唐昌昊，王偉章，李文飛，蘆 潔，趙國翔，劉晟瑋

1 山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 2 濰坊學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)院 3山東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院 4中國石油玉門油田分公司老君廟采油廠 5中國石油長慶油田分公司第十一采油廠

0 引言

隨著油氣工業(yè)的發(fā)展，深層油氣超深層勘探開發(fā)日益艱難，高效安全地開采，對(duì)保障國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施具有重要意義[1]。PDC鉆頭是用聚晶金剛石(薄圓片狀)做成小型切削塊鑲裝或燒結(jié)到鉆頭體上而成，在鉆進(jìn)某些硬巖和研磨性地層時(shí)有較高的鉆進(jìn)效率和工作壽命。常規(guī)PDC鉆頭在鉆井過程中，井底流場易出現(xiàn)大量渦旋，降低流體將巖屑輸送出井底的速率，造成井底巖屑堆積，或黏附于鉆頭表面產(chǎn)生泥包，進(jìn)而影響鉆進(jìn)效率，損害鉆頭[2- 3]。由PDC鉆頭水力學(xué)可知，噴嘴和排屑槽共同提供了清洗井底與攜巖上返的基本流動(dòng)模式[4]。因此，第一為了在保證射流沖擊力不受影響的同時(shí)能更好引導(dǎo)鉆井液向外流動(dòng)，設(shè)計(jì)噴嘴時(shí)無中心噴嘴而加大靠近中心的三個(gè)斜噴嘴的孔徑；第二，為了保證排屑槽具有足夠空間排出巖屑且盡可能提高排屑速度，對(duì)六刀翼的分布方式做出調(diào)整。

運(yùn)用CFD軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)的PDC鉆頭進(jìn)行數(shù)值模擬分析，能為PDC鉆頭的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供極大便利。如楊義等運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)PDC鉆頭分別進(jìn)行了三維井底靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)流場的數(shù)值模擬[5]；吳迪楠等利用數(shù)值模擬的手段對(duì)兩類不同的噴嘴傾角組合方式對(duì)井底流場進(jìn)行了研究[6]；劉照義等對(duì)噴嘴流量，沖擊力和水功率從理論計(jì)算和數(shù)值模擬兩方面分析證明了數(shù)值模擬能夠較為精確地描述PDC鉆頭井底流場不同方位影響的水力參數(shù)[7]。上述學(xué)者大多選擇k- ε湍流模型，該類模型對(duì)于無滑移壁面、逆壓梯度、強(qiáng)曲率流動(dòng)以及射流流動(dòng)的計(jì)算不精確。而本文對(duì)結(jié)構(gòu)調(diào)整后PDC鉆頭進(jìn)行數(shù)值模擬分析，采用更精確和可靠的SST k- ω模型，并對(duì)水力參數(shù)進(jìn)行了再次優(yōu)化。

1 PDC鉆頭噴嘴結(jié)構(gòu)

本文使用SolidWorks軟件對(duì)優(yōu)化后的PDC鉆頭進(jìn)行建模。鉆頭直徑160.338 mm；主刀采用直刀翼，對(duì)井底總壓沖擊力較大；區(qū)別于傳統(tǒng)六刀翼均勻分布在鉆頭頂部，該新型PDC鉆頭六刀翼分為三對(duì)，每兩個(gè)為一對(duì)，相鄰面夾角為18°，而每對(duì)之間相鄰面夾角為80°，每對(duì)刀翼內(nèi)部構(gòu)成的排屑槽空間小、排屑快；噴嘴采用軸向夾角為20°的斜噴嘴，孔眼中心距離鉆頭中心40 mm，噴嘴結(jié)構(gòu)為錐形，當(dāng)外圍噴嘴軸向夾角為10°～30°時(shí)，噴嘴直射點(diǎn)的壓力值大，利于水力破巖，且射流流體在井底各區(qū)域流速高、覆蓋廣利于巖屑快速排除[8]；無中心噴嘴而加大靠近中心的三個(gè)斜噴嘴的孔徑，可引導(dǎo)鉆井液向外流動(dòng)，從而改善水力能量分布不均的問題，促使射流流體覆蓋面更廣[9- 10]；增添輔助刀孔，軸向夾角33°，孔眼中心距離鉆頭中心70 mm，可根據(jù)需要配刀輔助鉆孔。如圖1和圖2所示。

圖1 PDC鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 PDC鉆頭剖面結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值模型及邊界條件

