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《pdc鉆頭流場數(shù)值仿真與水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、石油機械2010年第38卷第8期CHINAPETROLEUMMACHINERY1專題研究*PDC鉆頭流場數(shù)值仿真與水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化11112祝效華鄧福成賈彥杰童華許建民(1西南石油大學機電工程學院2中油長城鉆探工程有限公司)摘要針對31115mm(121英寸)井眼采用復合鉆進時存在的巖屑量大,鉆頭處存在重4復破碎等問題,在前人研究的基礎上,對某區(qū)塊常用的31115mmPDC鉆頭進行了水力結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化。通過數(shù)值模擬,得到了鉆頭表面速度矢量圖、噴嘴中
2、心剖面速度矢量圖及刀翼表面速度矢量圖,并在此基礎上確定了水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。仿真結(jié)果表明,改進后渦心與射流區(qū)的距離增加,漩渦邊界流體切入到漫流層中并附壁上返,漩渦強度減弱,漫流區(qū)厚度與速度增加,攜巖能力提高,清洗與冷卻能力增強。關鍵詞PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)刀翼噴嘴CFD翼布置位置及噴嘴角度參數(shù),改善了井底流場水力0引言能量分布,減小了局部漩渦。改進措施可以有效減少甚至避免重復切削,減緩鉆頭局部磨損,延長鉆在我國中部、東部、東北和淺海油氣田的鉆探頭使用壽命。與開發(fā)中,31115mm(121英寸
3、)井眼的鉆進4工作量通常占全井鉆進工作量的60%以上,覆蓋1計算模型井段一般從500~3000m。在該井段中,目前通常使用單彎螺桿鉆具配合PDC鉆頭復合鉆進技術(shù)進11模型建立與網(wǎng)格生成筆者選用31115mm井眼常用的某型PDC鉆行防斜打快,復合鉆進機械鉆速較高,產(chǎn)生的巖屑量大,鉆頭處存在重復破碎,嚴重影響鉆進效率和頭為研究對象,其三維模型及噴嘴布置如圖1a所PDC鉆頭的使用壽命。鉆井液對PDC鉆頭體表面示,鉆頭噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。根據(jù)該PDC的有效清洗、冷卻和潤滑是保證鉆頭正常工作的重鉆頭底部
4、輪廓包絡面和鉆頭水力結(jié)構(gòu)建立其流場模型,并采用非均勻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)對其進行網(wǎng)格劃要條件,其水力結(jié)構(gòu)(主要指中心水眼和冠部水道的空間安放位置和結(jié)構(gòu)參數(shù))在很大程度上決分,對大壓力梯度網(wǎng)格區(qū)域,即噴嘴出口周圍流道定了鉆頭壽命。及鉆頭冠部進行局部網(wǎng)格細化,計算網(wǎng)格如圖1b所示。近年來,隨著計算流體動力學(CFD)的飛速發(fā)展,國外的主要鉆頭生產(chǎn)廠家逐步開始利用計算流體動力學數(shù)值模擬技術(shù)對PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)進行分析與優(yōu)化設計。國內(nèi)學者也對PDC鉆頭水力[1-3]學研究進行了探索。筆者在前人研究的基礎上,對某區(qū)塊常用的
5、31115mm(121英寸)復4合鉆PDC鉆頭進行了水力結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化。在現(xiàn)場常用泵壓條件下,通過數(shù)值模擬,優(yōu)化設計了圖1鉆頭三維模型與噴嘴布置及流場有限元網(wǎng)格PDC鉆頭噴嘴組合和布置方案,確定了合理的刀*基金項目:國家自然科學基金資助項目氣體鉆井鉆具與井壁的碰摩機理及量化評價方法研究!(50804040)。2石油機械2010年第38卷第8期表1鉆頭噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)!T渦團粘度系數(shù)。噴嘴噴嘴直徑/噴射角/圓周角/基點半徑/渦團粘度系數(shù)!T的形式為:序號mm(?)(?)mm
6、21號12724-174767!T=C#(5)2號14325109762將式(1)~式(5)聯(lián)立后組成封閉方程組。3號1272419743標準方程中的相關常數(shù)為:C#=009、C1=4號14325-32674144、C2=190、?=13。5號14325-96790PDC鉆頭內(nèi)外環(huán)空流場可視為穩(wěn)定的不可壓縮中心1號14310-134213湍流流場,鉆頭流場入口流量取50L/s,環(huán)境壓力中心2號1431245305取15MPa,鉆井液密度為13g
7、/cm3,動力粘度為12流動控制方程與邊界條件003Pa?s,鉆頭表面和井壁按固壁無滑移邊界條件控制流體流動的基本定律是質(zhì)量守恒定律、動處理,即相對速度為0,忽略鉆頭旋轉(zhuǎn)。量守恒定律和能量守恒定律,由此可以得到連續(xù)方程、動量方程和能量方程,聯(lián)立后所得到的NS方2仿真結(jié)果與分析程組即是流體流動遵循的普遍規(guī)律。[4]采用標準方程有限差分法求解流場問鉆頭表面速度矢量及整體流量分配圖如圖2題。連續(xù)方程為:所示。vi=0(1)xi式中vixi方向上的流場速度,m/s;xi流場的第i個空
8、間坐標變量。雷諾平均方程:2vivipvi(v#iv#j)+vj=-+!-(2)txjxixixjxj式中t時間變量,s;!流體粘度,Pa?s;圖2鉆頭表面速度矢量及整體流量分配圖xj流場的第j個空間坐標變量;由圖可以看出,鉆頭表面及鉆頭刀翼切削齒表v#i、v#jxi、xj方向上的脈動速度,m/s;面大部分均分布著高速流體,但5號和1號刀翼間p流體壓力,Pa。環(huán)空流量
