（油气井工程专业论文）pdc钻头井底流场研究.pdf

r e s e a r c ho nt h eb o t t o mh o l ef l o wf i e i d o f j e tp d cb i t l gx i n g g u o ( o i l & g a sw e ue n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r 0 c h e nj i 锄m i n a b s t r a c t f l o wf i e l di st h es p a c et od i s c o v e r ) rh y d r a u l i cp r o b l e mo fb i t sd i r e c t l y w ec a l lf i n dt h e h y d r a u l i cp r o b l e mo fb i t s ，i m p r o v en o z z l ec o m b i n a t i o na 1 1 dd e s i g i lj u n ks l o tb ym e a l l so f a i l a l y z i l l gn o 、耐n gp h e n o m e n o no ff l o w f i e l d at 1 1 r e e - d i m e n s i o nm o d e lp d cb i tw a s c o n s t m c t e di na n s y ss o f h a r ei no r d e rt 0o b t a i nt h ep 1 1 y s i c a lm o d e lo ft h ep d cb i t sn o w f i e l do nb o t t o mh o l e h a ) 【i a lg e o m e t r i cm o d e lo fp d cb i tw 嬲c r e a t e db ya n s y sa 1 1 d m e s h e db yg a m b i t ，a 1 1 a l y z e db yf l u e n tb ys e t t i n gb o u l l d a r yc o n d i t i o no fv e l o c 时砒e t a 1 1 do u t n o w f i n a l l y ，、g e tt h en o wf i e l df i g u r ew 1 1 i l et h ev e l o c i t yi s2 3 2 i n s t h ed i s t r i c t w h e r en u i ds p e e di ss l o wa i l dt h e r ei sr e v e r s ef l o wi ss m a l lb e t w e e nb o r e h o l e 、a ua 1 1 dt h e n o z z l ew h i c hi sf 缸丘o mt h ec e n t e ro fb i t t h ed i s t r i c tw h e r ef l u i ds p e e di ss l o wa n dt h e r ei s r e v e r s en o wi ss m a ub e t w e e na x e so fb i ta n dt h en o z z l e 砌c hi sc l o s et ot h ec e m e ro fb i t i f t l l en o z z l ev e l o c i t ) ri sd i f j f e r e n t ，t h ee f r e c tt 0c l e a ra 1 1 dc a r r ) ro v e rc u t t i n g sw i l lb em o r eo b v i o u s t h es p e e do fm en o z z l e m i c hi sc l o s et om ec e r l t e ro f b i ts h o u l db eh i g h e s t 1 1 1 e 佃on o z z l e s a d j a c e n tt 0t l l i si l o z z l es h o u l dh a v e1 1 i g h e rs p e e d t h es t u d i e sh a v e 伊e a te n g i n e e r i n g s i g m f i c a t i o ni n 鲥d a n c eo fc o n f i g u r a t i o no p t i i i l i z a t i o no fp d c b i t k e yw o r d s ：p d cb i t ，j e t s ，f l o wf i e l d ，f l u e t n ，a n s y s 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名：二2 叠卜j 极 日期：年月 日 日期产年乒月7 日 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 1 1 研究意义 第一章绪论 p d c 钻头( p o l y c 巧s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c tb i t ) 是随着p d c 复合材料的发展而发展 起来的一类新型钻井工具【l 】。