PDC钻头旋转喷嘴流场特征仿真研究.pdf

2023年第52 卷第5期第2 6 页文章编号：10 0 1-3 48 2（2 0 2 3)0 5-0 0 2 6-0 7石油矿场机械OILFIELDEQUIPMENT2023,52(5):26-32PDC钻头旋转喷嘴流场特征仿真研究李文飞，杨焕龙，刘松？（1.山东石油化工学院，山东东营2 57 0 0 0；2.胜利石油工程公司海洋钻井公司，山东东营2 57 0 0 0）摘要：PDC钻头的固定式喷嘴对于改善钻头井底流场、抑制漩涡区的发展、防止钻头泥包等方面的作用有限。建立具有旋转喷嘴的PDC钻头的数值仿真模型，分析旋转喷嘴数量、喷嘴自转速度、钻头转速对PDC钻头井底漩涡场的影响规律。结果表明：旋转喷嘴较固定式喷嘴能够有效抑制钻头井底漩涡场的发展；随着旋转喷嘴数量的增加，钻头井底漩涡区面积占比是减小的；随着旋转喷嘴自转速度的增加，钻头井底漩涡区面积占比呈先减小后增加的趋势，存在最优的喷嘴转速值；钻头转速对于旋转喷嘴条件下PDC钻头的井底漩涡场影响较小。关键词：PDC钻头；旋转喷嘴；并底；漩涡场；数值模拟中图分类号：TE921.102文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1001-3482.2023.05.004Characteristics Simulation of Rotary Nozzle Flow Field of PDC BitsLI Wenfei,YANG Huanlong,LIU Song?(1.Shandong Institute of Petroleum and Chemical Technology,Dongying 257000,China;2.Of fshore Drilling Company,Shengli Petroleum Engineering Company,Dongying 257000,China)Abstract:The conventional fixed nozzle has limited effect in improving the bit flow field,restrai-ning the development of vortex area,and preventing bit balling.Based on the simulation method,the model of bit and the rotary nozzle was built,and the influence law of number,self-rotationspeed,and bit rotary speed of rotary nozzle about bit flow field was analyzed,the result showsthat compared to the fixed nozzle,the rotary nozzle can restrain the development of bit vortex andimprove bit flow field.With the number of rotary nozzles increasing,the bit vortex area decrea-ses,and with self-rotation speed increasing,the bit vortex area decreases first and then increases,and an optimal range exists.The bit rotary speed has less influence on the bit vortex area.Key words:PDC bit;rotary nozzle;bottom hole;vortex;simulation喷嘴（水眼）是PDC钻头的重要组成部分之一，承担清洗、冷却、辅助破岩等作用。