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《pdc钻头流场数值仿真与水力结构优化》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、石油机械2010年第38卷第8期CHINAPETROLEUMMACHINERY1专题研究*PDC钻头流场数值仿真与水力结构优化11112祝效华邓福成贾彦杰童华许建民(1西南石油大学机电工程学院2中油长城钻探工程有限公司)摘要针对31115mm(121英寸)井眼采用复合钻进时存在的岩屑量大,钻头处存在重4复破碎等问题,在前人研究的基础上,对某区块常用的31115mmPDC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
2、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。关键词PDC钻头水力结构刀翼喷嘴CFD翼布置位置及喷嘴角度参数,改善了井底流场水力0引言能量分布,减小了局部漩涡。改进措施可以有效减少甚至避免重复切削,减缓钻头局部磨损,延长钻在我国中部、东部、东北和浅海油气田的钻探头使用寿命。与开发中,31115mm(121英寸
3、)井眼的钻进4工作量通常占全井钻进工作量的60%以上,覆盖1计算模型井段一般从500~3000m。在该井段中,目前通常使用单弯螺杆钻具配合PDC钻头复合钻进技术进11模型建立与网格生成笔者选用31115mm井眼常用的某型PDC钻行防斜打快,复合钻进机械钻速较高,产生的岩屑量大,钻头处存在重复破碎,严重影响钻进效率和头为研究对象,其三维模型及喷嘴布置如图1a所PDC钻头的使用寿命。钻井液对PDC钻头体表面示,钻头喷嘴结构参数如表1所示。根据该PDC的有效清洗、冷却和润滑是保证钻头正常工作的重钻头底部
4、轮廓包络面和钻头水力结构建立其流场模型,并采用非均匀结构网格技术对其进行网格划要条件,其水力结构(主要指中心水眼和冠部水道的空间安放位置和结构参数)在很大程度上决分,对大压力梯度网格区域,即喷嘴出口周围流道定了钻头寿命。及钻头冠部进行局部网格细化,计算网格如图1b所示。近年来,随着计算流体动力学(CFD)的飞速发展,国外的主要钻头生产厂家逐步开始利用计算流体动力学数值模拟技术对PDC钻头水力结构进行分析与优化设计。国内学者也对PDC钻头水力[1-3]学研究进行了探索。笔者在前人研究的基础上,对某区块常用的
5、31115mm(121英寸)复4合钻PDC钻头进行了水力结构分析与优化。在现场常用泵压条件下,通过数值模拟,优化设计了图1钻头三维模型与喷嘴布置及流场有限元网格PDC钻头喷嘴组合和布置方案,确定了合理的刀*基金项目:国家自然科学基金资助项目气体钻井钻具与井壁的碰摩机理及量化评价方法研究!(50804040)。2石油机械2010年第38卷第8期表1钻头喷嘴结构参数!T涡团粘度系数。喷嘴喷嘴直径/喷射角/圆周角/基点半径/涡团粘度系数!T的形式为:序号mm(∀)(∀)mm
6、21号12724-174767!T=C#(5)2号14325109762将式(1)~式(5)联立后组成封闭方程组。3号1272419743标准方程中的相关常数为:C#=009、C1=4号14325-32674144、C2=190、∀=13。5号14325-96790PDC钻头内外环空流场可视为稳定的不可压缩中心1号14310-134213湍流流场,钻头流场入口流量取50L/s,环境压力中心2号1431245305取15MPa,钻井液密度为13g
7、/cm3,动力粘度为12流动控制方程与边界条件003Pa∃s,钻头表面和井壁按固壁无滑移边界条件控制流体流动的基本定律是质量守恒定律、动处理,即相对速度为0,忽略钻头旋转。量守恒定律和能量守恒定律,由此可以得到连续方程、动量方程和能量方程,联立后所得到的NS方2仿真结果与分析程组即是流体流动遵循的普遍规律。[4]采用标准方程有限差分法求解流场问钻头表面速度矢量及整体流量分配图如图2题。连续方程为:所示。vi=0(1)xi式中vixi方向上的流场速度,m/s;xi流场的第i个空
8、间坐标变量。雷诺平均方程:2vivipvi(v#iv#j)+vj=-+!-(2)txjxixixjxj式中t时间变量,s;!流体粘度,Pa∃s;图2钻头表面速度矢量及整体流量分配图xj流场的第j个空间坐标变量;由图可以看出,钻头表面及钻头刀翼切削齿表v#i、v#jxi、xj方向上的脉动速度,m/s;面大部分均分布着高速流体,但5号和1号刀翼间p流体压力,Pa。环空流量