国外在上世纪七十年代中期开始研究，八十年代初投入使 用，同井下马达、随钻测试及计算机在钻井上的应用被称为八十年代的四大钻井新技术， 现已成为石油天然气钻井的重要工具。我国从八十年代初开始了解p d c 钻头【2 1 ，8 5 年引 进少量试用，在“七五 期间才开始发展自己的p d c 钻头以满足国内钻井需要。8 6 年开 始一方面组织力量研究p d c 钻头，一方面直接从国外引进p d c 钻头制造设备，8 8 年两条 p d c 钻头引进生产线相继投产，同时国内其他很多厂家也开始用国产原材料试制p d c 钻 头，各主要油田在适应地层中大力推广使用p d c 钻头，使国内p d c 钻头用量和在钻井总 进尺中所占比例逐年上升。 国内外许多单位对p d c 钻头的设计、制造和使用都作过大量的研究开发工作【3 】。但 是，目前国内p d c 钻头的发展水平与国外相比有很大的差距，主要体现在两个方面：一 是加工设备和原材料方面，二是科研和设计技术方面。在加工设备和原材料方面，引进 的生产线与国内各厂家的生产线差别较大。在科研和设计技术方面，由于国内起步晚， 科研投入的人力、物力远不及国外公司，所以无论合资厂、引进厂或其他厂都明显落后 于国外。迄今为止【4 j ，国内还没有完全掌握先进的p d c 钻头设计技术，没有系统的设计 理论和设计方法，国内p d c 钻头厂主要都是照搬或仿照国外设计，不具备自行设计、开 发新产品的能力，这极大地制约了国产p d c 钻头产品质量的提高和钻头技术的进一步发 展。 p d c 钻头是将人造聚晶金刚石复合片作为切削齿镶焊于钻头胎体( 或镶嵌于钻头刚 体) 上以切削方式破碎岩石的一种新型切削型钻头【5 1 ，在软到中硬地层中与井下动力钻具 配合使用，具有转速快( 高于牙轮钻头两倍以上) 、寿命长( 高于牙轮钻头4 6 倍) 、稳定 性好、单位进尺成本低等优点。在大段软到中等硬度地层中显示出很好的破岩性能和显 著的综合经济效益。因此，p d c 钻头具有十分广阔的应用前景。 一般来说，一支普通的p d c 钻头售价从几万到几十万不等【6 j ，其能否在钻进过程中 取得良好的经济效益的关键取决于p d c 钻头的水力性能。p d c 钻头的水力性能指钻井液 清除井底岩屑、清洗、冷却及润滑切削齿的能力。与牙轮钻头和金刚石钻头相比，p d c 第一章绪论 钻头的水力性能尤为重要，原因有两点【刀：( 1 ) p d c 钻头的机械钻速快，每时每刻都有大 量的岩屑产生。如果钻井液的流场分布不合理，就不能及时冲洗切削齿并把岩屑运至井 底环空，不但会引起钻头泥包、重复切削，造成机械钻速急剧下降，而且还会使p d c 切削 齿在井底的高温环境下快速失效，从而严重影响价格昂贵的p d c 钻头的使用寿命。( 2 ) 聚晶金刚石复合片的热稳定性差，钻头不断钻进过程中大量的摩擦热使复合片温度升高， 温度一旦高于3 5 0 切削齿的磨损速度会迅速增加。只有钻井液在钻头表面流动并充分 冷却和润滑切削齿，才能降低切削齿处的温度，延长钻头使用寿命。因此，如何了解和改 善p d c 钻头井底水力效果一直是p d c 钻头研究人员和使用人员最为关注的问题之一。 井底流场是钻头水力问题的直接表现【8 】，通过对钻头井底流场中流动现象的认识分 析，可发现钻头水力问题的所在，更合理地改进喷嘴组配，设计排屑槽道。p d c 钻头的破 岩机理及清岩机理同牙轮钻头不同，喷嘴数目和布置方案也不同，因此不能用牙轮钻头 的井底流场特性代替p d c 钻头井底流场特性，必须对p d c 钻头井底流场特性进行专门研 究才能搞清p d c 钻头的喷嘴射流结构、射流特性、井底漫流特性及井底液流流动规律。 因此进行p d c 钻头井底流场分析是十分必要和迫切的。 1 2p d c 钻头工作原理 p d c 钻头是以剪切方式破碎岩石的，由于钻进速度快，一方面大量岩屑需要迅速彻 底清除，以防止重复切削和产生泥包；另一方面切削齿对温度非常敏感，如果冷却作用 不足，切削齿在井底的高温环境中将会快速磨损失效，从而严重影响p d c 钻头的使用寿 命。因此钻进过程中的水力因素对p d c 钻头非常重要【9 】。喷嘴和排屑槽一起提供了清洗 和冷却p d c 切削齿及减少岩屑向环形空间排除所经距离的基本流动模式。其中喷嘴是钻 头水力系统的重要组成部分，p d c 钻头对井底的清洗和对钻头的冷却都通过喷嘴的水力 作用来实现，为了充分的利用钻头所获得的水力能量【1 0 1 ，必须深入的探讨喷嘴的水力参 数，并在此基础上改进喷嘴。加深对喷嘴的研究，对改善p d c 钻头的水力系统，乃至对 提高p d c 钻头的整体性能具有极其重要的意义。 钻头水力学对p d c 钻头性能有着全局性的影响，所以要合理控制p d c 钻头的水力因 素，使其能有效地携带岩屑，清洗井底和钻头，避免泥包，冷却切削齿，并发挥水力破 碎岩石的作用，从而提高钻头的机械钻速和钻进效率。