不等压力流场钻头研制成功

不等压力流场钻头,是采用加长喷管,采用一只散射型中心喷嘴,安装有一只起抽吸作用的向上的反喷嘴组成的一种三牙轮新型钻头。该钻头共试制十只,在川东地区试用中与同型常规三牙轮钻头对比,机械钻速平均提高40%,钻井成本每米下降34.08元。     

牙轮钻头内部流场的一种测试方法

牙轮钻头内部流场可以用五孔探针测量法进行测量，测量结果对指导钻头流道和喷嘴的设计以及钻头内部流场的数值模拟具有重要的现实意义。     

新型牙轮钻头喷嘴可降低钻井成本

由于影响牙轮钻头性能的因素很多,所以在已知的应用中确定哪种牙轮钻头设计是最佳设计,能够获得最低钻井成本,是很困难的。但是,在大多数应用中,提高机械钻速来减少钻井成本是主要的考虑因素。一种新型的钻头设计概念已经引导开发成功了新型的牙轮钻头,其采用超越的水力喷嘴设计,大大地提高了机械钻速。 根据在美国,北海,意大利和阿曼用6(1/2)英寸,8(3/4)英寸,9(7/8)英寸和12(1/4)英寸IADC437,517和537的原型设计钻头进行的现场钻井情况,机械钻速已提高了20％～40％。第二代设计在1:1的钻井实验室的试验中,机械钻速提高了70％。     

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。      

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。     

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。     

高速滑动轴承三牙轮钻头的研制与探讨

目前的ＸＨＰ系列钻头只适合于高钻压，低转速的工作参数下作用，而现场为了提高钻井速度，降低成本和提高经济效益，往往要求提高钻头的使用转速，显然，ＸＨＰ系列钻头的轴承寿命与此不相适应。为此，开发了能适应高速转速工作参数下保持较长寿命的高速滑动车承钻头。     

优化三牙轮喷射钻头的冲洗结构

提高钻头工作的技术经济指标是钻井的一个主要问题。实践证明,合理配置钻头的冲洗结构可使钻头机械钻速和进尺平均提高30％～50％。     

粒子冲击钻井钻头喷嘴流场数值模拟研究

为了考察粒子冲击钻井过程中,粒子流经钻头喷嘴的加速过程和流场分布规律,应用Fluent对粒子进入喷嘴后的流动进行数值模拟研究。运用标准κ-ε双方程模型,对双锥度喷嘴粒子射流流场进行仿真模拟,分析了射流压力、围压、粒子直径和粒子质量浓度等因素对粒子射流流场的影响。结果表明,粒子射流加速主要发生在喷嘴收缩段,在等速核前缘速度达到最大。粒子喷射速度和单位时间内通过喷嘴的粒子动能随射流压力增大而增加;粒子浓度越大,单位时间内通过喷嘴的粒子动能越大,破岩效率升高,但粒子浓度过大会导致其流动性差,反而不利于破岩。因此,粒子浓度对其冲击破岩效率的影响主要取决于破岩过程中哪种因素起主要作用。     

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。     

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。     

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。     

流道强化三牙轮钻头

针对三牙轮钻头的流道在高泵压、大排量、组合喷嘴和高固相泥浆条件下钻井时，易发生流道冲蚀破坏，流道强化三牙轮钻头利用现有钻头将牙掌喷嘴座孔的入口倒成圆角，在流道易冲蚀部位刷镀一层高堆积镍，从而提高了流道的耐冲蚀能力，延长了钻头的工作寿命，基本满足了当前强化钻井的要求。     

刮刀钻头喷嘴直径对井底流场的影响研究

在充分考虑钻头喷嘴直径对井底流场影响的基础上,建立了与实际相接近的刮刀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,对刮刀钻头不同喷嘴直径的井底流场进行了数值模拟研究,得到了刮刀钻头喷嘴直径与井底流场的关系,为设计排屑能力强、对井壁冲蚀破坏小的新型刮刀钻头提供了理论依据.     

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。     

内倾式侧喷嘴钻头井底射流流场初探

提出了柱座标下三维紊流流场控制方程，并用有限差分法进行数值模拟。探讨了强化井底漫流的措施，认为内倾式侧喷嘴可以较大幅度地提高井底漫流强度。吐哈油田深井钻井实践表明，３１１．１ｍｍ三牙轮钻头采用新型内倾式侧喷嘴后，机械钻速平均提高４３．９９％。     

B9M型金刚石复合片刮刀钻头井底流场研究

以现场应用的B9M型刮刀钻头为原型,建立了与实际相接近的刮刀钻头井底流场物理模型.用计算流体力学软件Fluent将CAD模型转换为相应的CFD井底流场模型,运用k-ε二方程模型,对刮刀钻头的井底流场进行了数值模拟研究,发现B9M型刮刀钻头的井底流场分布比较合理,主要表现在井底流场漫流层的有效横扫面积大,井底漫流层速度高,使得刮刀钻头井底流场的清岩能力强,有利于提高钻头的排屑能力.     

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。     

牙轮钻头YG11硬质合金中心喷嘴真空扩散焊试验

为了制造内腔造型复杂的牙轮钻头增长扩散型中心喷嘴，研究了ＹＧ１１硬质合金的真空扩散焊。着重探讨了加中间工艺央层镍时，焊接温度、压力、时间等工艺参数对焊缝质量的影响，并确定了获得优质焊缝的最佳工艺参数，为制造增长扩散型中心喷嘴提供了试验数据。现场试压和耐冲蚀试验表明，用真空扩散焊制造的喷嘴焊缝强度为钎焊焊缝的２倍，在１２ＭＰａ泵压下无刺穿现象，能满足钻井现场的使用要求。     

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.