现有喷嘴均是固定安装在钻头上，随着钻头的转动而转动，不能自主旋转，因此其射流方向是固定不变的，射流的冲击清洗区也是固定的。减小喷嘴流道直径，有助于提高喷嘴射流速度，增强射流辅助破岩效果，但冲击清洗区域较小；增加喷嘴流道直径，有助于增大冲击清洗区，但喷嘴压降较低，不利于射流辅助破岩。采用组合喷嘴的方式有助于改善钻头井底流场，但影响钻头刀翼和布齿的优化设计。贺培1等采用数值模拟收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 9基金项目：中石化集团公司重点攻关课题“特深层安全高效钻井关键技术”（P21081）；中石化集团公司课题“顺北一区钻井提速提效技术研究”（JP18002）；国家科技重大专项“复杂地层钻井提速提效关键工具与装备研发”(2016ZX05021003)。作者简介：李文飞（19 7 8-），男，山东曹县人，研究员，博士，2 0 0 8 年毕业于中国石油大学（华东）油气井工程专业，主要从事钻井提速工艺及配套工具技术研究，E-mail:。第5 2 卷第5 期方法研究了组合喷嘴倾角对于钻头井底流场状态的影响规律，分析了喷嘴的最优倾角范围，但由于喷嘴固定，射流倾角也是固定的，钻头中心区流场及钻头外围漩涡区的改善效果有限。国内外学者开展了固定式旋转射流喷嘴的研究 2-9，主要采用在固定式喷嘴内部安装导流叶轮的方法产生旋转射流。虽然对具有固定式旋转射流喷嘴的PDC钻头做了大量的研究工作，由于所研究的喷嘴是固定的，且流道中心轴线与喷嘴中心轴线重合，即射流方向不变，因此该喷嘴在预防泥包、改善井底流场、减少流场漩涡等方面的作用有限。本文建立了具有旋转喷嘴的PDC钻头的仿真模型，分析旋转喷嘴数量、喷嘴自转速度、钻头转速对PDC钻头井底漩涡场的影响规律。1旋转喷嘴原理为了改善PDC钻头的井底旋涡场，提高钻井效率,研制了1种新型旋转喷嘴。该喷嘴能够在钻井液的驱动下绕自身中心轴旋转，且流道中心轴与喷嘴中心轴不重合（如图1所示），即，射流方向与喷嘴中心轴方向不重合，随着喷嘴的连续快速旋转，射流方向不是固定的，而是形成绕喷嘴中心轴的圆周扫射。因此，相同条件下，旋转喷嘴较常规固定喷嘴具有射流清洗区域更广、井底同一位置所受射流能量更强、井底流场改善效果更显著等特点。李文飞，等：PDC钻头旋转喷嘴流场特征仿真研究喷嘴转向27喷嘴自转速度、钻头转速等参数影响PDC钻头漩涡场的规律，为PDC钻头结构及喷嘴的优化设计提供依据。选取现场使用的o215.9mm六刀翼PDC钻头，并对钻头上6 个喷嘴进行编号，如图2 a所示。假设钻井液密度1.2 g/cm，排量30 L/s，钻头公转速度10 0 r/min，不考虑温度变化。建立具有旋转喷嘴的PDC钻头模型，如图2 b所示。a喷嘴编号喷嘴流道中心轴喷嘴中心轴射流方向b钻头三维模型图1旋转喷嘴射流方向2PDC钻头漩涡场影响因素仿真分析PDC钻头的井底旋涡直接影响岩屑运移效率、钻头泥包等。PDC钻头的水力结构优化设计关键是减小漩涡场区域面积及强度，减少射流因漩涡造成的能量损耗。采用数值仿真的方法建立PDC钻头与旋转喷嘴的三维模型，分析旋转喷嘴数量、旋转图2 具有旋转喷嘴的PDC钻头模型2.1无旋转喷嘴钻头的漩涡流场特征钻头漩涡场不仅消耗大量的喷嘴流体能量，而且造成岩屑在漩涡场中往复运动，难以快速进人环空返流。钻头漩涡场区域越大，越不利于井底岩屑的清理及运移，导致钻头泥包、岩屑重复研磨等情况的发生。为便于对比分析，首先分析6 个喷嘴均不旋转时的钻头漩涡场特征，如图3所示。28石油矿场机械2023年9 月Vorticity(s)875.000777.778680.656583.333486.111398889291.667194.44497.2220.000a井底钻头漩涡场图3无旋转喷嘴的钻头漩涡场分布从图3中可以看出，无旋转喷嘴钻头流场不仅2.2旋转喷嘴钻头漩涡流场特征呈现漩涡场分布区域大、漩涡能量强的特征，而且主2.2.1旋转喷嘴数量影响要位于钻头刀翼之间的排屑槽内。