也就是说，要最大限度地充分利 用钻头可获得的水力能量，才能获得最优钻头性能，这在深井钻井时尤其明显。在这些 情况下系统能量损耗降低了钻头上可利用的水力能和机械能。钻头水力学对p d c 钻头性 2 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 能的影响主要表现在以下三个方面【l l 】： ( 1 ) 钻头冷却 当p d c 钻头钻进较硬或腐蚀性较强的地层时，切削齿的工作部分，是温度升高的部 分。p d c 复合片的热稳定性上限温度为7 0 0 ，在钻进过程中当切削刃的温度超过7 0 0 时，p d c 炭化趋势很强，磨损加剧。因而尽可能提高p d c 切削齿的冷却效果以延长钻头 寿命是至关重要的，这可以通过喷嘴在所有切削齿的p d c 表面和切削齿基底周围产生高 速流来实现。 ( 2 ) 井底清洗 由于p d c 钻头主要靠剪切作用并较深的吃入地层来破碎岩石，所以有大量的岩屑需 要从井底及时清除。尤其在软地层，钻速常常主要取决于钻头清除岩屑的能力如何。为 某一地层设计的p d c 钻头，即使只有少量岩屑不能立即从井底排走，这些岩屑也可能粘 结到钻头上的滞流区，最终导致钻头泥包。将岩屑快速地从井底移运到环空，可大大的 提高机械钻速。另外使重复切削滞留在井底的岩屑所耗费的能量减少到最小，也能提高 钻头的机械效率。因此最大的移屑速率将使p d c 钻头具备最大机械钻进潜力。 ( 3 ) 辅助破岩 p d c 钻头的喷嘴出口到井底的距离非常小( 一般小于1 0 倍喷嘴直径) 。射流在到达井 底的过程中，水力能量损耗较小，在软地层中钻进时可借助水力射流冲刷地层，实现水 力直接破碎岩石，提高钻头的机械钻速。综上所述，虽然每种钻头的特定需求或应用可 能不同，但水力学设计的主要宗旨应该都是：( a ) 冷却切削齿；( b ) 保持钻头体清洁； ( c ) 将岩屑迅速的移运至环空。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状 1 9 9 4 年，清华大学崔桂香等老师对p d c 钻头表面流场进行了数值模拟【1 2 1 ，把流场 简化为二维的流场，从理论上证实了利用数学模型和数值方法的可行性。同年，胜利石 油管理局的王吉东设计了一套p d c 钻头井底流场的实验装置【1 3 】。 1 9 9 6 年，中国石油大学( 华东) 管志川等老师对p d c 钻头倾斜射流的井底流动分 布特性进行了研究【1 4 】【1 6 1 。得出了以下主要结论：( 1 ) 倾斜射流状态下，喷嘴倾斜正向一 边环空内的液流上返速度得到加强，喷嘴倾斜反向一边的环空出现回流现象。井底存在 着旋转方向相反的两个涡旋结构。( 2 ) 随喷嘴倾角的增大，井底有效平均漫流速度在喷 3 第一章绪论 嘴倾斜正向一边普遍增大，在喷嘴反向一边普遍减小。( 3 ) 采用绘制井底有效平均漫流 等值线的方法，是分析不同射流状态下井底有效清洗范围的有效手段。在实际钻头设计 时，可以根据有效平均漫流速度的等值线图，将钻头切削齿有选择地布置在具有较大值 的等值线上。也可以通过调整喷嘴的倾角和位置，使射流所产生的具有较大值的井底有 效平均漫流速度的等值线与钻头切削齿的布置相匹配。同年，中国石油天然气总公司石 油勘探开发研究院的高振国、周惠恕尝试用边界单元法分析井底流场1 7 】- 【l 羽，建立了描 述井底流场的积分方程，并给出了具体的数值算法过程及算例分析，计算实践表明边界 单元法可比较简单方便地计算分析井底流场问题，该方法可用于牙轮钻头或p d c 钻头 喷嘴组配水力作用效果分析，优选钻头水力结构参数，供钻头研究设计人员参考。 1 9 9 8 年【1 9 1 ，王瑞和老师跟沈忠厚院士合作对锥形旋转射流井底流场进行了数值模 拟。得出了如下结论：( 1 ) 数值模拟计算得出的流动规律与实验结果完全一致，这表明 该计算方法和模型用于计算如此复杂的旋转流场是可行的；( 2 ) 旋转射流的流动特性不 同于普通圆射流，其能量不是集中在射流中心区域，而是相对集中在一个圆环上，并在中 心形成低速低压区【2 叼；( 3 ) 旋转射流具有较强的扩散能力和较大的冲击面积，且随旋流 强度的增加而增大；( 4 ) 旋转射流的流动特性决定其具有以剪切和冲蚀为主的破岩效果。 2 0 0 3 年【2 1 1 ，中国石油大学( 华东) 王瑞和等老师进行了p d c 取心钻头井底流场的 数值模拟研究，将井底面和钻头面都简化为平面，采用有限元方法对取心钻头井底流场 进行了数值模拟，为取心钻头的结构设计及水力设计的合理性提供了依据和校验方法。 主要得出了以下两个结论【2 2 】：( 1 ) 基本流场分布特点是冲击中心到岩心壁面间的清洗不 够。可以调整喷嘴位置，使其尽可能内移，并以一定的角度向井壁一侧倾斜，以提高清 岩效果和保护岩心。( 2 ) 排屑槽内采用圆弧过渡可以减小流动阻力和反溅流对钻头底面 的冲刺作用。 2 0 0 4 年，石油勘探开发科学研究院机械所的黄红梅和石油大学( 北京) 的翟应虎合 作研究了p 技术在p d c 钻头外部流场研究中的应用2 3 】。