定向井PDC钻头保径特征对水力效果的影响

1、定向井PDC钻头保径特征对水力效果的影响摘 要：在定向井作业中，保径的设计和配置直接影响着钻头地稳定性、导向性和井眼的质量。其中钻头保径结构对井底水力清洗效果的影响尤为明显。本文利用计算流体力学分析软件Fluent分析软件分析了PDC钻头保径长度和螺旋角度的变化对水力清洗效果的影响。总结出适合定向井的PDC钻头的保径长度和螺旋角度，从而为定向PDC钻头保径参数优化设计提供依据。关键词：保径长度；螺旋角度；计算流体力学；优化设计The influence of the PDC bit gage characteristic parameterson Hydraulic effect in dir

2、ectional drillingAbstract：In directional drilling process, gage design and configuration directly affects the stability of drill bit, steerability and borehole quality. Wherein the gage structureplays a very important role on cleaning effect. In this paper, by using the computational fluid dynamics

3、analysis software Fluent analysis software to analyze the effect of PDC bit gage length and spiral angle on hydraulic cleaning effect. Summarizing the Suitablegage length and spiral angle for directional PDC bit, which provides the basis of PDC bit gage design optimization.Keywords: Guage length; Sp

4、iral angle; Computational fluid mechanics; Design optimization在定向钻井中，技术和实践上要求钻进的稳定性，钻速，导向性，耐用性和井眼质量的最优化。保径的设计和配置直接影响着钻头地稳定性、导向性和井眼的质量。保径设计对PDC钻头性能的影响，尤其是对在定向钻井中的影响，争议由来已久1。增加保径块宽度使接触表面积增大，能提升扭矩的功效但也带来了水力问题，横截面面积的减少会提高流速，同样也会对岩屑排除造成障碍。现在一般采取螺旋角度控制保径的接触面积，排屑槽的面积保持不变，保径接触面积增加，解决了清洗效果和扭矩功效的冲突。本文以60mm长度保

5、径的保径为例，分析螺旋角度是15，30和45的水力效果。增加保径块的长度可以提高钻头的侧向稳定性，尤其在定向井中，增加保径块长度会提高扭矩，扭矩的增加并不意味着钻头不稳定，扭矩稳定表明钻头稳定。但增加保径块长度会降低钻头的导向性，增加保径块长度可能会使流体速度和携岩能力减弱。以螺旋角度30为例，分别分析保径长度为60mm，80mm，100mm时水力效果。为了使结果具有可对比性，保径的外径都为216mm，内径为160mm。保径块的宽度和厚度都相等。1模型的建立 以螺旋角度为15，长度为60mm的保径为例进行建模。利用Proe画图软件设计保径的三维几何模型(如图1所示)，然后导入到Gambit中进

6、行井壁的建模和网格划分(如图2所示)。本节进行数值实验是为了做定性分析，不做定量分析。鉴于实际情况中钻井液经过喷嘴的流速非常高，且井底和保径之间的距离很短，定向井和直井的差别不大，则建立直径井筒模型。所建模型内部流场假定条件为2：1)流场为静止流场，不考虑旋转；2)入口处流体速度均与；3)出口处的流体流动稳定均匀。流场为稳定的不可压缩湍流流场，模型选用中的表达式。 (1)图1 保径模型图图2 井壁和保径模型图假定工作排量为30L/s，入口条件设定为： m/s， m/s，m/s。出口压力设为10MPa。介质选为水。2计算结果分析 2.1 保径长度不变，螺旋角度变化对水力的影响当保径的长度为60m

7、m时，螺旋角度是15，30和45的流体速度分布分别如下(a)，(b)，(c)所示。(a) (b)(c)图3 不同螺旋角度的保径流体速度分布图当保径的长度为60mm时，螺旋角度是15，30和45的流体动态压力分布分别如下(a)，(b)，(c)所示。(a) (b)(c)图4 不同螺旋角度的保径动态压力分布图由上图可以得出，随着螺旋角度的增大，保径内流体的速度和动态压力是逐渐变大的。螺旋角度是15时，保径排屑区域内的最大流体速度为27.9m/s，最大动态压力为，而当螺旋角度为45时，两者的值分别为40.3m/s和。这是由于保径的螺旋角度越大，对流体的阻挡作用越明显，容易在保径块的排屑空间形成高速的涡

8、流，不利于岩屑的排出。同时，过高的流体速度和压力对钻头体和井壁冲蚀作用明显，不利于PDC钻头的使用寿命的提高和井眼质量。2.2保径螺旋角度不变，长度变化对水力的影响当螺旋角度30时，保径长度为60mm，80mm，100mm时，流体的速度3分布分别如下(a)，(b)，(c)所示。(a) (b)(c)图5 不同长度的保径流体速度分布图当螺旋角度30时，保径长度为60mm，80mm，100mm时，流体的动态压力分布分别如下(a)，(b)，(c)所示。(a) (b)(c)图6 不同长度的保径动态压力分布图由以上对比图可以看出，在保径螺旋角度一定的情况下，随着保径长度的增加，保径内流体的速度是增加的，但增加幅度很小。60mm和80mm的流体速度几乎没什么变化。动态压力是逐渐增大的，60mm保径内动态压力最大值是，100mm保径内的动态压力最大值是，变化幅度较小。3、结论（1）保径的螺旋角度越大，对流体的阻挡作用越明显，越易形成高速涡流，对钻头体和井壁冲蚀越严重。建议保径的螺旋角度控制在30以内。（2）常用PDC钻头的保径长度为2in.-4in.，在这个范围内，保径螺旋角度一定的情况下，保径长度变化对水力清洗效果的影响不明显。（3）以上结论可以在实际中作为定向PDC钻头保径设计的依据参考文献1 管志川用矩形出口喷