石油钻头流体动力学仿真及水力结构设计
发布时间：2021-04-17 05:26
钻头的水力结构会影响井底清洁程度和切削齿的冷却效果,进而影响钻头的钻进效率和钻头寿命。通过研究钻头的井底流场,可以优化钻头的水力结构,使钻井液携带岩屑、辅助破岩的作用得到更好的发挥,使钻头获得更好的钻进性能。现今大多学者对PDC钻头、牙轮钻头、混合钻头的非旋转流场进行了研究,但对其旋转流场研究较少。针对以上问题,此次应用Fluent对这三种钻头的井底旋转流场进行了数值模拟仿真。依据仿真结果对钻头的喷嘴位置、喷嘴数量、喷嘴尺寸、喷嘴方向进行了改进。研究结果表明:PDC钻头3中心喷嘴垂直—3外围喷嘴向外井底流场较好;牙轮钻头3喷嘴向外井底流场较好;混合钻头4喷嘴改进井底流场较好。针对改进后的钻头研究了不同入口压力对钻头流场的影响。研究结果表明,随着入口压力的增大,岩屑运移路径上的压力幅值与压力波动变大,压力幅值较大有利于岩屑的运移。最终利用DPM模型研究了岩屑在三种钻头流场内的运移轨迹及分布状况。
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线
第二章钻头流场理论9虽然高压水射流会扩展井岩石的裂缝，并对井底岩石进行冲蚀，但是由于水射流水力能量的限制，岩石不能被直接破碎，因此水力破岩只能作为辅助作用辅助钻头机械破岩。2.2流体的运动状态PDC钻头、牙轮钻头、混合钻头形状复杂，流体速度较高，高速流体在井底形成了复杂的流常根据流场内流体运动状态，可将流体运动大致分为射流、漫流、涡旋。2.2.1喷嘴射流射流是指在一定形状和一定尺寸的喷嘴内，由于喷嘴内的压力较大，流体喷射形成的高速射流。若高压流体的射流不受壁面、空间等因素的限制，称为自由射流，反之称为非自由射流。当射流射入空气与液体中时，分别称为非淹没射流和淹没射流。由于井底壁面的限制，且井底始终充满着的液体，因此井底的这种射流称为淹没非自由射流。当周围淹没液体静止时，射流流动与周围淹没静止液体存在一个交界面，且在此交界面上流体速度为零。当周围淹没液体非静止时，此运动状态称为伴随射流。依据射流运动的速度分布可得到射流结构示意图，如图2-1所示。图2-1显示速度为0V的流体喷射至速度为SV的流体中的速度分布。图2-1射流结构示意图
第二章钻头流场理论11图2-23喷嘴钻头井底漫流2.2.3涡旋涡旋是井底流场最为常见的一种运动状态，它是流体与流体微团的旋转运动。井底存在的大尺度涡旋，运动状态规则，可用肉眼发现。井底壁面附近存在的小尺度涡旋，不可以用肉眼发现。小尺度涡旋是由于垂直于壁面方向存在较大的速度梯度，在粘性力的作用下使流体剪切形成的。然而，井底存在的大多涡旋是由于井底流场的湍流运动形成的，且涡旋尺寸不同。涡旋常常存在于井底形状复杂的位置，可卷吸井底岩屑，但不利于岩屑排出。(a)大尺度涡旋(b)近壁面(c)湍流运动涡旋图2-3涡旋
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于DPM模型的双级PDC钻头流场特性研究[J]. 闫炎,管志川,阎卫军,耿潇,呼怀刚. 石油机械. 2019(09)
[2]水平井PDC钻头井下颗粒流数值模拟研究[J]. 况雨春,张锐,罗金武,朱光辉. 石油机械. 2019(07)
[3]领眼与扩眼双级PDC钻头井底流场数值模拟[J]. 闫炎,管志川,杨才,阎卫军,耿潇. 石油钻采工艺. 2019(01)
[4]调流剂颗粒在裂缝中的输送实验与数值模拟[J]. 巫光胜,张涛,钱真,韩琦. 断块油气田. 2018(05)
[5]基于FLUENT-EDEM耦合的离心选矿机搅拌器仿真分析[J]. 戴聪聪,龙小建,罗小燕,姚子茂. 矿业研究与开发. 2018(07)
[6]基于CFD-DPM模型的浮选机内固相颗粒行动行为研究[J]. 陈飞飞,沈政昌,樊学赛,郑富铭,陈建华. 矿产保护与利用. 2018(03)
[7]搅拌罐内基于EDEM-FLUENT耦合的多相流混合数值模拟[J]. 王建明,邱钦宇,何讯超. 郑州大学学报(工学版). 2018(05)
[8]流道形状对PDC钻头携岩和冷却效率影响研究[J]. 况雨春,王芳,冯明,魏莉鸿. 机械设计. 2018(03)
[9]喷嘴直径匹配对PDC钻头流场特性影响[J]. 田志欣,王国华,李源源,贺培. 钻采工艺. 2017(05)
[10]?660.4mm牙轮钻头水力结构的改进与现场试验[J]. 吴雪平,李书亮. 石油机械. 2017(06)
硕士论文
[1]基于CFD-DEM耦合的水平井PDC钻头井底流场研究[D]. 罗金武.西南石油大学 2018
