基于CFD-DEM耦合的水平井PDC钻头水力结构研究

发布时间：2022-01-20 17:40

　　钻采深层页岩气的水平井段多为泥岩、页岩等黏性地层,为提高钻井效率和减少钻头泥包的发生,必须保证井底岩屑被快速运移,这对PDC（polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片）钻头的水力结构提出了要求。为此,基于CFD-DEM（computational fluid dynamics-discrete element method,计算流体动力学-离散单元法）耦合方法,对水平井PDC钻头井底流场进行数值模拟分析,并以岩屑滞留量和岩屑运移比作为评价指标,对直径为152.4 mm的五刀翼PDC钻头的流道形状、喷嘴数量、喷嘴排布方式及喷嘴直径等水力结构参数进行分析。最后,对水力结构改进后的PDC钻头进行现场应用。数值模拟结果表明:流道形状为抛物线型的PDC钻头具有更好的携岩性能;在总喷射面积相同的情况下,PDC钻头应采用较少数量的喷嘴;喷嘴等径排布的PDC钻头的携岩性能优于非等径排布的;在一定范围内,适量减小PDC钻头喷嘴直径有利于岩屑运移。现场应用结果表明,在同区块、同地层的多个水平井段钻进时,水力结构改进后PDC钻头的钻井效率更高。研究结果可为PDC钻头结... 

【文章来源】：工程设计学报. 2020,27(05)北大核心CSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

基于CFD-DEM耦合的PDC钻头井底流场数值模拟流程

以水平井中直径为152.4 mm、含5个喷嘴且具有后排切削齿的五刀翼PDC钻头为例，对其井底流场进行数值模拟。建模时，对PDC钻头不必要的特征结构（如喷嘴出口）进行简化。五刀翼PDC钻头的三维模型如图2所示，2个相邻刀翼的侧面与钻头基体外表面构成一个流道，其中1号、3号和4号流道为主流道，2号和5号流道为副流道。将水平井井底壁面简化为光滑井底，并依据PDC钻头的布齿轮廓线，采用Unigraphics NX软件中的布尔减运算功能建立水平井PDC钻头井底流场计算域几何模型，如图3所示。整个模型的轴向长度为PDC钻头直径的3倍，以保证流场中钻井液湍流的充分流动和对岩屑运移情况的监控。图3 水平井PDC钻头井底流场计算域几何模型

水平井PDC钻头井底流场计算域几何模型

【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]深层页岩气钻井技术难点与对策[J]. 樊好福,臧艳彬,张金成,张海平.  钻采工艺. 2019(03)
[3]垂直旋转流场中单颗粒运动状态判别及受力分析[J]. 赖科,马欣.  计算力学学报. 2019(01)
[4]基于CFD-DEM耦合模型的大粒径非常规岩屑颗粒运移规律研究[J]. 邵兵,闫怡飞,毕朝峰,闫相祯.  科学技术与工程. 2017(27)
[5]基于UG/OPEN的PDC钻头切削参数仿真方法[J]. 况雨春,陈玉中,屠俊文,张智.  石油钻探技术. 2014(04)
[6]基于泥包最小化的PDC钻头水力参数优选[J]. 陈修平,邹德永.  特种油气藏. 2014(04)
[7]PDC钻头流场数值仿真与水力结构优化[J]. 祝效华,邓福成,贾彦杰,童华,许建民.  石油机械. 2010(08)
[8]井底漫流场数值模拟研究[J]. 陈小榆,刘义军,宋晓健,孟英峰,熊继有.  西南石油学院学报. 2002(01)



本文编号：3599248