井底环空的漩涡分析安装旋转喷嘴数量为0、2（喷嘴1与喷嘴6场大量占据了岩屑进入环空的有效过流通道，导致号旋转，其他喷嘴固定不动）、4（喷嘴1、喷嘴6、喷嘴上返流体通道减小，且大幅消耗了流体上返能量，使3、喷嘴4旋转，其他喷嘴固定不动)3种情况下的钻得岩屑在井底漩涡场中往复运动，难以进人环空，从头井底漩涡场特征，如图46 所示。为旋转喷嘴数而加剧了井底排屑的难度。量的优化提供依据。ortieity(e)3750,0003333.3332916.6672500.0002083.3331666.6671250.000833.33416.6670.000b井底环空漩涡场a任一时刻漩涡场状态图4无旋转喷嘴的钻头漩涡场分布Vorticity(r)3750.00033.3892916.7782500.1672083.5551666.941250,333833.722417.1110.500b漩涡场最大值状态a任一时刻漩涡场状态图5 安装2 个旋转喷嘴的钻头漩涡场分布b漩涡场最大值状态第5 2 卷第5 期李文飞，等：PDC钻头旋转喷嘴流场特征仿真研究29Vorticity(r)3750.000333.4142916.8282500.2422083.6561667.0701250.484833.898417.3120.726a任一时刻漩涡场状态b漩涡场最大值状态图6 安装4旋转喷嘴的钻头漩涡场分布对比图4和图5 可以看出，喷嘴1与喷嘴6 旋转时，旋转喷嘴附近漩涡场区域所占面积明显减小，漩涡场强度显著降低。对比图4和图6 可以看出，喷嘴1、喷嘴6、喷嘴3、喷嘴4旋转时，旋转喷嘴附近漩涡场所占区域面积减小，漩涡场强度降低，并且由于喷嘴3、喷嘴4分别距离喷嘴2、喷嘴5 较近，不仅喷嘴3、喷嘴4所在区域内的漩涡场能量显著减弱，而且也分别对喷嘴2、喷嘴5 所在区域内的漩涡场强度产生了显著影响。井底产生的漩涡也会沿环空向上发展，因此在上述分析的基础上，对比分析无旋转喷嘴与安装4个旋转喷嘴条件下，井底环空漩涡场的分布状态，如图7 所示。a无旋转喷嘴图7 井底环空漩涡场对比b安装4个旋转喷嘴从图7 中可以看出，无旋转喷嘴钻头的漩涡场所占区域面积大、强度高，而且沿着环空向上发展。安装4个旋转喷嘴后，井底环空漩涡场发生了显著变化，漩涡场所占区域和强度明显减小，而且在环空中的影响范围也大幅缩小。因此，旋转喷嘴较常规固定喷嘴能有效改善钻井井底流场状态，大幅降低漩涡场区域的面积和强度，抑制井底环空漩涡场的发展，而且旋转喷嘴数量越多，改善效果越好，即更.30有利于提高井底岩屑的清洗和运移效率。以漩涡区面积与井底面积的比值为指标，量化分析旋转喷嘴影响井底漩涡抑制效果（如图8 所示）。从图8 中可以看出，不安装旋转喷嘴时，钻头井底漩涡区面积无变化。随着旋转喷嘴数量的增加，钻头井底漩涡区面积占比逐渐减小，即旋转喷嘴能够有效抑制钻头井底漩涡区的发展，对于改善钻头井底流场的效果越显著。石油矿场机械提高射流清洗携岩的效果。Vorticity()3750,000333.3472916.6942500.0412083.3881666.7341260.081833.428416.7750.1222023年9 月100806040200图8 旋转喷嘴数量与钻头井底漩涡区面积占比关系曲线2.2.2旋转喷嘴自转速度影响安装4个旋转喷嘴（喷嘴1、喷嘴6、喷嘴3、喷嘴4），钻头转速10 0 r/min，分析旋转喷嘴自转速度为6 0、7 5、9 0、15 0、2 0 0 r/min时的钻头井底漩涡场状态。图9 是4个旋转喷嘴在不同自转速度条件下影响钻头井底漩涡场的状态。图10 是旋转喷嘴自转速度影响钻头井底漩涡区面积占比的规律。从图10 中可以看出，随着旋转喷嘴自转速度的增加，钻头井底漩涡区面积占比呈现先减小后增加的趋势。当旋转喷嘴自转速度是6 0 9 0 r/min时，钻头井底漩涡区面积占比逐渐减小，且漩涡强度也随之减弱（如图9 中a、b、c 图所示），表明旋转喷嘴自转速度在此区间时，能够有效抑制钻头井底漩涡的发展。当旋转喷嘴自转速度是9 0 2 0 0 r/min时，钻头井底漩涡场面积占比开始逐渐增加，同时漩涡场强度也增大，旋转喷嘴抑制钻头井底漩涡场能力有所降低。