CFD在保真取心钻具结构优化设计中的应用.pdf

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1、第45卷第5期地质与勘探V01．45No．52009年9月GE0L0GYANDEXPLORAT10NSeptember，2009·工程·CFD在保真取心钻具结构优化设计中的应用胡郁乐张晓西张恒春朱永宜(1．中国地质大学(武汉)工程学院，武汉430074；2．中国地质科学院勘探技术研究所，廊坊065000)[摘要]在无胶结、松散、易碎地层中钻进取心，采取率不足一直是困扰钻探界人士的技术难题。针对一套自行设计的高保真取心钻具，用计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics简称CFD)方法，对钻具

2、内的流场进行了三维数值模拟，并在此基础上对其结构进行了优化设计。事实证明，利用计算流体动力学技术对钻具的水力结构进行优化设计是一种经济而有效的手段。[关键词]Cfdesign流场模拟高保真取心钻具优化设计[中图分类号]P643[文献标识码]A[文章编号]0495—5331(2009)05—0627—04HuYu—le，ZhangXiao—xi，ZhangHeng—chun，ZhuYong—yi．ApplacationofCFDondesigningoptimizingoffidelitycorlingdrillst

3、ructure[J]．GeologyandExploration，2009。45(5)：627—630．岩屑，保障持续钻进；另一方面，又要求冲洗液不能1引言直接冲刷岩心。因此，钻具设计重点在钻具的水力在无胶结、松散、易碎、易冲刷的地层中钻进，岩学特性。本设计采用单动双管机构，同时对钻头进心取心率严重不足，甚至无法取得岩心是一直困扰行特殊设计，采用了隔水环结构和泄流槽结构，该设钻探界人士的技术难题j。乌兹别克钻探专家伊计既可保证钻进时效，又可避免钻井液对岩心的冲万先生曾经说过：“松散砂砾石层钻进取心，前苏联刷。内外管

4、与钻头的组配关系如图1所示。钻探界曾投人大量人力、物力，历时30多年，至今未找到很好的方法。”实践证明，在松散地层中取心钻／进，冲洗液是影响岩心采取率的最重要因素。／在以上背景条件下，我们设计了一套特殊的保真5／-取心钻具，用于解决松科一井钻探取心难题。在研制车哥过程中，采用计算流体动力学模拟软件Cfdesign8．0对钻具内部流体的流动进行了大量模拟仿真，通过模图1内外管与钻头的组配关系拟仿真解析这套钻具，达到提高应用效能的目的，最Fig．1Thefittingrelationshipbetweeninneran

5、doutertubes终结果再为优化钻具设计、改进钻具性能服务。1一外管接头；2一钻头；3一泄流槽；4一内管；5一隔水环该套钻具成功地应用于松科一井工程，取得了1一outertubeconnector；2-bit；3一dithofdischarge；很好的效果，不但岩心采取率高，采取率达80％以4一jnnertube；5-impermeablehoop上，而且能基本保持地层原状的结构。由于提供的其中，钻头的结构对取心效果有很大影响。针对岩样准确、可靠、完整、采取率高、不扰动，为地质学地层条件，该套钻具特殊设计了具有

6、泄流槽的、底侧家提供了可以信赖的研究对象。喷并举的硬质合金钻头，且钻头内部设计有隔水环。2钻具的设计和三维模型的建立为了模拟钻具效果，首先用CAD软件建立钻具的三维实体及井底模型，如图2所示。并建立了特对于松散、易冲刷的地层而占，冲洗液对岩心采殊设计的保真钻头三维模型，如图3所示。取的影响最为明显，一方面冲洗液要冷却钻具、携带[收稿日期]2009—05～22；[修订日期]2009—07—31。[责任编辑]王梅。[第一作者简介]胡郁乐(1970年一)，男，巾周地质大学，博士生，中国地质大学(武汉)工程学院勘基系副教授

7、，主要从事钻探机械、机具与一I：艺技术等方面的研究与教学工作。627地质与勘探2009正3钻具流场的CFD模拟及结果解析随着计算流体动力学(ComputationalFluidDy—namies，简称CFD)研究的发展，国外已经开始利用计算流体动力学数值模拟分析的方法对钻具井底流场、压力场对携岩效果的影响等方面进行综合分析J。目前，最常用的CFD软件包括FLUENT、图2模型的爆炸视图STAR—CD、CFX等J。笔者采用了Cfdesign8．0Fig．2Explodingviewofthemodel软件。1一内管；

8、2一钻头；3一泄流槽；4一孔壁；5一岩心；6一隔水环首先，用Solidwork建立钻具在井底的三维实体1一innertube；2一bit；3一dithofdischarge；4一holewall；模型，井底岩心、钻头与井底表面处于接触状态，使5—-rockcore；6——impermeablehoop流动空间接近井下实际情况，再以．x—t文件格式导入到CFD