定向井pdc钻头保径特征对水力效果的影响

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1、定向井PDC钻头保径特征对水力效果的影响摘要：在定向井作业中，保径的设计和配置直接影响着钻头地稳定性、导向性和井眼的质量。其中钻头保径结构对井底水力清洗效果的影响尤为明显。本文利用计算流体力学分析软件Fluent分析软件分析了PDC钻头保径长度和螺旋角度的变化对水力清洗效果的影响。总结出适合定向井的PDC钻头的保径长度和螺旋角度，从而为定向PDC钻头保径参数优化设计提供依据。关键词：保径长度；螺旋角度；计算流体力学；优化设计TheinfluenceofthePDCbitgagecharacteristi

2、cparametersonHydrauliceffectindirectionaldrillingAbstract：Indirectionaldrillingprocess,gagedesignandconfigurationdirectlyaffectsthestabilityofdrillbit,steerabilityandboreholequality.Whereinthegagestructureplaysaveryimportantroleoncleaningeffect.Inthispap

3、er,byusingthecomputationalfluiddynamicsanalysissoftwareFluentanalysissoftwaretoanalyzetheeffectofPDCbitgagelengthandspiralangleonhydrauliccleaningeffect.SummarizingtheSuitablegagelengthandspiralanglefordirectionalPDCbit,whichprovidesthebasisofPDCbitgaged

4、esignoptimization.Keywords:Guagelength;Spiralangle;Computationalfluidmechanics;Designoptimization在定向钻井中，技术和实践上要求钻进的稳定性，钻速，导向性，耐用性和井眼质量的最优化。保径的设计和配置直接影响着钻头地稳定性、导向性和井眼的质量。保径设计对PDC钻头性能的影响，尤其是对在定向钻井中的影响，争议由来已久[1]。增加保径块宽度使接触表面积增大，能提升扭矩的功效但也带来了水力问题，横截面面积的减少会提高

5、流速，同样也会对岩屑排除造成障碍。现在一般采取螺旋角度控制保径的接触面积，排屑槽的面积保持不变，保径接触面积增加，解决了清洗效果和扭矩功效的冲突。本文以60mm长度保径的保径为例，分析螺旋角度是15°，30°和45°的水力效果。增加保径块的长度可以提高钻头的侧向稳定性，尤其在定向井中，增加保径块长度会提高扭矩，扭矩的增加并不意味着钻头不稳定，扭矩稳定表明钻头稳定。但增加保径块长度会降低钻头的导向性，增加保径块长度可能会使流体速度和携岩能力减弱。以螺旋角度30°为例，分别分析保径长度为60mm，80mm，

6、100mm时水力效果。为了使结果具有可对比性，保径的外径都为216mm，内径为160mm。保径块的宽度和厚度都相等。1．模型的建立以螺旋角度为15°，长度为60mm的保径为例进行建模。利用Proe画图软件设计保径的三维几何模型(如图1所示)，然后导入到Gambit中进行井壁的建模和网格划分(如图2所示)。本节进行数值实验是为了做定性分析，不做定量分析。鉴于实际情况中钻井液经过喷嘴的流速非常高，且井底和保径之间的距离很短，定向井和直井的差别不大，则建立直径井筒模型。所建模型内部流场假定条件为[2]：1)流

7、场为静止流场，不考虑旋转；2)入口处流体速度均与；3)出口处的流体流动稳定均匀。流场为稳定的不可压缩湍流流场，模型选用中的表达式。(1)图1保径模型图图2井壁和保径模型图假定工作排量为30L/s，入口条件设定为：m/s，m/s，m/s。出口压力设为10MPa。介质选为水。2．计算结果分析2.1保径长度不变，螺旋角度变化对水力的影响当保径的长度为60mm时，螺旋角度是15°，30°和45°的流体速度分布分别如下(a)，(b)，(c)所示。(a)(b)(c)图3不同螺旋角度的保径流体速度分布图当保径的长度为

8、60mm时，螺旋角度是15°，30°和45°的流体动态压力分布分别如下(a)，(b)，(c)所示。(a)(b)(c)图4不同螺旋角度的保径动态压力分布图由上图可以得出，随着螺旋角度的增大，保径内流体的速度和动态压力是逐渐变大的。螺旋角度是15°时，保径排屑区域内的最大流体速度为27.9m/s，最大动态压力为，而当螺旋角度为45°时，两者的值分别为40.3m/s和。这是由于保径的螺旋角度越大，对流体的阻挡作用越明显，容易在保径块的排屑空间形成