[2]生活垃圾振动风选机仿真与设计[D]. 虢建.苏州大学 2017
[3]高压喷射钻井井底流场模拟[D]. 李轩.西南石油大学 2016
[4]高含硫气藏地层硫沉积规律研究[D]. 李周.西南石油大学 2016
[5]水平井PDC钻头水力学研究[D]. 史吉辉.中国石油大学 2010
[6]异形牙轮单牙轮钻头运动和流场分析[D]. 盛友萍.西南石油学院 2002
本文编号：3142892
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线
第二章钻头流场理论9虽然高压水射流会扩展井岩石的裂缝，并对井底岩石进行冲蚀，但是由于水射流水力能量的限制，岩石不能被直接破碎，因此水力破岩只能作为辅助作用辅助钻头机械破岩。2.2流体的运动状态PDC钻头、牙轮钻头、混合钻头形状复杂，流体速度较高，高速流体在井底形成了复杂的流常根据流场内流体运动状态，可将流体运动大致分为射流、漫流、涡旋。2.2.1喷嘴射流射流是指在一定形状和一定尺寸的喷嘴内，由于喷嘴内的压力较大，流体喷射形成的高速射流。若高压流体的射流不受壁面、空间等因素的限制，称为自由射流，反之称为非自由射流。当射流射入空气与液体中时，分别称为非淹没射流和淹没射流。由于井底壁面的限制，且井底始终充满着的液体，因此井底的这种射流称为淹没非自由射流。当周围淹没液体静止时，射流流动与周围淹没静止液体存在一个交界面，且在此交界面上流体速度为零。当周围淹没液体非静止时，此运动状态称为伴随射流。依据射流运动的速度分布可得到射流结构示意图，如图2-1所示。图2-1显示速度为0V的流体喷射至速度为SV的流体中的速度分布。图2-1射流结构示意图
第二章钻头流场理论11图2-23喷嘴钻头井底漫流2.2.3涡旋涡旋是井底流场最为常见的一种运动状态，它是流体与流体微团的旋转运动。井底存在的大尺度涡旋，运动状态规则，可用肉眼发现。井底壁面附近存在的小尺度涡旋，不可以用肉眼发现。小尺度涡旋是由于垂直于壁面方向存在较大的速度梯度，在粘性力的作用下使流体剪切形成的。然而，井底存在的大多涡旋是由于井底流场的湍流运动形成的，且涡旋尺寸不同。涡旋常常存在于井底形状复杂的位置，可卷吸井底岩屑，但不利于岩屑排出。(a)大尺度涡旋(b)近壁面(c)湍流运动涡旋图2-3涡旋
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于DPM模型的双级PDC钻头流场特性研究[J]. 闫炎,管志川,阎卫军,耿潇,呼怀刚. 石油机械. 2019(09)
[2]水平井PDC钻头井下颗粒流数值模拟研究[J]. 况雨春,张锐,罗金武,朱光辉. 石油机械. 2019(07)
[3]领眼与扩眼双级PDC钻头井底流场数值模拟[J]. 闫炎,管志川,杨才,阎卫军,耿潇. 石油钻采工艺. 2019(01)
[4]调流剂颗粒在裂缝中的输送实验与数值模拟[J]. 巫光胜,张涛,钱真,韩琦. 断块油气田. 2018(05)
[5]基于FLUENT-EDEM耦合的离心选矿机搅拌器仿真分析[J]. 戴聪聪,龙小建,罗小燕,姚子茂. 矿业研究与开发. 2018(07)
[6]基于CFD-DPM模型的浮选机内固相颗粒行动行为研究[J]. 陈飞飞,沈政昌,樊学赛,郑富铭,陈建华. 矿产保护与利用. 2018(03)
[7]搅拌罐内基于EDEM-FLUENT耦合的多相流混合数值模拟[J]. 王建明,邱钦宇,何讯超. 郑州大学学报(工学版). 2018(05)
[8]流道形状对PDC钻头携岩和冷却效率影响研究[J]. 况雨春,王芳,冯明,魏莉鸿. 机械设计. 2018(03)
[9]喷嘴直径匹配对PDC钻头流场特性影响[J]. 田志欣,王国华,李源源,贺培. 钻采工艺. 2017(05)
[10]?660.4mm牙轮钻头水力结构的改进与现场试验[J]. 吴雪平,李书亮. 石油机械. 2017(06)
硕士论文
[1]基于CFD-DEM耦合的水平井PDC钻头井底流场研究[D]. 罗金武.西南石油大学 2018
[2]生活垃圾振动风选机仿真与设计[D]. 虢建.苏州大学 2017
[3]高压喷射钻井井底流场模拟[D]. 李轩.西南石油大学 2016
[4]高含硫气藏地层硫沉积规律研究[D]. 李周.西南石油大学 2016
[5]水平井PDC钻头水力学研究[D]. 史吉辉.中国石油大学 2010
[6]异形牙轮单牙轮钻头运动和流场分析[D]. 盛友萍.西南石油学院 2002
本文编号：3142892
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