应用新计算流体动力学技术改善PDC钻头性能_图文

维普资讯 http://www.cqvip.com

20  











程  

F e gn Oi i d Engi ern   or i   l el  f ne i g

Vo 1  No.   1 8 6


2。 6 O 2. 

应 用 新 计 算 流体 动 力 学技 术 改善 P C 钻 头性 能    D
G . . t n e  R Was  t o

翻 译 :李 艳 丽 冯 志建  张宏 伟 (   辽河油田工程技术研究院)  
校 对 :温 国 强 ( 辽河油 田分 公 司勘探 开发研究 院)  

头才 能 获得 最 佳性 能 。尤 其钻 长 井  从 钻 头 内部 流 道泵 入 透 明流体 ,流 
段 和 延 伸 井 段 时 , 由 于 系 统 损 耗 降  体 中 加 入 一 种 中性 悬 浮 颗 粒 用 以显 

低 了钻 头 所 需 的机 械 能 及 水 力 能 ,  
因而 改善 钻 头性 能显 得 更加 重 要 。   1 。钻 头 清 洗 

示钻 头 四周 流 体 的流 动方 式 。真 实 
再 现 井 底 条 件 非 常 困 难 , 并 且 费 用  也 高 ,但 是 在 室 温 及 室 内 压 力 、钻  的 流 动 方 式 与 真 实 的 井 底 流 动 方 式  通 过 高 速 视 频 对 流 动 状 况 进 行 

当 岩屑从 钻 头 表 面能够 快 速运  头 不 转 并 用 水 作 钻 井 液 条 件 下 得 出  
移 到 环 空 中 时 ,机 械 钻 速 ( O ) R P 
主题 词 PDC 钻 头  CF 技   D

也会 很快 ,因而 维持 钻 头表 面 流体  很 近似 。  

的高 速流 动很 有 必要 。在某 些 地层 

术  流 动  模 拟   切 削 齿  


中 , 因 为 不 能 马 上 消 除 钻 头 表 面 岩   详 细分 析 。一束 片 状激 光 穿过透 明  



引 言 

屑 的 微小 磨擦 ,导致 岩屑 附 着 在流  圆 顶 用 作 高 强 度 照 明 ,通 过 把 流 体 
速 慢 的 区 域 ,形 成 钻 头 泥 包 。   2 。钻 头 冷 却  素 是 切 削 齿 密 度 和 切 削 齿 的 耐 磨 

运 动慢 速 重放 ,可 以在 任何 平 面上 
看 到 单 个 颗 粒 的 运 动 ,这 样 在 各 个  的 流 动 模 式 

尽 管 P C 钻 头 的 开 发 已 有 2  D 0

多 年 。但 是 其性 能 仍 在不 断改 进 并 
完 善 。 随 着 P C 钻 头 在 全 世 界 应  D 越 来 越 高 , 这 就 促 进 设 计 人 员 寻 找  新 的 设 计 工 具 , 加 快 研 制 开 发 速 
度 

影 响 P C 钻 头 寿 命 的 重 要 因  侧 面 进 行 同 样 操 作 就 可 建 立 起 完 整  D

用 范 围不 断 扩大 ,对 其性 能 要求 也  性 , 当 温 度 达 到 70 ℃ 时 ,切 削 齿  0

用 多普 勒 激 光测 速仪 可 以测量 

会迅 速 热解 。因此 为 延长 钻 头使 用  流体 流 速 ,从 而 对流 体进 行 定量分  寿命 ,最 好 是 尽 可 能 地 冷 却 P C 析 。用 一 对激 光 束 照射 到圆 顶上 并  D  切 削齿 。通 过 保持 流体 在 所 有切 削  使其 聚 焦 到一 点 ,通 过光 束 之间 的 
  齿及 其 上 的 聚晶金 刚 石复 合 片表 面  干 涉 图 可 以 确 定 该 点 的 三 维 流 速 。 上 的 流 速 ,可 以有 效 冷 却 切 削 齿 。   综 上 所 述 ,进 行 水 力 设 计 的 主  要 目的 是 :① 快 速 运 移 岩 屑 到 环 空  切 削齿 。   用 这 种 实 验 的 结 果 来 设 计 钻 头 需 要  花 费 大 量 时 间 和 精 力 , 因 此 为 减 少 

