定向井pdc钻头保径特征对水力效果的影响

定向井PDC钻头保径特征对水力效果的影响摘要在定向井作业中，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。其中钻头保径结构对井底水力清洗效果的影响尤为明显。本文利用计算流体力学分析软件FLUENT分析软件分析了PDC钻头保径长度和螺旋角度的变化对水力清洗效果的影响。总结出适合定向井的PDC钻头的保径长度和螺旋角度，从而为定向PDC钻头保径参数优化设计提供依据。关键词保径长度；螺旋角度；计算流体力学；优化设计THEINFLUENCEOFTHEPDCBITGAGECHARACTERISTICPARAMETERSONHYDRAULICEFFECTINDIRECTIONALDRILLINGABSTRACTINDIRECTIONALDRILLINGPROCESS,GAGEDESIGNANDCONFIGURATIONDIRECTLYAFFECTSTHESTABILITYOFDRILLBIT,STEERABILITYANDBOREHOLEQUALITYWHEREINTHEGAGESTRUCTUREPLAYSAVERYIMPORTANTROLEONCLEANINGEFFECTINTHISPAPER,BYUSINGTHECOMPUTATIONALFLUIDDYNAMICSANALYSISSOFTWAREFLUENTANALYSISSOFTWARETOANALYZETHEEFFECTOFPDCBITGAGELENGTHANDSPIRALANGLEONHYDRAULICCLEANINGEFFECTSUMMARIZINGTHESUITABLEGAGELENGTHANDSPIRALANGLEFORDIRECTIONALPDCBIT,WHICHPROVIDESTHEBASISOFPDCBITGAGEDESIGNOPTIMIZATIONKEYWORDSGUAGELENGTHSPIRALANGLECOMPUTATIONALFLUIDMECHANICSDESIGNOPTIMIZATION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21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。KT12TC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，M/S。出0U0V047W口压力设为10MPA。介质选为水。2计算结果分析21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15，30和45的流体速度分布分别如下A，B，C所示。ABC图3不同螺旋角度的保径流体速度分布图当保径的长度为60MM时，螺旋角度是15，30和45的流体动态压力分布分别如下A，B，C所示。ABC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279M/S，最大动态压力为，而当螺旋角度为45时，两者的值分别为403M/S和。这是247810PA58091PA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。22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。ABC图5不同长度的保径流体速度分布图当螺旋角度30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。ABC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54810MPA的动态压力最大值是，变化幅度较小。5401MPA3、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2IN4IN，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