?660.4mm牙轮钻头水力结构的改进与现场试验

现有牙轮钻头在使用过程中存在井底和钻头的水力清洗条件差,以及钻进速度慢等问题。为此,在牙轮钻头水力结构设计原则的基础上,研制了?660.4 mm新型水力结构牙轮钻头。采用1个中心喷嘴、3个侧喷嘴和3个中间喷嘴对该牙轮钻头进行了多喷嘴水力结构设计,采用ANSYS软件进行了井底流场数值模拟分析。分析结果表明:7喷嘴水力结构改善了射流井底流场,扩大了射流冲击面积,提高了液流压力梯度,能有效地清洗牙齿及牙轮表面,防止钻头泥包。现场试验中,在相同条件下,试验的6只钻头平均机械钻速提高38.4%,单只钻头进尺平均提高29.2%。试验结果表明:新型水力结构钻头设计合理,具有良好的推广应用前景。     

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。     

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文章运用CAD软件Pro/E,对Φ152.4 mm球形单牙轮钻头的几种喷嘴组合所形成的井底流场建立了3 D模型，并应用软件ANSYS对流场模型进行分析。研究了喷嘴的结构参数对井底流速、井底压降的影响。提出了井底流场效果的评判：①较高的井底压降；②较小的涡旋；③较大上返速度。从多种喷嘴组合中找出能够形成最好净化井底流场的喷嘴组合。指出在其它条件不变的情况下，上、下喷嘴直径比为0.5时，井底流速和井底压力降最大；而当上、下喷嘴直径比不变，L=75 mm时，井底流速和井底压力降最大。建议在单牙轮钻头水力系统设计时上、下喷嘴直径保持上小下大，直径比0.50左右，L取75 mm左右时可以获得较大的井底流速、井底压力降以及较小的井底涡旋；喷嘴出口处的设计时尽量做到圆滑过渡。     

旋切式PDC钻头水力结构优化

旋切式PDC钻头比常规PDC钻头的结构更复杂,工作原理也比较特殊,常规的数值模拟方法不能全面描述旋切式PDC钻头水力结构及井底流场特性。鉴于此,采用标准k-ε模型和离散相模型(DPM)对旋切式PDC钻头井底流场进行仿真模拟,并对钻头的水力结构进行优化设计,对优化前后旋切式PDC钻头的井底流场进行对比分析。研究结果表明:刀盘形状的改变有利于工作流体的流动,可以降低刀盘附近岩屑颗粒的质量浓度;采用带有曲率的喷嘴可以增强旋切式PDC钻头刀盘区域的井底清洗效果;当采用曲率为1/50的喷嘴时,刀盘区域的井底清洗效果最好;当采用中心喷嘴直径12. 0 mm和边缘喷嘴直径8. 8 mm的组合方案时,旋切式PDC钻头的清洗和携岩能力达到最优。研究结果对未来页岩气开采方式的研究具有一定的指导意义。     

三牙轮三喷嘴钻头井底射流辅助破岩机理分析

由于井底射流辅助破岩的复杂性，其室内模拟试验和理论分析均有较大难度，所获得的结论多以经验性的、定性的解释为主，还未能建立能用于实际的、确定有效的理论。为此，采用有限元方法模拟分析了三牙轮三喷嘴钻头井底射流流场，结合井底岩石应力状态和岩屑启动机制的分析，探索了井底射流辅助破岩的机理。研究结果表明，三牙轮钻头三个喷嘴直径的不同，致使井底流场高压区和低压区并存，钻头旋转，带动流场局部低压区周期性地覆盖井底，使得岩石破碎强度和岩屑启动的难度降低，钻头的破岩钻进效率提高。喷嘴间直径差别的增大，使得井底流场高压区和低压区之间的压差增大，钻井机械钻速提高。研究结果与现场试验结论一致。     

