定向井PDC钻头保径特征对水力效果的影响Word下载.docx
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螺旋角度;
计算流体力学;
优化设计
TheinfluenceofthePDCbitgagecharacteristicparametersonHydrauliceffectindirectionaldrilling
Abstract:
Indirectionaldrillingprocess,gagedesignandconfigurationdirectlyaffectsthestabilityofdrillbit,steerabilityandboreholequality.Whereinthegagestructureplaysaveryimportantroleoncleaningeffect.Inthispaper,byusingthecomputationalfluiddynamicsanalysissoftwareFluentanalysissoftwaretoanalyzetheeffectofPDCbitgagelengthandspiralangleonhydrauliccleaningeffect.SummarizingtheSuitablegagelengthandspiralanglefordirectionalPDCbit,whichprovidesthebasisofPDCbitgagedesignoptimization.
Keywords:
Guagelength;
Spiralangle;
Computationalfluidmechanics;
Designoptimization
在定向钻井中,技术和实践上要求钻进的稳定性,钻速,导向性,耐用性和井眼质量的最优化。
保径的设计和配置直接影响着钻头地稳定性、导向性和井眼的质量。
保径设计对PDC钻头性能的影响,尤其是对在定向钻井中的影响,争议由来已久[1]。
增加保径块宽度使接触表面积增大,能提升扭矩的功效但也带来了水力问题,横截面面积的减少会提高流速,同样也会对岩屑排除造成障碍。
现在一般采取螺旋角度控制保径的接触面积,排屑槽的面积保持不变,保径接触面积增加,解决了清洗效果和扭矩功效的冲突。
本文以60mm长度保径的保径为例,分析螺旋角度是15°
,30°
和45°
的水力效果。
增加保径块的长度可以提高钻头的侧向稳定性,尤其在定向井中,增加保径块长度会提高扭矩,扭矩的增加并不意味着钻头不稳定,扭矩稳定表明钻头稳定。
但增加保径块长度会降低钻头的导向性,增加保径块长度可能会使流体速度和携岩能力减弱。
以螺旋角度30°
为例,分别分析保径长度为60mm,80mm,100mm时水力效果。
为了使结果具有可对比性,保径的外径都为216mm,内径为160mm。
保径块的宽度和厚度都相等。
1.模型的建立
以螺旋角度为15°
,长度为60mm的保径为例进行建模。
利用Proe画图软件设计保径的三维几何模型(如图1所示),然后导入到Gambit中进行井壁的建模和网格划分(如图2所示)。
本节进行数值实验是为了做定性分析,不做定量分析。
鉴于实际情况中钻井液经过喷嘴的流速非常高,且井底和保径之间的距离很短,定向井和直井的差别不大,则建立直径井筒模型。
所建模型内部流场假定条件为[2]:
1)流场为静止流场,不考虑旋转;
2)入口处流体速度均与;
3)出口处的流体流动稳定均匀。
流场为稳定的不可压缩湍流流场,模型选用
中的
表达式。
(1)
图1保径模型图
图2井壁和保径模型图
假定工作排量为30L/s,入口条件设定为:
m/s,
m/s。
出口压力设为10MPa。
介质选为水。
2.计算结果分析
2.1保径长度不变,螺旋角度变化对水力的影响
当保径的长度为60mm时,螺旋角度是15°
的流体速度分布分别如下(a),(b),(c)所示。
(a)(b)
(c)
图3不同螺旋角度的保径流体速度分布图
的流体动态压力分布分别如下(a),(b),(c)所示。
图4不同螺旋角度的保径动态压力分布图
由上图可以得出,随着螺旋角度的增大,保径内流体的速度和动态压力是逐渐变大的。
螺旋角度是15°
时,保径排屑区域内的最大流体速度为27.9m/s,最大动态压力为
,而当螺旋角度为45°
时,两者的值分别为40.3m/s和
。
这是由于保径的螺旋角度越大,对流体的阻挡作用越明显,容易在保径块的排屑空间形成高速的涡流,不利于岩屑的排出。
同时,过高的流体速度和压力对钻头体和井壁冲蚀作用明显,不利于PDC钻头的使用寿命的提高和井眼质量。
2.2保径螺旋角度不变,长度变化对水力的影响
当螺旋角度30°
时,保径长度为60mm,80mm,100mm时,流体的速度[3]分布分别如下(a),(b),(c)所示。
图5不同长度的保径流体速度分布图
时,保径长度为60mm,80mm,100mm时,流体的动态压力分布分别如下(a),(b),(c)所示。
图6不同长度的保径动态压力分布图
由以上对比图可以看出,在保径螺旋角度一定的情况下,随着保径长度的增加,保径内流体的速度是增加的,但增加幅度很小。
60mm和80mm的流体速度几乎没什么变化。
动态压力是逐渐增大的,60mm保径内动态压力最大值是
,100mm保径内的动态压力最大值是
,变化幅度较小。
3、结论
(1)保径的螺旋角度越大,对流体的阻挡作用越明显,越易形成高速涡流,对钻头体和井壁冲蚀越严重。
建议保径的螺旋角度控制在30°
以内。
(2)常用PDC钻头的保径长度为2in.-4in.,在这个范围内,保径螺旋角度一定的情况下,保径长度变化对水力清洗效果的影响不明显。
(3)以上结论可以在实际中作为定向PDC钻头保径设计的依据
参考文献
[1]管志川.用矩形出口喷灌改善PDC钻头水力结构的研究[J].石油大学学报,1992,16
(2):
20-28
[2]高振果.PDC钻头井底水力问题的计算机模拟[J].石油钻采工艺,1995,17(6):
19-24
[3]刘刚.水射流对PDC钻头选纵向清洗力的实验研究[J].石油钻探技术,1996,24
(1):
42-43,58
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