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。     

?660.4mm牙轮钻头水力结构的改进与现场试验

现有牙轮钻头在使用过程中存在井底和钻头的水力清洗条件差,以及钻进速度慢等问题。为此,在牙轮钻头水力结构设计原则的基础上,研制了?660.4 mm新型水力结构牙轮钻头。采用1个中心喷嘴、3个侧喷嘴和3个中间喷嘴对该牙轮钻头进行了多喷嘴水力结构设计,采用ANSYS软件进行了井底流场数值模拟分析。分析结果表明:7喷嘴水力结构改善了射流井底流场,扩大了射流冲击面积,提高了液流压力梯度,能有效地清洗牙齿及牙轮表面,防止钻头泥包。现场试验中,在相同条件下,试验的6只钻头平均机械钻速提高38.4%,单只钻头进尺平均提高29.2%。试验结果表明:新型水力结构钻头设计合理,具有良好的推广应用前景。     

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。     

利用冲击压力优选水力参数

钻头水马力、冲击力及喷射速度是优选喷射钻头水力参数的通用标准。本文提出了一个基于最大冲击压力理论的新的改进标准与技术,并介绍了一种定量评价钻头水力参数的方法。冲击压力是钻井液分布在井底受冲击面上的动量变化。这种向下及向侧面作用的力力图克服岩屑的压持效应,排除钻头下面的岩屑。当钻头压降为泵压的45-80%时,产生最大冲击压力。而产生最大冲击压力所需钻头压降百分数取决于泥浆流动性能、喷嘴数目、喷嘴截面积及其长度。以往的试验表明,采用加长或封堵喷嘴就可提高钻速。应用冲击压力概念可定量地说明,加长或封堵喷嘴钻头的水力参数要比普通喷嘴钻头的水力参数好。从冲击压力和压差对比中也可得出钻头水力参数与转速的关系。     

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。     

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。     

矩形喷嘴对PDC钻头井底流场影响的研究

如何才能让PDC钻头的水力能量将清洗井底和冷却钻头的作用充分发挥,这一直是水力结构设计需要考虑的问题。本文先分析了矩形喷嘴的射流特性,得到了射流轴心动压力衰减规律和横向动压力分布规律及横向动压力梯度分布规律,通过CFD仿真软件CFX对PDC钻头井底流场进行了模拟,将矩形喷嘴和圆形喷嘴对比,分析得知喷嘴位置在等速核长度内,矩形喷嘴更有利于清除岩屑和冷却钻头。     

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。     

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文章运用CAD软件Pro/E,对Φ152.4 mm球形单牙轮钻头的几种喷嘴组合所形成的井底流场建立了3 D模型，并应用软件ANSYS对流场模型进行分析。研究了喷嘴的结构参数对井底流速、井底压降的影响。提出了井底流场效果的评判：①较高的井底压降；②较小的涡旋；③较大上返速度。从多种喷嘴组合中找出能够形成最好净化井底流场的喷嘴组合。指出在其它条件不变的情况下，上、下喷嘴直径比为0.5时，井底流速和井底压力降最大；而当上、下喷嘴直径比不变，L=75 mm时，井底流速和井底压力降最大。建议在单牙轮钻头水力系统设计时上、下喷嘴直径保持上小下大，直径比0.50左右，L取75 mm左右时可以获得较大的井底流速、井底压力降以及较小的井底涡旋；喷嘴出口处的设计时尽量做到圆滑过渡。     

喷射钻井井底水力能量近似计算方法

本文在湍流射流理论的基础上,通过室内单股水射流的多次实验,提出和验证了射流轴心速度及径向速度的计算模式,并进一步推导了一组井底水力参数的近似计算式,可供定性分析及对比井底水力参数时参考。文中还讨论了缩短喷距可以提高射流作用到井底的能量问题,可供改进喷射钻头喷嘴布置时参考。     

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。     

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。     

加长喷嘴牙轮钻头使用效果分析

近几年，大庆、胜利等国内十几家油田大面积推广使用加长喷嘴钻头情况表明，长喷嘴钻头机械钻速提高２０～３５％，进尺提高１５～２０％。文中总结了近几年来长喷嘴钻头的现场使用情况和使用经验，对长喷嘴钻头井底水力特性进行了简要分析，并针对长喷嘴钻头在现场使用中出现的一些问题提出了几点建议。     

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。     

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。     

矩形喷嘴PDC钻头水力性能研究新方法

为了量化研究矩形喷嘴PDc钻头的水力性能,以5刀翼、布置6个矩形喷嘴的PDC钻头为基础模型,建立了流域模型,将岩屑建模为从切削齿表面射人流场的固相颗粒,采用计算颗粒追踪法对固相颗粒进行了追踪,同时使用岩屑运移速度比C_t作为钻头性能评价的参数。分析结果表明,井底岩屑运移是三维不规则运动,沿程存在碰撞与反弹,在岩屑从井底向环空出口运动的过程中,速度逐渐减小;相同条件下,矩形喷嘴钻头的C_t大于圆形喷嘴钻头的C_t值,且随长宽比的增大而增大,与圆形喷嘴钻头相比,矩形喷嘴钻头的水力性能更好;对于同一钻头,1.0mm岩屑的C_t值最大,当粒径小于1.0 mm时,C_t随岩屑尺寸的增大而增大,当粒径大于1.0 mm时,C_t随岩屑尺寸的增大而减小。     

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。     

喷射钻头井底流场特性的研究与应用

文章介绍了喷射钻头井底流场的研究情况,其中包括:井底场液流流向、井底液流压力、井底排屑量、井底场环空速度、不等径喷嘴组合钻头的水力侧向力、喷嘴合理射流角度的实验观测,有数据、有分析、有现场试验应用情况。     

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。