【2 6 1 ，证明了这种方法的可行性 和有效性，测试结果与相同工况下的数值模拟结果吻合得较好，数值模拟值得合理性得 到了实验的验证。 同年，上海理工大学的杨丽等人对p d c 钻头的井底流场进行了数值仿真【2 7 】【3 2 1 。发 现在允许条件下，大喷嘴比小喷嘴具有更好的清岩能力；在钻头尺寸允许条件下，增加小 肋板长度和数量对流场分布有利。同年，对不同喷嘴孔径下p d c 钻头的井底流场进行 了数值分析，得知不同孔径喷嘴的井底漫流特性相似，但大孔径射流流动更为复杂，其 4 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 在流场内部的能量损耗也比小孔径大。喷嘴对漫流层的厚度影响不大，但大孔径喷嘴明 显能够增大漫流层速度，且其沿漫流层的流动速度较为稳定，因此在设计喷嘴孔径的时 候，可在允许的范围内适当地增大孔径。针对流场中心的多股射流干涉区，可考虑增加 一个中心喷嘴【3 3 】。2 0 0 5 年，对封闭旋转型油井底流场能量变化进行了数值研究。得出 了以下结论：( 1 ) 采用一定角度的倾斜射流具有优势，在相同出口射流速度和方向的条件 下，大喷嘴射流也具有清岩优势；( 2 ) 在利用数值模拟的时候，流场模型不应太过于简化， 否则将会失去某些重要的特征；( 3 ) 在保证清岩能力的前提下，出口射流速度不应过大。 1 3 2 国外研究现状 国外2 0 世纪8 0 年代，r c r o u s e 等人开始利用c f d 技术进行p d c 钻头流场计算。 1 9 9 7 年，w a s t o n 等人利用商业软件f l u e n t 改进了p d c 钻头的设计，由实验验证了 计算流体力学技术在钻头设计中的应用可行性。 19 8 2 年，k n o w l t o n 【3 4 】从改善p d c 钻头井底漫流速度包络线和防止钻头水眼堵塞出 发，提出了采用矩形出口喷嘴的p d c 钻头，并且通过室内试验和现场验证，证明在相 同机械结构条件下，只改变喷嘴出口形状就可以使机械钻速有大幅度提高。 1 9 8 5 年，r c r o u s e 和r c h i a 【3 5 】发表了用数值计算方法求解三维不可压流体n s 方 程得到的回转体式p d c 钻头的流场模拟结果，开辟了用数值计算方法研究p d c 钻头井 底流场的先例，计算了6 种钻头的速度矢量场和压力场，并指出通过在钻头表面采用限 流块和合理调整喷嘴的倾斜角度和位置，可以改善钻头面上的液流分布，增加清洗和冷 却效果，降低钻头冲蚀，r c r o u s e 在他的文章里没有给出结合p d c 钻头的具体条件对 n s 方程的简化情况以及采用的哪种紊流模型，对所计算出的流场也没有给出进行实验 验证的情况。 1 9 9 0 年，i k i n g 用有限元法通过解三维不可压【3 6 】【3 9 1 、单项流牛顿流体的紊流n s 方程，对三翼式p d c 钻头的井底流场进行了数值计算，并通过示踪颗粒高速摄影流动 显示对计算结果进行了实验验证，揭示了流量、喷嘴尺寸、位置和倾角等队流动特性的 影响。在模拟计算中，硒n g 首先将恒定涡粘性紊流模型与k 一紊流模型的计算结果进 行了对比，发现两种计算结果都可以得出相似的宏观流动结构。因此，选择了比较简单 的恒定涡粘性紊流模型进行计算。另外，针对三刀翼式p d c 钻头的特点，通过单流道 单喷嘴的计算与整体钻头的计算结果进行对比，观察到局部计算结果与整体计算结果的 一致性，尉n g 的研究主要集中在对包括一个喷嘴和由两个刀翼进行限制的单一流道上， 5 第一章绪论 通过改变喷嘴尺寸、位置、倾角、指向、刀翼形状和流量，对单一流道的流动特性进行 了计算模拟，得出：( 1 ) 喷嘴位置靠近切削刃工作面可产生沿该刀刃的更有意义的流体 循环，有利于工作刃的清洗；( 2 ) 沿工作刃设置一个3 0 。的喷嘴倾角比1 1 。倾角更好， 这样可以产生更高的液流轴线速度；( 3 ) 喷嘴的指向应该是平行于切削齿工作面，而不 是平行于流道轴线，因为平行于轴线的喷嘴指向将射流的作用限制在流道的中心部位， 这样对避免钻头泥包不利；( 4 ) 流量的变化没有改变井底的流动状态，不同流量下都观 察到了同样的宏观流动结构，只是各点的速度值不同；( 5 ) 模拟发现，弯曲刀翼可以避 免位于刀翼外侧附近的低流速区，这种低流速区在直刀翼的外侧可观察到。使用弯曲刀 翼可以改进刀翼的清洗。在以上所有的研究中，k i n g 考虑的因素比较全面，得出了一些 在钻头设计上有参考价值的结论，提出了从局部模拟向整体钻头推广的简化研究方法。 美国桑地亚国家实验室的戴维哥劳卡在钻头水力实验装置上进行了试验。戴维采 用了染色液法和示踪颗粒法对井底液流流动规律进行了研究，同时他还通过测量p d c 钻头( 1 6 5 1 n u l l ) 切削片的传热系数来研究切削片的冷却效果。 桑地亚国家实验室用示踪颗粒法对流场模型研究结果指出：钻头旋转对井底流场的 影响很复杂，钻头不旋转时射流呈放射状，放射状的射流由于旋转造成了横向运动( 有 一定周向速度) ，并出现了较强的速度梯度。 桑地亚国家实验室用打开全部喷嘴( 方案1 ) 、打开中心4 个喷嘴( 方案2 ) 、打开 边缘喷嘴( 方案3 ) 3 种方案进行试验，主要有以下成果：( 1 ) 钻头中心喷射速度加快， 导致切削片内侧冷却速度加快，而喷射速度加快引起自然湍流加快，因而切削片外侧冷 却速度也加快。