破碎松软地层取心钻头孔底流场数值模拟及应用.pdf

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1、2013年第40卷第7期探矿工程(岩土钻掘工程)107破碎松软地层取心钻头孔底流场数值模拟及应用吴金生，陈礼仪，张伟(1．成都理工大学，四川成都610059；2．中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都611734)摘要：复杂地层取心和孔壁稳定一直是困扰地质钻探界的2大技术难题。以汶川地震科钻为例，5个钻孔都在断裂带上，地层极破碎、松软。针对部分孑L段取心率低问题，设计一种新型阶梯式隔水底喷取心钻头，利用CFD技术对钻头孔底流场进行数值分析，优化钻头排水槽结构、泥浆性能和水力参数，寻找一种最佳组合，为提高岩心采取率、预防堵心，提高孔壁的稳定性奠定基础。关键词：破碎松软地层；防冲

2、蚀取心钻头；金刚石钻头；流场；数值模拟；结构优化中图分类号：P634．41文献标识码：A文章编号：1672—7428(2013)07—0107—04NumericalStimulationofBottomFlowFieldofCoreBitinBrokenSoftFormationandtheApplication／WUfin—sheng，CHENLi—yi，ZHANGWei(1．ChengduUniversityofTechnology，ChengduSiehuan610059，China；2．InstituteofExplorationTechnology，CAGS，Ch

3、engduSichuan611734，China)Abstract：Coringandkeepingthestabilityholewallincomplexformationaretechnicaldificultiesingeologicaldrillingcir—cles．InWenchuanEarthquakeFaultScientificDrilling(WFSD)，5boreholeswereinthefaultzoneandtheformationwasextremelybrokenandsoft．Anewtypeofsteppedbottomjettingan

4、ti—erosioncorebitwasdesigned，numericalanalysiswasmadeonbottomflowfieldbyCFDtechnologytooptimizedrainagegroovestructure，mudpropertiesandhydraulicparame—tersinordertofinethebestcombinationtolayfoundationsforcorerecoveryrateimprovement，coreblockagepreventionandhigherholewallstability．Keywords：

5、brokenandsoftformation；anti—erosioncorebit；diamondbit；flowfieldnumericalsimulation；structureopti—mization1选题依据与研究意义CFD技术对钻头孑L底流场数值分析，根据流场大小钻探取心技术是当今地质找矿被公认的最终获及分布，优化钻头结构设计和水力参数，调整泥浆性取地下准确地质信息的必备技术手段。破碎松软地能，对于提高岩心采取率、预防堵心，提高孔壁的稳层取心和孔壁稳定一直是困扰地质钻探界的两大技定性十分必要。术难题，一是取心率低，满足不了地学需求；二是堵心，取心回次短，台月效率

6、低；三是孔内事故多，孔壁2孔底流场模拟的国内外研究现状坍塌掉块，取心钻进无法进行。随着计算流体动力学的发展，国外及国内石油汶川地震断裂带科学钻探项目(WFSD)实施目钻井利用CFD技术对全面钻进钻头，特别是PDC的之一是连续获取岩心，研究地震活动规律与发震钻头孔底流场进行数值模拟，通过改变流量，喷嘴尺机理。5个钻孔都位于地震断裂带上，历史上经历寸、位置、角度及结构形式，主要用来提高排粉效果多次地震，地层十分松软破碎，膨胀缩径，坍塌、掉和钻进效率等。博坤9对空气反循环钻头孔底流块、漏失时有发生，事故频发。在某些孔段，因地层场进行数值模拟，分析钻头结构对反循环效果的影不详，岩性变

7、化大，取心钻头难以选择，取心率低，回响。胡郁乐10]、孟庆鸿通过CFD技术对保真取次进尺短，堵心严重，孑L壁垮塌，效率低下。如心钻具进行流场分析等。WFSD一2孔在孔深1370—1460m处取心率低，约钻头的水力学研究已逐渐从单纯实验研究方式为50％，后采取侧钻补心。进入实验模拟和孔底流场模拟相结合的研究阶段，但针对破碎松软地层取心率低问题，设计一种新仍存在以下问题：(1)对钻头水力学研究及流场分析型阶梯式隔水底喷取心钻头，利用计算流体动力学时，仍以水为介质，忽略了泥浆粘度、岩屑颗粒和孑L底收稿日期：2