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。     

PDC钻头井底流场CFD仿真及二次开发

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。文章通过对PDC钻头在井底的三维流场进行数值模拟,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。从工程设计的便捷、高效原则出发,以VB．NET为工具对Phoenics软件进行二次开发,建立专用平台,更方便地对不同工况条件下的PDC钻头进行数值模拟。     

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。     

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钻头水力结构优化设计准则及方法探讨

影响钻头性能的因素主要有切削齿结构设计、切削齿技术,水力因素是对钻头性能有显著影响的因素.文章利用计算流体动力学(CFD)技术,通过分析PDC钻头各流道的流量分配、井底速度与压力分布、各刀翼近剖面的漩涡等情况,使钻头水力部分的设计更为合理,从而改善钻头性能.到目前,还没有一个合适的评价PDC钻头水力结构和井底流场优劣的标准,文中根据地层岩石可钻性与岩屑生成机理的不同,分别针对软硬地层,就钻头水力结构优化设计准则给出了一个初步定性的评判标准,为今后PDC钻头水力结构优化提供一定的依据.     

初探PDC钻头水力参数选择

作者在大庆、华北等油田参加过PDC钻头试用工作。本文对试用中PDC钻头所产生的冲蚀现象进行了详细的分析,认为PDC钻头不能沿用喷射钻井的水力参数,不能用类同于牙轮钻头的钻进参数。在分析的基础上,提出了PDC钻头水力参数选择的基本原则。     

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。     

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。     

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。     

推广使用PDC钻头

本文介绍PDC钻头几年来在我国使用情况及PDC钻头结构特点,同时分析了PDC钻头在我国深井钻井中的经济效益。最后提出PDC钻头钻井措施及今后在国内推广使用的几点意见。     

PDC钻头破岩试验系统研制

钻头质量的优劣、与岩性和其他钻井工艺条件是否相适应等,影响着钻进速度、钻井质量和钻井成本.针对相应地层优化钻头设计参数,研制了钻头破岩试验系统.该系统采用液压装置给定钻压和转矩,计算机自动检测、控制并保存相关参数,能够真实模拟和分析钻井破岩机理,为钻头的优化设计提供试验数据.试验表明,该系统测试准确、性能可靠,应用前景广阔.     

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。     

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钻头在中原油田的应用与发展

通过对1988～2001年PDC钻头在中原油田应用的统计分析,以及新旧型号的PDC钻头在中原油田的使用对比、利用电测曲线优选PDC钻头,论述了PDC钻头在中原油田的应用与发展.中原油田PDC钻头钻进的机械钻速和单只钻头的进尺逐年提高,说明了PDC钻头制造工艺技术、选型和现场使用均有较大的发展;由于PDC钻头能较大幅度地提高机械钻速,从而降低钻井的综合成本,必将有广阔的应用前景.     

PDC钻头的"低转速-高钻压"钻井参数模式及应用

分析PDC钻头的特性及其机械钻速与钻压和转速间的关系，认为钻压和转速有最佳参数组合；选择的使用参数，既要有利于保护钻头又要提高机械钻速，且在其推荐参数范围内。在钻头清洗和冷却充分的情况下，PDC钻头的工作参数范围应该是一个连续区间，并且．随着转速的增大，允许施加的最大钻压变小。PDC钻头的钻井参数模式除“高转速-低钻压”模式外，还有“低转速-高钻压”和“中转速-中钻压”模式。“低转速-高钻压”模式主要适用于钻进中硬到硬地层：在毛坝1井中，成功应用了PDC钻头的“低转速-高钻压”钻井参数模式．其效果优于相邻井段复合钻进的效果。     

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。     

基于ABAQUS的PDC钻头参数化布齿与破岩仿真

近年来PDC钻头在结构与类型上均发生了较大变化,这对布齿设计提出了更高的要求,而合理的布齿设计是保证PDC钻头使用寿命的关键。为此,提出了一种基于ABAQUS的PDC钻头参数化布齿设计与破岩仿真方法。该方法通过编写Python脚本代码对ABAQUS内核程序进行控制,可以自动读取数据库中PDC钻头的几何参数,实现PDC钻头的参数化布齿;快速完成模型网格的自动划分、接触对的自动设置以及载荷与速度等条件的定义等,简化了PDC钻头切削齿与岩石的破岩仿真模型的建立过程,实现仿真结果的输出与保存,方便对布齿模型破岩性能进行分析。通过与常规建模方法建立的布齿模型进行对比分析,证明了采用该方法建立布齿模型的正确性;对仿真结果中的扭矩进行了分析,并与前人试验结果进行对比,证明了仿真模型的正确性。采用该方法可大幅度提高布齿设计和破岩分析效率,缩短PDC钻头的研发时间。