PDC鉆頭井底水力參數(shù)理論與數(shù)值模擬研究

劉照義，張凌峰，王翠姣

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PDC鉆頭井底水力參數(shù)理論與數(shù)值模擬研究

劉照義1，張凌峰2，王翠姣2

（1. 東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318； 2. 燕山大學(xué)，河北秦皇島 066000）

為了精確計算模擬鉆井過程井底水力參數(shù)，以Solidworks制圖軟件建立了三維模型，利用流體力學(xué)軟件Fluent的模型對井底PDC鉆頭進(jìn)行了三維流場數(shù)值模擬，從理論計算和數(shù)值模擬對噴嘴流量，沖擊力和水功率兩方面分析了PDC鉆頭水力參數(shù)，分析結(jié)果證明數(shù)值模擬能夠較為精確地描述井底不同方位影響的水力參數(shù)，為優(yōu)化PDC鉆頭水力參數(shù)與井底流場理論研究提供了重要依據(jù)，具有良好的參考價值。

PDC鉆頭；井底流場；數(shù)值模擬；fluent

油氣勘探開發(fā)難度日益增大，要求勘探開采技術(shù)的不斷提高以需要滿。PDC鉆頭是鉆井過程中實現(xiàn)高效、快速、經(jīng)濟(jì)鉆進(jìn)破巖的尖刀隊，更是油氣現(xiàn)場更廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一。常規(guī)理論計算對井底研究結(jié)果粗略，而目前油氣井學(xué)者運用CFD軟件實現(xiàn)了數(shù)學(xué)模型對計算機模擬圖形可視化的過程，從模擬結(jié)果圖形可以粗略觀查分析流線場，速度矢量場以及壓力場，但對于某些水力參數(shù)未曾精確獲得。

計算流體力學(xué)軟件可以較為精確計算井底流場，筆者運用fluent后處理功能實現(xiàn)計算機圖形對數(shù)學(xué)結(jié)果的再次轉(zhuǎn)換，進(jìn)而數(shù)值化地研究清楚PDC鉆頭在井底的水力參數(shù)，對于冷卻潤滑鉆頭，清洗巖屑，高效經(jīng)濟(jì)勘探開發(fā)，提供了重要手段依據(jù)。

1 常規(guī)鉆頭水功率理論研究

當(dāng)前，PDC鉆頭水功率的研究主要是參考鉆井相關(guān)教材[1]所研究的已廣泛應(yīng)用的理論公式。其中，多數(shù)參數(shù)計算多為粗略計算，對于不同結(jié)構(gòu)、不同方位，不能夠很好的反映井底參數(shù)。在鉆進(jìn)過程只能靠增大泵送量等改善井底環(huán)境，那么，就會造成能量的損失與浪費，造成經(jīng)濟(jì)的浪費。

噴射式鉆頭的主要水力結(jié)構(gòu)特點是在鉆頭上安放具有一定結(jié)構(gòu)特點的噴嘴。鉆井液通過噴嘴后，能形成具有一定水力能量的高速射流，以射流沖擊的形式作用于井底，從而清除井底巖屑和破碎井底巖石。噴嘴以其不同的結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的射流能量不同。射流的主要作用有沖擊壓力作用和漫流橫推作用兩種。

射流水利參數(shù)包括：射流水力速度、射流沖擊力、射流水功率三種。

鉆頭噴嘴出口處的射流速度稱為射流噴射速度，習(xí)慣上稱為噴速。其計算式為

其中：

（2）

—通過鉆頭噴嘴的鉆井液流量，L/s；

A—噴嘴出口截面積，cm2;

d—噴嘴直徑(=1,2,…,)，cm;

—噴嘴個數(shù)。

射流在其作用的面積上的總作用的大小稱為射流沖擊力。其形式為

式中：j——射流沖擊力，kN；

單位時間內(nèi)射流所具有的做功能量，稱為鉆頭水功率。其表達(dá)式為

式中:j——射流水功率，kW。

2 數(shù)值模擬射流水力參數(shù)

