钻头的流场,从而优化PDC钻头的水力结构设计,利用计算流体力学技术,对六刀翼多夹层PDC钻头实体的三维流场进行了数值模拟。模拟直观地显示了钻头水眼设计存在的水力能量分配不均问题和流场的流动情况。流场的三维模拟结果揭示了CFD技术对钻头水眼位置和安装角度设计的影响。     

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.     

潜孔钻头井底流场数值模拟研究

以QF—Ⅱ型潜孔钻头为原型,充分考虑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模型,采用计算流体力学软件Fluent对钻头井底流场进行了数值模拟研究。分析认为,该潜孔钻头导致井底流场分布不合理的原因在于喷嘴安放位置太靠近钻头边缘。随后对喷嘴位置向钻头中心靠拢后的改型钻头进行了井底流场分析,认为喷嘴位置向钻头中心靠拢,有助于提高井底流场的清岩能力,减小井底流场对井壁的冲蚀破坏程度,为合理进行潜孔钻头的结构设计提供了理论依据。     

井下双级串联式水力旋流器数值模拟与实验

利用Euler-Euler法与大涡模拟相结合对井下双级串联式水力旋流器的分流特性和分离特性进行研究,并与实际实验结果相对比。结果表明：入口流量由20 m³/d增加到60 m³/d时,总分流比的范围逐渐变大,且第一、二级水力旋流器的溢流口流量之比与总分流比的变化关系是函数关系;在一定范围内,底流含油质量浓度随着入口流量的增大先减小后增大,随着总分流比的增大先减小后增大;入口流量为25~50 m³/d且总分流比为0.28~0.75时,底流含油质量分数不大于200×10^-6;数值模拟预报的分流特性与实验结果一致,预报的分离特性与实验结果存在一定差异。该模拟解决了文献[23]提出的监测模型难以用于配带双级串联式水力旋流器井下油水分离系统工况诊断的问题,并给出了井下工况调节时总分流比的推荐范围,从而可以为现场应用提供一定指导。     

微小井眼单牙轮钻头井底流场研究

利用Fluent软件对微小井眼单牙轮钻头井底流场进行数值模拟,结合喷射钻井射流理论,对钻头井底流场进行研究。结果表明,钻头旋转加强了牙轮一侧与钻头旋转方向同向的漫流,同时削弱了牙轮另一侧与旋转方向逆向的漫流;单牙轮钻头排屑槽流道方向为右旋,不利于井底岩屑的上返;采用适当的小直径喷嘴能有效提高井底漫流层的漫流速度,有利于增强井底漫流层的清岩能力;逆着钻头旋转方向适当地改变喷嘴倾角,井底有效漫流面积有所提高;顺着钻头旋转方向改变喷嘴倾角弱化了井底流场的清岩能力。     

旋转超高压双流道PDC钻头流场数值模拟研究

基于计算流体力学理论,针对旋转条件下超高压双流道PDC钻头的流场进行了数值模拟研究。结果表明,在旋转条件下超高压双流道PDC钻头的流场与不旋转时井底流场相似,也可以分为4个区域,即冲击区、漫流区、漩涡区和上返区;但是随着钻头的旋转,井底流场部分水力特性发生了改变。该结论在超高压双流道PDC钻头的水力结构设计方面起到了重要作用,同时也为今后的钻头结构设计提供了新的研究手段。     

PDC钻头流场数值仿真与水力结构优化

针对φ311.15mm(121/4英寸)井眼采用复合钻进时存在的岩屑量大,钻头处存在重复破碎等问题,在前人研究的基础上,对某区块常用的φ311.15mmPDC钻头进行了水力结构分析与优化。通过数值模拟,得到了钻头表面速度矢量图、喷嘴中心剖面速度矢量图及刀翼表面速度矢量图,并在此基础上确定了水力结构优化方案。仿真结果表明,改进后涡心与射流区的距离增加,漩涡边界流体切入到漫流层中并附壁上返,漩涡强度减弱,漫流区厚度与速度增加,携岩能力提高,清洗与冷却能力增强。     

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。     

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。     

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。