以前 。在 设 计 P DC钻 头 时 曾  
应 用 过 C D 技 术 , 但 是 早 期 技 术  F 的 计 算 及 网格 生 成 能 力 有 限 ,在 生  成 高 度 逼 真 的 钻 头 模 型 或 者 对 单 个  Am d r aa开 发 计 划 中 , 该 技 术 应 用 

实验 次 数 ,缩 短钻 头 研制 周期 ,需 
动力 学 ( F 。 C D) 

切 削 齿 进 行 模 拟 时 受 到 限 制 。 在  中 ;② 保持 对 钻头 的 清洗 ;③ 冷 却  要寻 找 一种 解 析 工具 ,即计算 流体  2 。计 算方 法 
C D 技 术 广 泛 用 于 马 达 空 转 及  F

了新 的 网格生 成 技术 ,从 而 使新 计  算流 体 动 力 学 技 术 成 为 ~ 种 实 用 
性 、适 应 性 强 的 设 计 工 具 。  

三 、流 动 方 式 的模 拟 
从 P C 钻 头 每 个 喷 嘴 流 出 的  D

过 滤 系统 中 ,研 究并 优选 它们 的 流 

二 、水 力 因 素 对 钻 
头 性 能 的 影 响 

流 体 由 于受 到 切 削 齿 、井 底 弧 度 、 体 流动 模式 。因 为它 能迅 速 经济地   
钻头 本体 以及从 其 它 喷 嘴流 出流体  生成 大 量 流动 信 息 ,也 常用来 作 为  的影 响 ,其 流 动方 式非 常 复杂 ,难  实验 方 法 的补 充 或 比较方 案 。在难 
于 采 用 实 验 方 法 的 条 件 下 ( 高 压  如 情 况 ) 应 用 该 技 术 更 具 有 优 越 性  通 过 正 确 建 立 C D 模 型 可 以 模 拟  F 用 网格 形 式 描 述 大 量 流 体 的 运 动 ,  

改进 钻头 性 能 的最 终 目的是 降  以 预 测 。 通 常 采 用 以下 两 种 方 式 来   低钻 井 成 本 。 钻 头 性 能 通 常 用 钻  研 究 钻 头周 围流体 的 流动 方式 :  

速 、寿命 、方 向 响 应 等 参 数 描 述 。  
影 响 钻 头 性 能 的 因 素 主 要 有 切 削 齿  结 构 设 计 、切 削 齿 技 术 , 水 力 因 素 