要在實際工程中按照鉆井液粘度排量的不同而計算各個噴嘴出口的實際水力參數(shù)就顯得及其困難。而鉆頭實際水力參數(shù)對于高效、快速、安全鉆井有著及其重要的意義。受地層巖性或鉆井液參數(shù)影響，鉆頭某個噴嘴處流量減少或堵塞，會出現(xiàn)泥包[2]現(xiàn)象，切削齒受冷卻潤滑作用降低，會產(chǎn)生刀齒高溫碳化崩齒現(xiàn)象，井底巖屑清洗不徹底，會出現(xiàn)壓實和重復(fù)磨削現(xiàn)象[3]。這樣就對保質(zhì)保量、快速安全鉆井、水力攜巖破巖[4]就產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

（1）筆者首先根據(jù)現(xiàn)場某簡單鉆頭，利用制圖軟件Solidworks建立模型，然后帶入水力計算軟件fluent設(shè)置邊界條件進(jìn)行計算，對最終結(jié)果進(jìn)行分析研究，與理論公式結(jié)果進(jìn)行對比分析（圖1）。

圖1 三維鉆頭模型

Fig.1 3D bit model

（2）帶入Fluent進(jìn)行計算

將繪制模型帶入workbench進(jìn)行流道設(shè)置，繪制網(wǎng)格，最終帶入Fluent設(shè)置邊界條件。以液態(tài)水作為流體，即鉆井液，選擇模型。鉆頭以及流體的相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 相關(guān)參數(shù)表

（6）

采用N-S方程[5],湍流動能方程和擴(kuò)散方將參數(shù)設(shè)置好帶入Fluent得出流場結(jié)果如圖2-4。

圖2 速度矢量圖

Fig.2 Velocity vector chart

圖3 流線分布圖

Fig.3 Streamline distribution diagram

圖4 流場速度分布圖

由以上計算結(jié)果分析可得，鉆井液自鉆頭[6]內(nèi)部流入井底并反出井底過程中，流速在噴嘴出口位置流速最大，相應(yīng)的流體沖擊井底后，流速環(huán)內(nèi)核速度瞬間為零而壓力瞬間增大，可用于[7]沖擊破碎巖石，清洗巖屑。

利用CFD-POST后處理功能中的Table功能，將所得結(jié)果進(jìn)行數(shù)值顯示，結(jié)果如表2。

表2 模擬結(jié)果參數(shù)表

由圖2可以看出，對于不同角度，不同方位的噴嘴，在相同工作環(huán)境和尺寸條件下，結(jié)果各不相同。那么，對于理論公式計算的平均各個噴嘴的水力參數(shù)精確度就顯得略微欠缺，即難以描述各噴嘴流出的鉆井液冷卻潤滑作用[8]的差異性。

3 理論計算與數(shù)值模擬對比分析

3.1 理論公式計算

根據(jù)已知參數(shù)條件，帶入常規(guī)理論公式進(jìn)行計算，得到結(jié)果如表3。

表3 理論結(jié)果參數(shù)表

3.2 射流參數(shù)計算研究

將上述數(shù)值帶入理論公式直接計算和在fluent中建立相應(yīng)平面，在繪制平面直接求解，得出射流參數(shù)如表4。

表4 理論公式與數(shù)值模擬結(jié)果

通過對比分析兩種方式，由表4、圖5和圖6可以看出，數(shù)值模擬計算的噴嘴流量略小于理論公式計算結(jié)果；數(shù)值模擬計算井底壁面所受最大射流沖擊力要小于理論值；相應(yīng)的數(shù)值模擬的射流功率[9]與理論值相差很大。