( 2 ) 方案2 的喷嘴组合方式有最高的传热系数，方案1 次之，方案3 最 小，这是因为方案2 所有液流都通过中央4 个喷嘴，方案1 只有2 7 的液流通过，方案 3 则没有液流通过。 6 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 第二章p d c 钻头水力学特性 2 1p d c 钻头水力学研究方法概述 p d c 钻头水力学目前可归纳为两个方面【4 0 】：一是钻头水力参数，二是钻头井底流 场和水力结构。钻头水力参数主要包括使用过程中为提高钻速和延长钻头使用寿命所应 采取的水力控制参数和措施，如排量、泵压、喷嘴直径、钻头水功率和钻头冲击力等。 钻头井底流场和水力结构主要是钻头设计者在研究液流在井底的流动规律以及液流的 清岩和冷却机理的基础上，为使井底液流和水力能量分布达到最优的清岩和冷却效果而 在钻头设计时研究所应采取的结构形式，如喷嘴尺寸、形状、安放位置、倾角以及钻头 流道形状和布置等。 p d c 钻头水力结构是研究液流在井底和钻头面上的流动规律、水力能量分布以及液 流的清岩和冷却机理，即针对钻头的不同机械结构( 机械破岩所需的结构形式) ，研究 配备不同水力结构形式时所产生的井底流速场和压力场，然后根据水力作用对井底清岩 和钻头冷却效果，找到与某种机械结构相匹配的、能使岩屑尽快离开井底的、以最短路 径到达井壁并举升到环形空间的良好的井底流场，同时研究产生各种不同井底流场的水 力结构条件，为钻头的水力结构优化设计提供依据。 由于在井底条件下，钻头表面结构复杂，有若干喷嘴。就p d c 钻头而言有切削齿、 筋板、流道等，还有钻头的旋转。因此，根据目前流体力学的理论基础，用解析的方法 还不能描述如此复杂结构条件下的流动问题。对于井底流场的研究通常采用的方法是针 对某一具体结构的钻头，通过流动显示实验进行描述和评价。但这种方法受实验条件以 及仪器设备的限制，一般不能给出完整的流道描述结构，且对不同结构的钻头必须制造 不同钻头模型进行实验，实验条件不能进行灵活的改变，导致研究成本较为昂贵。高速 计算机的出现，使通过采用数值计算的方法求解流体力学基本方程的设想成为可能，目 前计算机流体力学已广泛应用于各种水力计算。对钻井井底流场的研究及描述方法分为 流动显示实验法和数值模拟法。因此，到目前为止，关于井底流场的研究及描述方法分 为流动显示实验法和数值模拟法。流动显示实验又具体分为染色液法、贴线法、涂漆法 和示踪颗粒轨迹法。 染色液法是在循环时从钻头某一水眼注入染色液体，观察染色液体在钻头表面上的 覆盖面积，从而求出较好地覆盖整个钻头面的喷嘴组合。用这个方法只能定性研究喷嘴 7 第二章p d c 钻头水力学特性 出流所能冲洗和冷却到的钻头面，对钻头井底流场的研究不是一种有效的研究手段。贴 线法是在要研究的钻头表面粘贴上柔软的彩色短线，当流体循环时彩色短线随液流方向 摆动，彩色短线的摆动方向即为液流流动方向。用这种方法可以定性研究钻头表面的流 场特征，发现钻头表面的漩涡区和滞流区。涂漆法研究钻头流场有三种测试方式。第一 种是“鲜漆测试”，其方法是首先在钻头面上涂上一层漆，并晾干，然后再涂上一层与 第一层漆的颜色形成鲜明对比的漆。在第二层漆涂上之后就立即开始实( 即开泵循环) 验循环几分钟后停泵，循环流体冲刷第二层漆后留在钻头表面的鲜漆图案即为液流的流 线图案。第二种是点漆测试，这种测试是在第一种测试之后，对所得到的流线方向有怀 疑的地方进行补充测试。其方法是在第一层漆晾干之后，那些对流动方向有怀疑的地方 滴上与第一层漆有鲜明对比的漆点，然后开泵循环，通过漆点在钻头表面的扩散情况， 进一步解释该处的流动方向。第三种是“冲蚀”测试，其方法是在钻头上涂上若干层漆， 每层漆要晾干后再涂下一层，每层的颜色有形成对比。等漆干了以后开泵循环，进行冲 蚀实验，根据冲蚀掉的漆的层数判断钻头免得冲蚀程度和易冲蚀点。用涂漆测试的方法 可以描述流体在钻头面上流动的各种不同的流动结构，如漩涡、冲蚀点、回流等。但这 也是一种定性的实验研究方法。示踪颗粒轨迹测试法是目前研究p d c 钻头井底流场应 用比较成功和有效的方法，这种方法是在循环流体中加入具体适当尺寸和密度的一定量 的颗粒，当液流循环时颗粒跟随液体一起循环，每个颗粒相当于一个流体质点，用高速 摄影技术将颗粒在井底的运动轨迹留在胶片上，通过对摄影胶片的图像处理，可以得到 井底某平面的液流速度场，这不仅可以确定液流方向，还可以确定在平面上的液流速度 值。不过，目前这一技术只能用于二维流场的研究。 数值模拟方法是近几年随着计算流体力学学科的发展而产生的一种研究钻头流场 的方法。主要内容是通过求解p d c 钻头条件下的三维不可压缩流体的n a v i e r - s t o k e s 方 程，在计算机上再现p d c 钻头井底流场的物理图像。通过这种方法可以较全面完整地 描述p d c 钻头的三维流场，并可以比较灵活地变化钻头的水力结构条件，为钻头的水 力结构的优化设计提供便利的研究手段。不过，利用这种方法，要求计算机要有大的存 储量速度。随着大型计算机的不断出现数值方法的不断完善，这种方法将有比较广阔的 发展前景。 