1 实 验 方 法  。

流 动显 像 实验 法是 模拟 流 体 流  大部 分 的层 流 和 紊流 模式 。该 技 术 
动 方 式 最 直 接 可 行 的 方 法 。 实 验 

则是 另一 个对 钻 头性 能 有 显 著影 响  中 ,钻 头用 一 个类 似 于井 底形 状 的 

用数 值 迭代 法 求 解并 计算 出流体 的 

  的 因素 ,只有 合 理利 用 水 力 能 ,钻  透 明 圆顶 罩 住 ,该 圆顶 是 密 闭 的 , 速 度 、压力 和 每 个 网格 内其 它的 可 

维普资讯 http://www.cqvip.com
李 艳 丽 等 :应 用 新 计 算 流 体 动 力 学 技 术 改 善 P DC 钻 头 性 能  21  

变量  通 常 由制 图程 序 显 示 出解 的 
序 

C D软 件使 用两 种 方法 进 行 计  动 方 式 有 着 影 响 ,它 们 改 变 了不 同  F

情 况 ,该 制 图程 序也 称 为 后处 理 程  算 :有 限元 法 ( 应力 分 析技 术 )和  喷 嘴 之 间 流 动 的 相 互 作 用 ,使 流 体  
有 限 体 积 法 。 根 据 经 验 ,在 相 同 条   向 下 流 向 排 屑 槽 并 减 少 了 翼 片 上 的  以前 的 C D技 术计 算 能 力 及 网  件 下 建议 使 用有 限体 积 法 。它 能在  横 向 流 动 。 F   3 。整 个 钻 头 周 围 流 体 的 模 拟  C D可 近 似 模 拟 在 实 验 装 置 中 F   头 进 行 模 拟 时 , 通 过 分 析 其 中 一 个  没 有 喷 嘴 的 流 道 内 流 体 的 流 动 来 说  明 。该 流 动 表 明 C D 技 术 能 够 非  F

格生 成 能 力 有 限 , 因 而 在 钻 头 上 的  用 户 干涉最 小 情 况下 可靠 地 产生 一 

应用受 到 限 制 。不 过 由 于 计 算 机 软  个 收 敛 解 。   硬件的不 断 更 新 ,C D技 术 的 性 能  F
得 到 改 善 ,并 大 量 用 于 工 程 实 践 中 。   有 限 体 积 法 和 非 构 造 四 面体 网格 。  
4。 加 快 求 解 速 度 

目前 ,适 用 的 C D软件 都采 用  可 见 的 所 有 流 动 方 式 。在 对 整 个 钻  F

四 、C D 的发 展  F

通 过应 用 代 数 多 级 线 性 方 程 ,  

人机 联作 系统 的计 算 能力 大 大  C D软件 求解 时 间大 大缩 短 。 同 时  常 好 地 预 测 从 几 个 喷 嘴 中 流 出 流 体  F 提 高 ,促 进 新 一 代 多 功 能 C D 软  减 少 达 到收 敛所 需 的迭 代 次数 也 可  的 相 互 作 用 。 它 与 室 内 实 验 结 果 非  F 件性 能 大 大 提 高 。该 软 件 应 用 简  缩 短 计算 时 间 。   便 ,能迅 速生 成 网格 并 求 解 。  
1 。模 拟 钻 头 形 状  C D软 件 可 从 C D 中 直 接 输  F A 入 钻 头 几 何 形 状 ,节 省 时 间 。   2 选 择 合 适 的 网 格  。 常相似。  

五 、C D软 件 在 钻  F
头 上 的 应 用 
用 前 面 所 述 实 验 方 法 来 验 证 

六 、应 用 C D技 术 的 P C F D 

钻 头在 A m d r a a油 田  
的 应用 
1。A ma a油 田概 况  r d Ar d ma a油 田 位 于 A ed e 东  b ren 北 l 0 mi 6  l e处 , 属 于 干 气 凝 析 储  

C D技 术 在 P C钻 头 上 的 应 用 效  F D

网格 的 尺 寸 决 定 了 求 解 的 精  果 。实验 方 法为 验证 提供 了必 要 的 
  度 。大 尺 寸 网格将 不 能 分解 流 动 的  定 量 和 定 性 数 据 。

急 剧变 化 。在 实践 中 ,通 常是 不 断  减 小 网格尺 寸 重复 进 行模 拟 ,直 到 

1 。初 始 验 证  这 一 步 是 为 了 检 验 C D 能 否  F

层 。 开发 它需 要 l 5口 10 0f深 的  80   l

井 。开发 方 案 确 定 之 后 ,钻 8 i   n  

5天 。 在 钻 井 成 本  尺寸 的减 小对 解 的精 度 没有 影 响 为  准 确预 测 相对 简单 的流 动 ,该流 动  井 眼 预 计 需 要 l

止 。但 是在 网格生 成 过 程 中无 选择  是 将 一束 流体 射 流到 平板 上 。预 测  很 高 的情 况下 ,即使 性 能改 进很 小  地 加密 网格 将 浪费 计 算 机 内存 并增  结 果 与 实 验 所 得 结 果 非 常 一 致 。 另 
用 的 方 法 是 先 用 粗 网 格 生 成 一 个 初  始 解 , 然 后 在 流 动 复 杂 的 区 域 加 密  网格 。 这 样 因 为 有 些 网 格 不 需 加 密  而 缩 短 了 网 格 生 成 时 间 , 加 快 了求  解 的速 度 。   表 面 流 体 的 流 动 ,结 果 显 示 用 多 普  与 C D模 拟 的 速 度 剖 面 非 常 接 近 。 F  

