基于DPM模型的PDC钻头井底岩屑黏附规律研究

为提高页岩气钻井效率、减少钻头泥包,根据现场常用PDC钻头建立三维流域模型,将岩屑模拟为从井底面射入流场的球状颗粒,用拉格朗日粒子追踪法描述固相,将钻头体DPM边界条件设置为捕获,以岩屑颗粒捕获率作为反映泥包可能性的评价参数,结合井底流场结构特点,模拟分析了岩屑输运与黏附规律。数值模拟结果表明,井底岩屑输运时沿程存在碰撞与反弹的不规则三维运动,这导致部分岩屑黏附到钻头体表面;对于不同尺寸的岩屑颗粒,各刀翼和排屑槽的岩屑颗粒捕获率Ra呈类似的变化规律,当岩屑粒径为10 mm时Ra最大,当粒径小于1 mm时,Ra较小且变化不大。岩屑容易发生黏附的情况为:流通面积较小处,流场异常复杂、三维特性明显处及存在大面积的涡旋处,涡旋导致流线偏向钻头体。增大排屑槽最小流通面积,提高切削齿附近流速,减小涡旋数量和强度,有利于预防和减少钻头泥包。

潜孔钻头排屑槽布置方式对井底流场影响的研究

在勘探钻井过程中,现场应用的潜孔钻头存在排屑能力差、井壁冲蚀破坏严重的问题,这与钻头井底流场分布有着密切关系,而钻头排屑槽的布置方式又对井底流场的分布及流体的排屑能力起着重要作用。本文充分考虑了钻头排屑槽的布置方式对井底流场的影响,建立了与实际相接近的潜孔钻头井底流场物理模型,在计算流体力学软件Fluent中将CAD模型转换为相应的CFD井底流场模型,运用k-ε两方程模型,对钻头排屑槽布置方式对井底流场的影响进行了数值模拟研究,找到了钻头排屑槽布置方式对井底流场的影响机理,为设计排屑能力强、对井壁冲蚀破坏小的新型潜孔钻头提供了理论依据。

流道形状对PDC钻头携岩和冷却效率影响研究

在实际钻井过程中,PDC钻头的流道形状对钻头是否泥包有着重要影响。为了深入了解流道形状对PDC钻头携岩和冷却效率的影响规律,文中通过改变排屑槽轮廓平分线与切削轮廓平分线的夹角α值大小来调整PDC钻头模型的流道形状,并对各钻头模型进行破岩仿真获取各个切削齿的切削量、岩屑初始运动速度和方向;将具有一定质量流量、初始运动速度和方向的岩屑假设为从齿面生成进入流场的球状颗粒,采用拉格朗日粒子追踪法对岩屑颗粒运动进行追踪;把滞留岩屑量、流道排出岩屑匹配值均方差σ和切削齿散热量相对值作为钻头携岩和冷却效率的量化评价指标。数值结果表明:流道形状直接影响钻头的携岩和冷却效率,α值越大σ越小,井底的滞留岩屑量越小,钻头冷却效率越高。受PDC钻头结构设计限制,流道的形状设计存在一个最优值,且其最优夹角α值应在0°左右,正角最佳。