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。     

适合多夹层地层PDC钻头设计及应用

PDC钻头在钻井破岩中所占的比例越来越大,但在软硬交错的多夹层地层钻进时效果却不理想,常常发生先期损失。针对胜利油田多夹层地层特点进行了PDC钻头的优化设计,开创了钻头切削结构设计新方法,改进了钻头的水力结构设计,采用了多种稳定性结构设计方法。根据该设计制造的一种新型复合式PDC钻头在多夹层地层中取得了较好的应用效果。与牙轮钻头相比,使用新型复合PDC钻头机械钻速高,进尺多,井身质量好,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本有积极的意义。     

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.     

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。     

改进PDC钻头性能的设计方法

在概述了现有PDC钻头的设计和制造情况的基础上, 从机械设计和水力设计 2个方面提出了优化设计PDC钻头和提高PDC钻头性能的方法, 并介绍了新型PDC钻头机械和水力结构设计的特点。实践证明, 利用数字化方法改进PDC钻头的设计比传统的试验方法具有设计周期短、成本低和准确度高的特点, 是一种可取的设计方法。     

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。     

PDC钻头钻井水力参数优选设计探讨

本文从实践和理论两个方面讨论了水力参数对PDC钻头和牙轮钻头机械钻速的影响。在泵功率一定的条件下,PDC钻头的机械钻速对排量更敏感,而泵压对牙轮钻头机械钻速的影响更重要,其原因是钻头结构和破岩机埋不同。通过水力因素的分析,认为井底漫流与射流对机械钻速都有极其重要的作用,最佳水力效果不能仅仅在射流水功率最大时达到,还必须同时考虑漫流的水力作用。作者提出漫流水功率的概念,并以漫流水功率最大为约束条件求取射流水功率的极值,建立了PDC钻头最优排量与泵压的关系式,提出了实用的PDC钻头钻井水力参数优选设计方法。     

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。     

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。     

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.     

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。     

用于含砾石且软硬交错地层的新型PDC钻头设计

PDC钻头用于软到中硬的均质地层钻进具有钻速高、寿命长等特点 ,但不适合含砾石地层和软硬交错地层。鉴于此 ,针对含有砾石和软硬交错地层的特点 ,提出了混合切削结构设计 ,并制造了新型PDC钻头 ,在含砾石的地层和软硬交错地层中取得了较好的使用效果。混合切削结构增强了PDC钻头的使用可靠性和穿越砾石层的能力 ,减轻了切削齿的先期损坏。用 1只新型PDC钻头可以钻成 1口 2 5 0 0m以浅的中深井 ,减少了起下钻次数 ,缩短了建井周期。     

PDC钻头等切削体积布齿优化设计

在PDC钻头切削齿几何描述的基础上,考虑到钻头旋转钻进时因切削齿周向角不同,即切削次序不同而造成的相互覆盖,建立了切削体积的计算方法和利用线性规划进行PDC钻头等切削体积布齿优化设计的方法,并编制了计算机程序。程序设计的实例结果表明,该方法能较大幅度地提高切削体积均匀度。该方法的提出使得PDC钻头优化设计更加系统化、参数化、自动化。     

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。     

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。     

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。     

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。