2 2 喷嘴结构分析与位置确定 在石油钻井过程中，喷嘴的水力参数是一个很重要的因素【4 1 1 ，p d c 钻头对井底的清 8 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 洗和对钻头的冷却都通过喷嘴来实现的。泥浆射流是通过在钻头上的喷嘴形式的，它给 予井底岩屑一个强大的冲击力使其迅速及时地离开井底，并同时冷却p d c 钻头切削齿。 喷嘴的水力特征参数影响射流的质量，关系到整个水力参数计算是否准确。为了充分利 用钻头所能获得的水利能量，必须深入讨论喷嘴的水利参数对p d c 钻头水力性能的影 响。 2 2 1 喷嘴水力特性 喷嘴的水力特性是指喷嘴形成的射流的扩散角大小和等速核长度以及喷嘴流量系数 的大小。 ( 1 ) 射流扩散角 喷嘴射流刚出口的一段，其边界母线近似于直线，并张开一定的角度a ，a 角就称 为射流扩散角，它表示射流的密集程度。实验证明，扩散角越小则射流的密集性就越高， 能量就越集中，射程就越远。从钻井角度来讲，扩散角越小越好。 ( 2 ) 喷嘴流量系数 根据流体力学可知，喷嘴流量系数是喷嘴的实际流量与理论流量的比值。它表征喷 嘴对泥浆的阻力的大小，常用c 值表示。c 值越大，实际流量就越接近理论流量，表明 喷嘴的阻力越小能量的损失也就越少。显然，c 总小于l 。 ( 3 ) 射流等速核长度 射流在喷嘴出口处具有喷嘴射速度。然而在它离开喷嘴出口后，由于受到井底泥浆 的巨大阻力，射流的速度分布发生了很大的变化。射流出口处的一段长度内的中心部分 始终保持着出口时的速度，这个中心部分就称为射流的等速核。等速核的长度射流以后， 射流轴线上的速度迅速降低，射流能量也随之迅速衰减。 等速核是射流能量集中的部分。但由于钻头结构方面的原因，喷嘴出口与井底之间 总有一定的距离。因此从钻井角度来讲等速核越长越好，当喷嘴一定时，等速核越长， 则能量最集中的部分就越接近井底，对井底的清洗效果也就越好。 2 2 2 喷嘴的选用原则 优选喷嘴，改善井底流场是提高钻速的一条重要的途径。而影响喷嘴流量系数、射 流扩散角和等速核长度的主要因素是喷嘴的流道形状。所以我们要得到理想的射流形状 和足够的射流水力参数，就必须选好喷嘴。从钻井要求来讲希望选择流密集性好、流量 系数高、射流扩散角小并且等速核长的喷嘴。 9 第二章p d c 钻头水力学特性 2 2 3 喷嘴组合原则 p d c 钻头水力性能的好坏在很大程度上取决于喷嘴组合是否合理。由于p d c 钻头 的水力结构是按低喷嘴、大冲击、大漫流和不对称流场理论设计的，因此为了保证钻头 合理地清洗、冷却和排屑，在喷嘴组合时，应尽可能使用等径喷嘴或相邻序号的两种喷 嘴。等直径喷嘴的中心压力相等，互相影响，能保证合理的液流分布。如果采用直径相 差大的喷嘴组合，则会造成清洗冷却不均匀，导致钻头先期损坏。大直径喷嘴液流较大 会导致其周围的切削齿及钻头体发生冲蚀破坏。较小直径的喷嘴极有可能在钻进过程中 堵塞，并因液流分布不均匀而造成钻头热损坏及机械损坏。减少喷嘴数目。可以增大喷 嘴直径和井底漫流速度，从而减少了喷嘴堵塞的可能性，因此喷嘴数目应尽可能少。在 喷嘴总流通面积一定条件下，中心喷嘴直径大于或等于边喷嘴直径时，其井底压力分布 有利于钻头清洗，一般出口直径在7 删 1 1 以下的喷嘴容易发生堵塞，不宜采用。 优化钻头喷嘴的直径组合，可以更好地减少滞流区，增加井底流场的不对称性，改 善井底流场的压力梯度，实现更大限度的井底漫流，从而提高钻头对井底的清洗能力。 2 2 4 喷嘴布置方式 喷嘴在钻头上的位置变化将显著改变井底的流动模式，因此喷嘴布置的方式将直接 影响p d c 钻头的水力性能。对于p d c 钻头来说，喷嘴在钻头上的分布要比牙轮钻头灵 活的多，我们应该充分利用这一特点提高p d c 钻头的清洗和冷却效率。常见的喷嘴布 置方式主要有对称布置和非对称布置两种。 对称布置是最常规的喷嘴布置方法，它是将喷嘴高度对称的布置在钻头断面的同一 圆周上，并且喷嘴的径向位置靠近特定刀翼的内侧端，从而实现对该刀翼的清洗。为了 对刀翼进行有效的清洗，这种布置方法需要根据刀翼所产生的切屑量布置几种不同尺寸 的喷嘴。在过喷嘴轴线的流道纵剖面内，流动变化大，容易形成回流，这是钻头设计必 须避免的。然而，当喷嘴射流冲击点落在小半径时，要避免回流是比较困难的。在大半 径处产生的切屑较多，但又由于它们远离射流冲击点，这些地方的流速也较低，结果在 钻头中心附近形成滞流区。这导致钻头排屑困难，影响了p d c 钻头的水力性能。 非对称布置则大大增加了喷嘴布置的灵活性，它不再局限于将喷嘴对称的布置在特 定的刀翼的内侧端，而是从水力学角度并兼顾钻头上切屑量的分布来随机的布置喷嘴， 使喷嘴射流尽可能覆盖整个井底，这样大大提高了喷嘴射流对井底的清洗效率。值得一 提的是，对于直径较大的钻头，必须在离钻头轴心较远的地方布置一些喷嘴，并在钻头 1 0 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 中心安装喷嘴，消除滞流区。从应用情况来看，非对称布置方式已为广大p d c 钻头设 计者所接受。使p d c 钻头的破岩潜力得到了最大程度的发挥。 最近人们又提出了不完全对称布置方案。