也 能有 效 降低 钻 井成 本 ,因而改进 
有 效 途 径 之 一 。 在 Ar a a油 田 钻  m d

加 程序 运行 的 时 间 。另 一种 更 为 实  外 还模 拟 了带 有 一个 喷 嘴 的排屑 槽  P C钻 头性 能 也是 降低 钻 井成 本 的  D 勒 测 速仪 测量 的流体 实 际速 度剖 面  井 过 程 中 , 使 用 了 经 过 C D 技 术  F
改 进 的 钻 头 ,效 果 良好 。 这 种 钻 头  与 以 前 标 准 钻 头 相 比 ,只 改 变 了 水  力 设 计 ,切 削 齿 结 构 和 翼 片 设 计 维 

2 。切 削齿 的模 拟 
下 一 步 目标 是 检 验 P C钻 头  D

3 F 。C D软件 的 选择 
格 : 构 造 六 面 体 网 格 和 非 构 造 四 面  体 网格 。在 六 面 体 结 构 中 网格 是 立 

  翼 片 顶部 流体 流 动 的准确 程 度 ,例  持 不 变 。 2 。水 力 设 计 的 改 变  同 时应 用流 动 可视 设备 及 C D F  由 于 对 切 削 齿 的 模 拟 既 增 加 了模 拟 

  C D软 件 通 常 有 两 种 类 型 网  如 对单 个 切 削 齿 的模 拟 是 否 精 确 。 F

的复 杂性 也 增加 了计算 流 动所 需 的  技 术设 计 了许 多钻 头 ,试验 了四种  改 进 的水 力设 计 方 案 
方 案 1 — 标 准 钻 头  —

方 体 的 , 为 适 应 钻 头 形 状 , 网 格 需  时 间 ,所 以确 定 切 削齿 是否 显 著影 

要 变形 ,但 是 过度 变 形 的 网格 降低  响 流 动 方 式 非 常 重 要 。 对 下 述 三 种 
  解 的 精 度 并 妨 碍 产 生 收 敛 解 。 因 而  情 况 进 行 模 拟 : 生 成 适 合 复 杂 的 钻 头 形 状 且 不 能 过  度 变 形 的 构 造 网格 很 难 。 非 构 造 四  ( )朝地 层方 向加长 刀翼 ; 1  

这 种 钻 头 有 4个 喷 嘴 和 7个 刮  刀 翼 片 ( 图 1 。 这 种 钻 头 性 能  见 )

( )没有 切 削齿 ,在 翼 片顶 端  尚可 ,已在 各 种地 层 条件 下应 用 了 2   5 0多 次 。切 削 齿 前 及 刀 翼 顶 部 流  0
流 动 的 区 域 , 但 是 它 仍 有 两 处 不 理  ( )从 一 个 喷 嘴 流 出 的 流 体 不  1

面体 网格 克服 了上述 困难 ,它 既 符  与地 层之 间 有一 自由 间隙 ;   合 弯 曲且 呈 回旋状 的钻 头形 状 ,又  而能 快 速 生 成 合 适 的 网 格 。最 终 
C D软 件 采 用 非 构 造 四 面 体 网 格 。 F  

( )有切 削 齿 ,在 翼 片 顶 端 与  体 流 动 很 充 分 ,基 本 没 有 慢 速 或 不  3 结果 表 明 ,精确 模 拟切 削 齿处  想 的 地 方 :   的流 动非 常 重要 。切 削 齿对 整 个流 