2.1 井底流場模型及網(wǎng)格劃分

本文建立的井底流場模型和網(wǎng)格模型如圖3所示，鉆頭與井底噴距為40 mm，主要功能部件為三個(gè)軸向夾角為20°、直徑28 mm的孔眼，因輔助刀孔無射流噴出，故在不影響研究的情況下將其簡化并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。此次網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，并對(duì)噴嘴出口位置和刀翼進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格總數(shù)為2 315 743。模型的網(wǎng)格質(zhì)量高于0.4，滿足數(shù)值計(jì)算條件。射流從直徑為70 mm的中心流道進(jìn)入，通過噴嘴三孔共同作用“掃描式”破巖，射流沖擊井底，受到井底的作用后向四周井壁流動(dòng)，帶著破碎后的巖屑上返。在此過程中，射流受到相鄰噴嘴射流和刀翼的影響，于井底形成復(fù)雜的湍流流場。同時(shí)，由于刀翼的限制，攜巖的上返噴流不易將巖屑帶至鉆頭中心。

圖3 井底流場數(shù)值模型圖

2.2 邊界條件

采用SST k-ω湍流模型。該湍流模型以混合函數(shù)將k-ε模型和k-ω模型結(jié)合起來，在近壁面處使用k-ω模型，其他區(qū)域使用k-ε模型。相比較k-ε模型，該湍流黏度考慮到了湍流剪應(yīng)力的傳波，對(duì)于有壓力梯度的大范圍邊界層流動(dòng)的計(jì)算更精確穩(wěn)定，能夠更準(zhǔn)確的模擬湍流。

邊界條件設(shè)置：

(1)入口邊界：進(jìn)口排量28 L/s，壓力10 MPa。

(2)無需設(shè)置出口邊界條件，出口壓力可通過計(jì)算得出。

(3)壁面條件：無滑移邊界條件。

求解算法為SIMPLE算法。

3 數(shù)值模擬流場分析

從圖4和圖5可知，井底水力能量得到了充分利用且分布均勻，井底高速漫流區(qū)域覆蓋面廣，利于巖屑快速排出。由于井底中心噴嘴射流相互碰撞，幾乎無渦旋產(chǎn)生；而鉆頭肩部有部分渦旋產(chǎn)生，將對(duì)流體攜巖效率產(chǎn)生一定影響。

圖4 PDC鉆頭井底流線圖

圖5 PDC鉆頭流場流線圖

由圖6可知，噴嘴直射點(diǎn)壓力值最大，且最大值較高，能達(dá)到較好的破巖效果；由圖7可知：鉆頭刀翼表面存在一定壓力梯度，刀翼表面中心速度較大，零速區(qū)域較少。故刀翼表面中心區(qū)域水流得到充分經(jīng)過，水力能量較高，能夠有效清洗和攜巖，降低因產(chǎn)生泥包而影響鉆頭切削效率的可能性。

圖6 PDC鉆頭井底壓力云圖

圖7 PDC鉆頭刀翼表面壓力云圖

針對(duì)該P(yáng)DC鉆頭肩部具有少量渦旋問題，擬從兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化并模擬研究以求尋求更優(yōu)的水力結(jié)構(gòu)：一是僅改變噴嘴孔直徑；二是僅改變噴嘴傾角。

4 PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

4.1 不同噴嘴孔直徑PDC鉆頭流場模擬分析

減小噴嘴孔直徑，水力能量增強(qiáng)，噴嘴射流速度增大，提高破巖效果與攜巖效率。保持噴嘴孔軸向夾角度數(shù)20°不變，選取直徑為20 mm和24 mm噴嘴。

由仿真結(jié)果可知，鉆頭噴嘴孔直徑越小，射流速度越大，破巖效果越好，且井底徑向漫流速度高，利于沖洗井底巖屑。但相較于直徑28 mm的PDC鉆頭，直徑為20 mm和24 mm的PDC鉆頭在井底的水力能量分布不均，無法得到充分利用，高速漫流區(qū)覆蓋更小。直徑為20 mm和24 mm的PDC鉆頭肩部幾乎無渦旋產(chǎn)生，但上返區(qū)域更小。