喷嘴直径匹配对PDC钻头流场特性影响

在石油钻井过程中,PDC钻头利用水力射流的能量进行破岩和清岩,而中心喷嘴与外围喷嘴直径的变化将直接影响井底流场特性。文章利用三维建模和数值模拟软件,建立了PDC钻头实体模型,并将其导入数模软件,分析215.9 mm PDC钻头喷嘴直径对井底流场的影响规律。模拟结果表明,当中心喷嘴直径为12.70 mm时,外围喷嘴直径为8.74~11.13 mm能使PDC钻头井底流场最优。而当外围喷嘴直径为11.13 mm时,中心喷嘴的直径应大于或等于11.13 mm才适合PDC钻头流场。利用该研究结论,可以辅助PDC钻头设计,提高钻头水力能量的利用率进而提高机械钻速。     

自进式多孔射流钻头结构设计与流场特性分析

为了防止钻头在钻进过程中由于射流喷嘴顶住井底而发生卡堵问题,设计了一种带支撑板的自进式多孔射流钻头,并将圆锥收敛型喷嘴的结构设计应用于前向中心喷嘴,使前向中心射流具有更长的等速核以及更高的破岩效率。对所设计射流钻头的内外流场进行了三维流动特性数值模拟分析,并研究了支撑板结构对喷嘴流场特性的影响规律。研究结果表明:带支撑板的自进式多孔射流钻头的井底速度云图上分布着4个圆状高速区域,其中中心区域的流体流速最大,射流流束直径最大,即采用了圆锥收敛型喷嘴结构的前向中心射流具有更高效的破岩能力;当自进式多孔射流钻头具有3支撑板结构时,钻头的前向孔眼采用1+3布局结构更为合适;当射流钻头采用支撑板结构时,并不会影响漫流对井底排屑的清洗作用。研究结果对于自进式多孔射流钻头的现场应用及进一步的优化设计具有一定的参考作用。     

基于CFX的PDC钻头水力结构优化方法研究

应用CFD仿真软件CFX对PDC钻头的井底流场进行了模拟,并对该流场进行了流道流量分配及压力、速度等方面的分析,结果表明现有钻头模型水力结构存在一定的缺陷。根据PDC钻头水力结构优化原则,对现有钻头模型喷嘴的位置、喷射角度进行了调整,并将调整后的PDC钻头井底流场与原始钻头模型的井底流场进行了对比。结果表明,调整后PDC钻头的井底流场已经得到明显的改善。     

不等压力流场钻头与气蚀现象

一种新型牙轮钻头——不等压力流场钻头,它是利用井底洗井液的横向流动来清洁井底。特殊结构是在喷管上装有加长喷嘴,在钻头中部装有中心清洗喷嘴,在大尺寸钻头上还装有一向上的抽吸喷嘴。但在国内研制该钻头现遇到的最大难题是泥浆刺坏流道及有关零件。文章通过流体力学分析,提出解决的办法是设计宽敞流道等。     

利用定向自激振动射流提高机械钻速

在三牙轮钻头上,依据自振射流原理、水力辅助破岩原理和井底漫流场理论设计的一种新型的定向式风琴管自激振动射流喷嘴,提高了射流辅助破岩的能力,改善了井底漫流场,使清岩和破岩效率大幅度提高。8只钻头在河南双河油田和下二门油田的现场应用(相同的地层、相同的钻井机泵设备和相同的钻井施工水平)中,与其它类型钻头相比,单只钻头提高进尺20%以上、机械钻速15%以上,取得直接经济效益1.1万元,具有良好的应用前景。     

径向钻井倾斜井底高压水射流流场分析

为了对径向钻井倾斜井底高压水射流的流场进行研究,建立了三维单喷嘴水射流井底模型,采用Fluent软件对模型的流场结构进行了数值模拟分析。分析结果表明,径向钻井高压水射流喷嘴外部流场中存在"负压效应"和"水垫现象",负压的存在有利于射流从喷嘴内部流出,水垫会对喷头的推进产生阻碍作用;当径向钻井临时井底倾斜角度为0°时,射流到达井底后沿井底壁面中心向外对称流动,但随着井底墙壁倾斜角度的增大,由于倾斜井底的引流作用,大部分流体会沿着井底倾斜的方向流动,并且沿倾斜方向的流速较大;径向钻井中,如果井底是倾斜的,则沿着井底倾斜方向的压力比井底另一侧高。     