这种布置方案将喷嘴成对布置，一对通常 靠近钻头中心，另一对靠近钻头保经部分的喷嘴射流向内流经刀翼，流向低压区，之后 于其它射流汇合，清洗其它刀翼，这样喷嘴射流清洗了绝大部分井底。另一方面，尽管 切屑随着半径的增加而增加，外部喷嘴也能及时有效的清洗井底。 2 2 5 喷嘴型号与规格 p d c 钻头在钻井的过程中，钻井液通过喷嘴形成高速射流，达到冲蚀井底岩石，排 除岩屑，冷却切削齿的作用。但钻井液通常含有固相成分，流经喷嘴时，往往引起喷嘴 的严重磨蚀。p d c 钻头的喷嘴在广泛的使用过程中可以分为固定型和互换型两种。固定 型是在钻头胎体中直接烧结成型；互换型是利用碳化钨硬质合金制造的喷嘴，在不同的 钻进情况下更换钻头喷嘴的大小，以获得合理的钻井使用参数。互换喷嘴的水眼直径与 面积尺寸系列见表1 所示。 表2 1 互换喷嘴的水眼直径和面积尺寸 i a b l e 2 - ln o z z l ed i a m e t e ra n da i e as i z eo fj e te x c h a n g e d 喷嘴尺寸公制尺寸流量面积喷嘴尺寸公制尺寸流量面积 ( i n )( m m )( m m )( i n )( m m )( m m ) 7 3 25 5 62 4 2 31 4 3 21 1 1 19 6 9 4 8 3 26 3 53 1 6 51 5 3 21 1 9 11 1 1 2 8 9 3 27 1 44 0 0 61 6 3 21 2 7 01 2 6 2 1 l o 3 2 7 9 44 9 4 61 7 ，3 21 3 4 91 4 2 3 9 1 1 3 28 7 35 9 8 418 3 21 4 2 91 6 0 2 4 1 2 3 29 5 37 1 2 21 9 3 21 5 0 81 7 8 5 4 1 3 3 2 1 0 3 28 3 5 8 2 0 3 21 5 8 81 9 7 8 3 第三章p d c 钻头井底流场物理模型的建立 第三章p d c 钻头井底流场物理模型的建立 由于钻头模型比较复杂，f l u e n t 软件附带的建模工具g a m b i t 不能满足建立模 型的需要，所以本文采用a n s y s 软件建立p d c 钻头井底流场的物理模型，然后由 a n s y s 导入f l u e n t 软件进行计算。 3 1a n s y s 简介【4 2 】 a n s y s 程序是一个功能强大的灵活的设计分析及优化、融结构、热、流体、电磁、 声学于一体的大型通用有限元商用分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、 航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、 轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了一个不断改进的功 能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力分析、设计优化、 接触分析、自适应网格划分、大应变有限转动功能以及利用a n s y s 参数设计语言 ( a p d l ) 的扩展宏命令功能。基于m o t i f 的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式 菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，方便用户操作。在产品设计中，用户可以使用 a n s y s 有限元软件对产品性能进行仿真分析，发现产品问题，降低设计成本，缩短设 计周期，提供设计的成功率。a n s y s 软件能与大多数c a d 软件实现数据共享和交换， 如p r o e n g i n e e r 、n a s t 凡n 、a l o g o r 、i - d e a s 和a u t o c a d 等，它是现代产品设计中高 级的c a d c a e 软件之一。 3 1 1a n s y s 发展过程 a n s y s 公司成立于1 9 7 0 年，总部位于美国的宾夕法尼亚州的匹兹堡，目前是世界 c a e 行业最大的公司。其创始人j o h ns 砌l s o n 博士为匹兹堡大学力学教授、有限元界 的权威。他洞察了计算机模拟工程商品化的发展，把握住了有限元软件发展的方向，使 a n s y s 公司在同行业中一直处于领先地位。 a n s y s 软件的最初版本与今天的版本相比已有很大的区别，它仅仅提供了热分析 及线性结构分析功能，是一个批处理程序，只能在大型计算机上使用。 2 0 世纪7 0 年代初，非线性、子结构以及更多的单元类型的加入；2 0 世纪7 0 年代 末，图形技术和交互式操作方法的应用使得a n s y s 程序法得到了很大的改善，前后处 理技术进入了一个崭新的阶段。 今天a n s y s 软件更加趋于完善，功能更加强大，使用更加便捷。 1 2 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 3 1 2a n s y s 使用环境 a n s y s 程序是一个功能强大、灵活的设计分析及优化软件包【4 3 1 。