  可使 网格 变形 减 小 到最 低 程度 ,从  地 层 之 间有 一 自由间隙 。

维普资讯 http://www.cqvip.com
22   11 外 3 油 田 工 程   For gn Oite d Engi ern   ei   li l   ne i g Vo 1   .   1 8 No 6


2O .  O 26

能沿其 所 在流 道 (( 屑槽 )离 开  该钻 头 的整 体 流 动模 式 在 所 有方 案  成 的 。但 是 在 剩 余 的钻 进 过 程 中 , 排  

钻 头 表 面 ,而 是 扩 散 到 邻 近 流 道  中效 果 最 佳 ( 图 2 ,并 且 将 各  钻 进 侏 罗 系 泥 岩 和 砂 岩 地 层 时 ,该   见 )
中。  

种方 案钻 头 流 道 内的 流动 进 行对 比  钻 头 以一 高 机械 钻 速创 造 了新 的记  录 。对 比标 准钻 头 和方 案 4改进 的 
钻头 在 砂 岩 中 的性 能很 难 ,因 为 A  

( )三 个 未布 置 喷 嘴 的流 道 保  后 也 证 实 了 这 一 点 。 2  

径 区流 体流 动 比钻 头其 它部 分 流 动 
慢。  

七 、 四种 设 计 方 案 中   钻 头 性 能 比较 
1 ,室 内加压 钻 井试 验  案 l 2 、 、4钻 头 的 钻 速 ( O )  R P 。 方 案 3因为 回 流 问 题 未 进 行 试 验 。  
钻 压 下 在 同 一 T r   u 砂 岩 层 中  oe B f y f 钻 进 直至 钻 速稳 定 为止 。试 验 结果 
如 下 

井 中砂 岩 井 段 大 部 分 为取 心 钻进 ,   钻 速 一 直 低 于 7  / 。砂岩 层下 面  0f h t
的 2 0f井 段 , P 9  t DC钻 头 以 3  th 8f   /

通 过 一 系 列 室 内 试 验 来 比较 方  钻 速 钻 进 。 而 在 B 井 中 ,改 进 后  

的钻 头 以 8 th的高 钻 速 钻 过 相  6f / 同 的地 层 ,并 且 即使 钻过 了 20    90f t 井 中使用 的钻 头 。  
( )在 A d 3 ma a油 田 C 井 中 应 
用 方 案 4 钻 头 

  试 验 时 , 所 有 钻 头 在 2  ls 定  后 ,该 钻 头 的 磨 损 程 度 也 小 于 在 A 0 Kb 稳

图 1 标 准 钻 头 

方 案 
方案 l   方案 2  
方案 4  

钻 速 (th  提 高 的 百 分 比  f ) /
l5 O  l6 l 
l5 3 

改 进 后 的 钻 头 在 这 口井 的 所 有 

方 案 2 — 重 新 布 量 4 个 喷 嘴  — 这 一 改 动 对 整 个 流 动 方 式 有 显 

地 层 中钻 进 都保 持 了较 高 的机 械钻 
l% O  
2% 9  

速 。通 过对 比标准 钻 头和 改进 后 的 

钻 头钻 不 同地 层时 的 机械钻 速 ,可  试 验 结果 表 明 ,改进 水 力 设计  以看 出 改进 的 钻头 性 能 明显 优 于标  直 接排 放 到 环 空 中。 其它 流 道也 因  确 实 可 以提高 机械 钻 速 。尤 其 是方  准 钻 头 ,即水 力设 计 能 明显 改进 钻  为 回流 区域 的减 少 ,流 动情 形得 到  案 4 ,这种 钻 头 性 能最 佳 , 因 而在  头 的 性 能 。  