定向喷嘴布置对PDC钻头齿清洗能力的影响

PDC钻头齿的清洗能力对PDC钻头破岩和清岩影响很大,定向喷嘴则有利于钻头齿的清岩,研究定向喷嘴的布置具有重要意义。使用数值模拟的方法研究了定向喷嘴数量、孔径、喷速等因素对PDC钻头齿清洗效果的影响。研究结果表明,5喷嘴的PDC钻头齿清洗能力较强;钻头齿清洗能力随喷嘴孔径增大而增强;喷射角小的喷嘴射流流场不利于流体向上举升岩屑。将定向喷嘴优化并配合常规水力结构设计可以在PDC钻头预防和清除泥包方面发挥自身的优势,最终达到提高机械钻速的目的。     

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。     

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％。     

实体PDC钻头流场数值模拟

为了从微观上分析PDC钻头的流场．从而优化PDC钻头的水力结构设计,利用计算流体动力学技术,对一只实体PDC钻头的三维流场进行了数值模拟。模拟中考虑了钻头的切削齿和射流喷嘴对流场的影响。流场的网格划分采用局部加密的混合网格形式,保证了计算精度和运算速度的要求。流场的三维模拟结果揭示了钻头的低速区、回流区和滞流区域。为钻头水力结构优化分析奠定了理论基础。     

高压水射流PDC钻头结构参数数值模拟研究

以中硬细砂岩为岩石材料,应用动态有限元法对高压水射流PDC钻头参数做了数值模拟研究。得出如下结论:(1)高压射流入射角对不同岩层存在最优值,对于中硬地层细砂岩最优入射角为40°;(2)PDC钻头钻进中钻齿所受扭矩随作用半径增大成指数规律增长,在硬地层钻进钻齿前倾角为-15°时破岩效果最佳;(3)采用直径1.8mm的高压小喷嘴射流能显著改善PDC钻头钻齿受力,避免钻齿冲击破坏,延长钻头寿命;(4)高压水射流与机械齿联合破岩时,喷嘴与钻齿相对位置对破岩效果有显著影响,喷嘴处于钻头外锥时,可均化钻齿受力,提高破岩效率。     

双射流喷嘴破岩扩孔的实验研究

利用旋转射流破岩效率高、小水眼可钻出大孔的特点,并结合锥形喷嘴有效喷距较长的特点,设计了一种新型喷嘴——双射流喷嘴。室内试验结果表明,射流喷嘴外旋转角30°左右破岩效果最佳,破岩面积则随着角度增大而增大;双射流喷嘴最佳喷距约为当量直径的5～8倍;在短喷距情况下,双射流喷嘴与普通锥形喷嘴相比,破岩效果相近,但破岩面积约为1～3倍。     

PDC钻头水力结构优化设计研究

在PDC钻头工作过程中，钻井液对钻头体表面的冲洗、冷却和润滑是保证钻头正常工作的一个非常重要的条件。对PDC钻头而言，水力结构（主要是中心水眼和冠部水道）设计的重要性尤其突出。以前,对钻头水力系统研究只能通过实验的方法进行,研究周期长、成本高、结构调整不方便，而数值模拟的方法在几年前还不成熟，甚至静态的复杂结构流场问题基本无法解决。为此，在提出PDC钻头水力结构优化设计原则的基础上，对PDC钻头的三维流场进行了数值模拟。模拟中考虑了钻头的喷嘴布置位置、直径、数量以及切削齿对流场的影响。计算结果表明，原设计在喷嘴布置位置和喷射角度上存在不足，以此为基础进行了水力结构的优化设计。文中的研究成果成功地应用在新型钻头水力结构的设计中，研究方法为PDC钻头水力结构优化分析奠定了理论基础。     

撞击射流井底漫流特性数值研究

应用大涡模拟方法对不同条件下单喷嘴垂直撞击射流的流场特性进行了数值模拟,对数值模拟结果的分析研究表明,在射流撞击距离小于射流等速核长度的条件下,射流撞击距离和喷嘴出口面积的变化对井底漫流层的厚度没有明显影响.提出了采用井底有效漫流层厚度和有效平均漫流速度研究水力作用对井底和钻头的清洗及冷却效果的新概念.研究表明,就PDC钻头而言,减小钻头面至井底的距离,对提高整个井底的有效平均漫流速度,效果并不明显.