该软件可浮动运 行于从p c 机、n t 工作站、u n 工作站直至巨型机的各类计算机及操作系统中，数据 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。其多物理场耦合的功能，允许在同一模 型上进行各式各样的耦合计算，如：热一结构耦合、磁一结构耦合以及电一磁一流体一热耦 合，在p c 机上生成的模型同样可运行于巨型机上，这样就保证了所有的a n s y s 用户 的多领域多变工程问题的求解。 a n s y s 可与许多先进c a d 软件共享数据，利用a n s y s 的数据接口，可精确地将 在c a d 系统下生成的几何数据传入a n s y s ，如p r o e n g i n e e r ，n a s t 凡n 、a l o g o r 、 i d e a s 和a u t o c a d 等，并通过必要的修补可准确地在该模型上划分网格并求解，这样 可以节省用户在创建模型过程中所花费的大量时间，极大地提高了工作效率。 与a n s y s 软件能够共享数据接口的，由c a d 软件生成的模型文件格式有：p r o e 、 u 1 1 i 铲印l l i c s 、c a d d s 、i g e s 、s a t 和p a r a s o l i d 。 3 1 3a n s y s 软件的功能 a n s y s 软件含有多种有限元分析的能力，包括从简单线性静分析到复杂非线性动 态分析。一个典型的a n s y s 分析过程可分为以下三个步骤： ( 1 ) 创建有限元模型 ( 2 ) 施加载荷进行求解 ( 3 ) 查看分析结果 a n s y s 软件功能的强大与其有着很多的模块应用是分不开的，a n s y s 的模块化机 构如图3 1 所示。 在有限元的分析过程中，程序通常使用以下三个部分：前处理模块( p r e p 7 ) ，分 析求解模块( s o l u t i o n ) 和后处理模块( p o s t l 和p o s t 2 6 ) 。前处理模块为一个强 大的实体建模和网格划分的工具，通过这个模块用户可以建立自己想要的工程有限元模 型。分析求解模块即是对已建立好的模型在一定的载荷和边界条件下进行有限元计算， 求解平衡微分方程。包括结构分析，流体动力分析、声场分析、电磁场分析、压电分析 和多物理场的耦合分析( 热一应力耦合、流一固耦合、以及电一磁一热一应力耦合) 等。后 处理模型是对计算结果进行处理，可将结果以等值线、梯度、矢量、粒子流及云图等图 形方式显示出来。也可以用图表、曲线的方式输出。 1 3 * = p d c 钻头井r m 物理摸型时建 闺3 - la n s y s 程序的模块化结构 f i 9 3 一i m o d u l a rc o n s t r u c t i r a n s y sp r o g 咖 3 2 物理模型的建立 本文要建立的物理模型是四刀翼五喷嘴的p d c 钻头模型，钻头体外径 径l o o m m ，水眼直径1 6 m m 。钻头的立体图及坐标系直u 图3 2 所示： 图3 0 钻头立体图 f i 驴2b j o c k m a p o f 肼 1 4 中国“油大学( 华东) 大学颤i 学位论文 32 l 设置解题类型 启动a n s y s 程序，进入a n s y s 图形交互界面。单击a n s y sm a i nm e n u 中 p f e 砖r c n c e s ，弹出p r c 托m n c e s f o r g u if i i l e d “g 对话框，如图3 - 3 所示： 图3 0 设置解题类型 f i 9 3 - 3i n s h p m b l e ms 竹i e 选中s t m c t u 训复选框( 解题类型设置为结构问题) ，单击o k 按钮。 3 22 添加单元类型 在a n s y sm m nm e n u 中依次单击p r c p r o c e s s o r e l m e mt y p e _ a d d ，e d i “d e l e t e ， 弹出e l e m e n tt y p e s 对话框如图3 4 所示，点击a d d 按钮弹出l i b r a r yo fe l e m e n tt y p e s 对话框如图3 - 5 所示，在图3 5 所示的对话框中依次选择s o l d ( 实体单元) 一b n c k8 n o d e 4 5 ( 长方体8 节点单元) ，单击o k 按钮，返回e l e m e n tt y p e s 对话框，如图3 6 所示。 可以看到单元类型编号为2 ，单元类型为s o l i d 4 5 。 323 添加材料属性 在a n s y sm a i nm e 肌中依次单击p r e p r o c e s s o r m a i c d 甜p r o p s m 缸e n 削m o d e l ，弹 出d e 6 n em 越e i 纠m o d c ib e h a v l o r 对话框，如图3 7 所示。 在对话框右面的列表框m a 把 酊m o d e l s 舢缸l a b l e 中，依次单击