為更直觀反應(yīng)井底流場速度變化和更好地評(píng)價(jià)三種不同直徑噴嘴孔的水利優(yōu)劣，現(xiàn)沿著井底至上返區(qū)域共選出12個(gè)位置，標(biāo)記成點(diǎn)分別記為Ⅰ- Ⅻ，如圖8所示，觀察其速度變化，得圖9。由圖9可知，位置Ⅰ到位置Ⅳ，直徑越小，流體速度越強(qiáng)；位置Ⅳ到位置Ⅵ，直徑越小，速度衰減程度也越大；位置Ⅵ到位置Ⅺ，?24 mm和?28 mm噴嘴孔直徑的鉆頭射流具有相對(duì)較大的速度；位置Ⅻ之后，?28 mm噴嘴孔直徑的鉆頭射流仍能保持相對(duì)較大的速度。說明鉆頭噴嘴孔直徑偏小，有利于破巖，但攜巖清洗效率不佳；鉆頭噴嘴孔直徑偏大，攜巖能力較強(qiáng)，但破巖能力較弱。該P(yáng)DC鉆頭噴嘴孔直徑在24～28 mm的水力效果最佳。

直徑減小，直射點(diǎn)壓力增大，水力破巖效果增強(qiáng)；且負(fù)壓區(qū)域增大，擴(kuò)至井底平面邊緣，更有利于巖屑排出；刀翼表面壓力梯度更大，減少巖屑堆積，鉆頭表面更不易產(chǎn)生泥包。

圖8 Ⅰ- Ⅻ位置示意圖

圖9 井底流場速度變化曲線圖

4.2 不同噴嘴傾角PDC鉆頭流場模擬分析

增大噴嘴孔軸向夾角，井底漫流速度升高，加快巖屑從井底排出。故保持噴嘴孔直徑28 mm不變，軸向夾角度數(shù)選取25°和30°。

當(dāng)軸向夾角度數(shù)為20°～30°時(shí)，井底具有較好的水力能量分布，且分布均勻，井底高速漫流區(qū)域覆蓋面廣，流體上返高度高。30°傾角的鉆頭在直射點(diǎn)的最大速度高于20°和25°傾角的鉆頭在直射點(diǎn)的最大速度，破巖更加高效；而噴嘴孔軸向夾角度數(shù)20°和25°的鉆頭在直射點(diǎn)的最大速度數(shù)值相差不大。噴嘴孔軸向夾角度數(shù)為25°和30°的鉆頭肩部幾乎無渦旋產(chǎn)生，上返區(qū)抬高，更有利于巖屑快速排出井底。

參照?qǐng)D9，同樣沿著井底至上返區(qū)域共選出12個(gè)位置，標(biāo)記成點(diǎn)分別記為Ⅰ- Ⅻ，如圖8所示，觀察其速度變化，得圖10。由圖10可知，在Ⅴ位置至Ⅹ位置時(shí)，噴嘴孔軸向夾角度數(shù)20°的鉆頭的流體速度略高于噴嘴孔軸向夾角度數(shù)25°和30°的鉆頭，但差距不大；但在Ⅱ位置到Ⅴ位置和Ⅹ位置之后，噴嘴孔軸向夾角度數(shù)25°和30°的鉆頭水力情況明顯優(yōu)于噴嘴孔軸向夾角度數(shù)20°的鉆頭，特別在Ⅹ位置之后，流體速度的提升有利于巖屑快速排出井底。

圖10 井底流場速度變化曲線圖

噴嘴孔軸向夾角度數(shù)為25°的PDC鉆頭井底和刀翼表面負(fù)壓區(qū)域最大30°的PDC鉆頭次之，而噴嘴孔軸向夾角度數(shù)為30 °的PDC鉆頭直射點(diǎn)壓力最大。當(dāng)鉆頭軸向夾角度數(shù)為25°～30°時(shí)，水力破巖效果好，且鉆頭表面不易產(chǎn)生泥包。

5 結(jié)束語

(1)鉆頭噴嘴孔直徑越小，直射點(diǎn)速度越大，越利于破巖，但水力能量過于集中，高速漫流無法充分覆蓋井底，不利于清洗巖屑。

(2)軸向夾角度數(shù)在20°～30°時(shí)，鉆頭噴嘴孔軸向夾角度數(shù)變大，直射點(diǎn)速度變化不大，但鉆頭肩部渦旋減少，上返區(qū)域速度提高，有利于巖屑快速排出井底，刀翼表面不易產(chǎn)生泥包。

(3)當(dāng)鉆頭噴嘴孔直徑在24～28 mm，噴嘴孔軸向夾角度數(shù)在25°～30°時(shí)，該P(yáng)DC鉆頭水力情況最佳。