著影 响 。从 喷 嘴 中喷 出 流体 大部 分 

改 善 

方 案 3 — 增 加 3 个 常 规 喷 嘴  —

以后 的设 计 中均 采用 该方 案 。  
2。油 田现 场 试 验 

八 、 结 论 
l 、用 新 计 算 流 体 动 力 学 技 术  模拟 钻 头 四周 的 流体 流 动 所需 时 间 

这种 方 案 给 每个 翼 片 配 置 了 1   个 喷 嘴 ,共 有 7 ,喷 嘴按 常规 放  个 置在 每个 翼 片 的顶 部 内 。这 种设 计  因为 喷嘴 堵塞 而易 造成 喷 嘴 流量 变  小 。另外 ,钻 头整 体 流 动模 式 变得 
非 常 复 杂 ,增 加 了 很 多 回 流 区 域 ,  

( ) 在 A ma a油 田 A 井 中 应  1 r d
用 标 准 钻 头 

预计 该钻 头 在钻 白垩系 石 灰岩  仍然 较 长 ,通 过改 进 C D技 术 ,如  F 地 层 时 R P 为 2  th 而 实 际 钻   改 进 用 户 端 口 并 进 一 步 开 发 网格 生  O 0f , / 进 该 地 层 时 RO 达 到 了 3   th, 成技 术可 以进 一步缩 短模 拟 时问 。 P 7f   /   快 了 近 一 倍 。该 钻 头 在 7  1h内从 
2 主 要 应 用 C D 技 术 模 拟 钻  、 F

这 样很 易 使 岩屑 夹 带 其 中 ,对 钻进 
不利 。  
方 案 4 — 增 加 3 个 “ 叉 流  — 交

套 管鞋 到 取心 段 共钻 进 2 1  ,钻  头 四周 的流 体 流动 ,使 钻 头水 力部  6 6f t
头 标 号 为 2—4一WT—S— X —I   — N —T 。 除 了 在 最 后 10 f 因 为  A D 6  t

分 的设 计 更 为 合理 。   3 、改进 P C钻 头 的水 力 设 计  D
4 D 钻 头 周 围 流 动 方 式 很  、P C

动 ” 喷 嘴 

钻 头 的 这种 水 力 布置 方 式使 得 

螺 杆故 障 改用 转 盘钻 进之 外 ,一直  后 ,钻 头 性 能 明 显 改 善 。  
是 用螺 杆 钻具 组合 钻 进 的 。   ( ) 在 A ma a油 田 B 井 中 应  2 r d
用 方 案 4 钻 头 

大 程度 上 受 到 喷嘴 的安 装 角度 和切  削齿 对 流 动的 反射 作用 的影 响 ,必 

从 套 管鞋 钻进 到预计 井 深 ,该  须 对单 个 切 削 齿处 流体 流 动进行 模 
钻 头 用 了 7 .  ,钻 头 标 号 为 2—4 拟 ,才 能获 得最 佳 水力 设 计方 案 。 3 2h    


WT—A —X —I A —T —N D。 它 在 

5 F 、C D是 一 种 实 用 且 经 济 的 
的补 充 。  
资 料 来 源 于美 国 ( P /AD  7 8) ( E I C350  S ) ( 稿 日期 收 20 0 2 ) 0 2— 4— 2 

带 有 可调 稳定 器 的螺 杆 钻具 组 合 驱  设 计 工 具 ,它 同 时也 是对 实验 方 法 
动 下 钻 进 。 与 标 准 钻 头 相 比 ,钻 进 

石 灰 岩 地 层 的 平 均 机 械 钻 速 才 4  0 fh t ,未 达 到 预 计 的 5 th / 3f 。估 计  /
图 2 方 案 4钻 头 

这 是 由于 用螺 杆 驱 动转 速较 低 而造 


相关文档

油基钻井液和PDC钻头钻探中录井技术的改进
使用PDC钻头对录井的影响及技术改进
涡轮钻具及PDC钻头联合工作性能试验分析
PDC钻头保径块结构参数流场特性模拟研究
使用PDC钻头录井技术改进
考虑切削次序的PDC钻头切削体积计算研究
探讨PDC钻头反扭矩有限元分析与控制技术
采用PDC钻头技术提高鄂北气田的钻井速度
PDC钻头等体积布齿设计计算方法探讨
PDC钻头+等壁厚螺杆技术在塔河AT20创纪录运用
电脑版