深層次考慮研究理論與數(shù)值模擬[11]結(jié)果的差異得出以下結(jié)論：對于PDC鉆頭結(jié)構(gòu)[12]不同，主要是噴嘴方位結(jié)構(gòu)以及角度存在差異，加上各種泵排量工況下，各個噴嘴的數(shù)值計算所得流量與理論值有差異且不同結(jié)構(gòu)噴嘴結(jié)果不同；在鉆井液噴出噴嘴后，受井底擾動耗損、流體粘度[13]、以及噴射距離、流速核的尺寸等諸多因素影響，噴嘴作用在井底的沖擊力要比理論值減小；相應(yīng)的噴嘴的水功率也就大大減小，即理論值乘以修正參數(shù)所得結(jié)果即為實際值，上述計算的射流水功率為0.588。另外，數(shù)值模擬[14]研究本身也有一定微小誤差，這也是產(chǎn)生差異的因素之一。

圖5 噴嘴流量圖

圖6 噴嘴1、2、3水力參數(shù)對比圖

4 工程問題研究應(yīng)用

根據(jù)類似方法，計算流體力學(xué)數(shù)值模擬在現(xiàn)場已開始研究應(yīng)用。

4.1 流場模擬案例

學(xué)者李根生、陳修平等人運用計算流體力學(xué)，研究了井底流場數(shù)值模擬，研究了鉆頭防泥包等問題；于洪石等人運用計算流體力學(xué)方法，研究了PDC鉆頭超高壓射流特性與噴嘴設(shè)計；祝效華等人根據(jù)井底流場速度矢量，研究了清洗巖屑等問題；況雨春等人根據(jù)井底流場數(shù)值模擬，研究了噴嘴對切削齒的影響等問題；于小龍等人運用中心分區(qū)式流場模擬，研究了各刀翼流量配比[15]等問題。

4.2 常規(guī)計算水力參數(shù)與數(shù)值模擬對比

在實際生產(chǎn)與工程問題中，對于常規(guī)試驗研究方法，試驗條件多為高壓、高溫、高排量，制造與改進(jìn)模型難度大、成本高、耗時、操作與試驗條件等影響，其結(jié)果往往存在一定誤差，而計算流體數(shù)值模擬[16]正好解決了上述問題，并且模擬起來方便，且結(jié)果也具有很高的參考價值，是未來被廣泛運用于現(xiàn)場或生產(chǎn)制造[17]的熱門手段。

5 結(jié)論

（1）運用計算流體力學(xué)對井底射流水力參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，可實時反應(yīng)不同結(jié)構(gòu)、方位角度以及排量下井底的流場情況。結(jié)果得出噴嘴角度越接近垂直，流體速度方向改變較小，越利于流體流動，則噴嘴流量速度越大。根據(jù)模擬結(jié)果對理論公式進(jìn)行修正，提出該PDC鉆頭水力射流功率修正參數(shù)為0.588。

（2）利用模擬計算得到的水力參數(shù)可以快速、便捷地分析解決工程問題，如防泥包、清洗巖屑、減少沖蝕、冷卻鉆頭、優(yōu)化排量與優(yōu)化鉆頭冠部結(jié)構(gòu)等，是日趨受歡迎的井底流場研究手段之一。

（3）利用計算流體力學(xué)方法與軟件與后處理功能，建立了一種便捷式研究鉆頭射流水功率的數(shù)值模擬思路，更加快速、經(jīng)濟(jì)、省時。但計算流體力學(xué)本身具有微小誤差，對計算結(jié)果也會造成細(xì)微影響。

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Theoretical and Numerical Simulation on the Hydraulic Parameters of PDC Bit

1,2,2

（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China;2. Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066000, China）

In order to accurately calculate the hydraulic parameters of wellbore, the three-dimensional model was established by using Solidworks software, and the three-dimensional flow field of PDC bit was simulated by fluid model Fluent.The hydraulic parameters of the PDC bit were analyzed by theoretical calculation and numerical simulation. The results show that the numerical simulation can accurately describe the hydraulic parameters of the PDC bit, which can provide an important basis for optimization of the PDC bit hydraulic parameters and research on bottom hole flow field theory.

PDC bit; Bottom hole flow field; Numerical simulation; Fluent

TE 242

A

1671-0460（2017）06-1152-04

2016-12-03

劉照義（1992-），男，河北省石家莊市人，東北石油大學(xué)研究生，研究方向：油氣井工程與流體力學(xué)。E-mail：846382907@qq.com。