双级PDC钻头的理论及试验研究随着深井和超深井的增多,φ311mm及更大直径井段增多,提高深井大直径井段的机械钻速已成为一个急需解决的主要问题。
双级PDC钻头通过钻出一段小井眼释放地层应力和产生一大的自由面,有效提高机械钻速。
本文对双级PDC钻头进行较全面研究具有重要意义。
①在岩土开挖及有限元的理论和方法的基础上,建立了双级PDC钻头和常规PDC钻头的井底有限元模型。
提出用3个时间步较真实地模拟了开钻前、钻进过程中和井底形成后3种状态下的井底应力场,编写了有限元分析程序。
经分析得到了一系列钻头的井底应力场。
对比双级PDC钻头和常规PDC钻头的井底应力场,研究了其提高机械钻速的力学机理。
通过对比不同导眼体直径的双级PDC钻头的井底应力场,优选出导眼体直径。
②应用非牛顿流体力学、钻柱水力学和钻头水力学的理论,推导出了双级流量分配的方程组及参数影响的简化公式,编写了双级流量分配和喷嘴组合设计程序。
经参变分析得出:导眼体分流流量随扩眼体喷嘴组的当量直径的增大而减小,随导眼体喷嘴组的当量直径的增大而增大,随级间段长的加长而减小的影响规律和曲线,和随其它参数变化影响的幅度。
进而提出了双级流量分配的基本原则。
③应用有限元方法和间隙元法思想,以全井钻柱为研究对象,提出钻头与地层接触为弹性接触的假设和用现代多向间隙接触理论实现间隙元的思想,建立了双级PDC钻头和常规PDC钻头的钻具组合的有限元分析模型。
通过真实PDC钻头的性能模拟和曲线拟合,考虑钻头与地层的摩阻推导出PDC钻头扭矩预测公式;提出用迭代方法计算零钻压下的悬重和给定指重表钻压下的钻头钻压,较真实地模拟钻井的钻压-扭矩响应、稳定或振荡过程;考虑泥浆浮力、钻井液阻力偶、钻柱-井壁摩擦力及扭矩、钻头扭矩等边界条件,编写了有限元分析程序,研究了双级PDC钻头的井底钻具组合的井斜控制特性。
分析双级PDC钻头的塔式钻具组合和塔式钟摆钻具组合得出:在小井斜和较大井眼扩大系数下,双级PDC钻头与塔式(钟摆)钻具组合配合使用具有较好的防斜作用。
科技论坛1 2 3 4 5 mm 12.70 11.13 12.70 11.13 11.13 14° 25° 14° 25° 25° 43° 105° 189.9° 252.5° 315.3° mm21 45 21 45 45 ＰＤＣ钻头喷嘴倾角流场特性模拟研究吴迪楠１肖丽芳２程紫薇３（1、中国石油与天然气公司辽河油田分公司，辽宁盘锦1240002、中国石油与天然气公司冀东油田分公司，河北唐山0630003、中国石油与天然气公司辽河油田锦州采油厂，辽宁锦州121209）喷嘴作为钻井液通过ＰＤＣ钻头的流道，其直径大小、组合方式、布置结构、形状特征等结构参数直接影响到ＰＤＣ钻头的井底流场特性［１－３］。
关于ＰＤＣ钻头喷嘴直径、组合方式等对井底流场的影响，前人进行了一定的研究，但是对于ＰＤＣ钻头喷嘴倾角对井底流场的影响尚未有明确的结论。
合理的喷嘴倾角组合能够使ＰＤＣ钻头的流场特性达到最优，有利于井底清岩和冷却钻头。
本文利用数值模拟的手段，从优化喷嘴角度出发，对两类不同的喷嘴倾角组合方式对井底流场进行了研究。
一是固定中心喷嘴倾角，改变外围喷嘴倾角；二是固定外围喷嘴倾角，改变中心喷嘴倾角，模拟研究最优喷嘴角度组合。
１物理模型和数学模型的建立ＰＤＣ钻头的形状结构多样，采用ＰＤＣ钻头的实际形状建模是不切实际的。
因此，综合分析ＰＤＣ钻头各部分结构对井底流场特性的影响，忽略部分次要因素，并对ＰＤＣ钻头进行一定的简化，建立图１所示物理模型，钻头直径为８－１／２＇＇（２１５．９ｍｍ），采用五刀翼结构（２主刀翼＋３辅助刀翼），水力结构为常见的５喷嘴结构，中心喷嘴两个，直径为１２．７０ｍｍ（代号１６），外围喷嘴三个，直径为１１．１３ｍｍ（代号１４），喷嘴布置方案见表１。
为了计算方便和之后的网格划分，建模过程中忽略了对井底流场影响较小的次要因素，进行了如下简化假设：（１）假设井底为平面，井壁为光滑圆柱面规则井壁；（２）假设流场系统为绝热系统，即与外界无热量交换；（３）忽略井底围压的影响；（４）忽略切削齿对流场特性的影响；（５）忽略井底岩屑对井底流场的影响；（６）忽略钻头转动对井底流场的影响。