因此，旋转喷嘴自转速度控制在8 0 120r/min，有利于抑制钻头井底漩涡的发展，进而a喷嘴自转速度6 0 r/min24喷嘴数量6Fostieity(r)3750.00033.3332910.6672500.002003.33166.667280.00083.33416.607O.00Yorticity(s)3750.000333.4192916.8382500.2572083.6761667.0951250.515833.934417.353.0.772b喷嘴自转速度7 5 r/minc喷嘴自转速度9 0 r/min第5 2 卷第5 期Vorticity(s)3750.000333.3812916.7622500.1432083.524166.9051250.286833.667417.0490,430Vortieity(s)3750.000333.3332916.6672600.0002083.3331666.6671250.000833.333416.6670.000李文飞，等：PDC钻头旋转喷嘴流场特征仿真研究d喷嘴自转速度15 0 r/min:31供依据。图11是不同钻头转速条件下，旋转喷嘴影响井底漩涡场的分布状态，图12 是不同钻头转速条件下，旋转喷嘴影响井底漩涡场面积占比的规律。从图11中可以看出，随着钻头转速的增加，钻头井底漩涡区面积及强度的变化不明显。wortieity(r)3750-0002.332916.6672500,000203.33166.6671250.00033416.6676.080a钻头转速9 0 r/minVorticity(r)3750.000e喷嘴自转速度2 0 0 r/min图9 喷嘴自转时的钻头井底漩涡场分布8333.3732916.7462600.1192083.492166.8641250.237833,610416.9830.3565460图10旋转喷嘴自转速度与钻头井底漩涡区面积占比关系曲线2.2.3钻头转速影响根据分析旋转喷嘴能够有效抑制钻头井底漩涡场的发展，在此基础上，安装4个旋转喷嘴（喷嘴1、喷嘴6、喷嘴3、喷嘴4)，旋转喷嘴自转速度为80r/min，研究钻头转速（9 0、12 0、15 0 r/min）的影响规律。为现场实钻工况条件下钻井参数的优选提b钻头转速12 0 r/min80100旋转喷嘴自转速度/(rmin)120140160180200turtieity tr)333.332016.6672606,0002003.2331666.6671250,00033,332416.667图117不同钻头转速时的井底漩涡场分布c钻头转速15 0 r/min32从图12 中可以看出，随着钻头转速的增加，漩涡区面积占比变化平缓，即钻头转速对于旋转喷嘴改善钻头井底漩涡场影响不明显，因此钻头转速值可根据其他实际工况优选。1210890图12 钻头转速与钻头井底漩涡区面积占比关系曲线3结论1）根据现场实际工况条件，建立了钻头及旋转喷嘴的三维模型。采用数值仿真方法分析了旋转喷嘴影响钻头井底漩涡场的特征规律。2）与常规固定式喷嘴相比，旋转喷嘴能够有效抑制钻头井底漩涡场的发展。随着旋转喷嘴数量的增加，钻头井底漩涡区面积占比越小，漩涡强度显著降低，改善效果好。3）随着喷嘴自转速度的增大，钻头井底漩涡区面积占比呈先减小后增大的趋势，喷嘴最优转速是 9 0 12 0 r/min。4）随着钻头转速的增大，旋转喷嘴抑制钻头井底漩涡程度变化不显著，即钻头转速影响较小。参考文献1贺培，王国华，陆朝晖，等.聚晶金刚石复合片钻头喷嘴倾角组合的流场特性 J.科学技术与工程，2 0 19，19(28):116-121.2 张逸群，武晓亚，李根生，等.天然气水合物旋转空化射石油矿场机械流冲蚀性能研究 J.中南大学学报（自然科学版），2022,53(3):909-923.3陈健翔，杨睿月，黄中伟，等.基于分离涡模拟的旋转射流流场结构特征分析 J.石油勘探与开发，2 0 2 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