潜孔钻头结构参数与井底流场关系研究
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钻头冠部和规径如何影响井眼轨迹技术助理编辑Karen Bybee 编写的这篇文章包含了SPE74459(钻头冠部和规径如何影响井眼轨迹)的重要内容。
此篇文章最先在2002年2月26-28日的IADC/SPE 钻井会议上发表。
PDC钻头的定向行为分析结果表明PDC钻头每一部分对于影响钻头移位趋向和导向性都起着主要作用。
本文就这些主要因素对井眼轨迹的影响作了大量分析评估。
为了测量PDC钻头的移位趋向和导向性,建立了一个1:1 的钻井平台。
结果表明钻头冠部、规径齿、规径长度对于移位趋向和导向性有极大的影响。
同时研制出3D岩石/钻头相互作用模型,仿造钻井试验结果。
简介石油和天然气行业主要依靠定向钻井,在环境敏感区和限制区开发多层井、定向井和延伸井,增加石油储量。
这样的定向系统如:旋转井底钻具组合、导向泥浆马达或旋转导向系统都用于控制复杂井的井斜。
不论运用哪一种系统,全面钻进钻头都会影响钻井系统的定向行为。
背景PDC钻头定向行为特征是钻头移位趋向和导向性。
PDC钻头的移位角指的是施加在钻头上的侧向力方向和从垂直于钻头轴线的平面所测得的横向位移方向之间的夹角。
当钻头横向位移在侧向力的左边时,钻头有向左移位的趋向;如果横向位移在侧向力的右边,钻头就有向右移位的趋向。
中性钻头的横向位移与侧向力方向一致。
钻头导向性代表钻头顺着侧向力和轴向力进行侧向造斜的能力。
钻头导向性代表钻头进行侧向造斜的能力,即侧向可钻性与轴向可钻性的比。
侧向可钻性是钻头旋转一周的横向位移除以侧向力的结果。
轴向可钻性是钻头旋转一周的轴向进尺除以钻压的结果。
许多PDC钻头的导向性根据切削冠部、规径齿和规径瓣的特征,范围从0.001到0.1不等。
具有强导向性的钻头具有很强的侧向趋势,并且能使造斜和降斜率达到最大。
岩石/钻头相互作用模型在过去30年里,Ecole des Mines de Paris研究出一套用于切削和钻井系统设计和选型的方法。
并仔细研究了如何提高钻井效率、减小磨损、防振以及有效清洗钻头。
定向井PDC钻头受力模型及优化设计研究的开题报告一、研究背景及意义随着石油工业的不断发展,定向井(包括水平井、斜井等)越来越被广泛应用,因其可以在较小的区域内获得更多的储层资源。
然而,定向井钻井难度较大,在钻井时需考虑钻头受力问题,以避免钻头磨损过快甚至失效。
因此,钻头的设计和优化在定向井钻井中显得尤为重要。
目前,钻头主要分为钻十字头和PDC钻头两种。
由于它们的结构和性能不同,导致受力情况和钻速不同,因此需要研究它们的受力特性,并对其进行优化设计,以提高钻进效率和降低钻井成本。
二、研究内容1. 建立定向井PDC钻头受力模型通过分析定向井钻井过程中的载荷、钻头结构和磨损机制等因素,建立PDC钻头在定向井钻井中的受力模型,揭示其受力分布、载荷分布、切削力分布等特征,为优化设计提供基础数据。
2. 优化设计PDC钻头基于受力模型,优化设计PDC钻头结构和参数,提高其钻进效率、降低其磨损率、延长其使用寿命,从而降低钻井成本。
3. 验证模型和设计的可行性通过实际定向井钻井试验,验证模型和设计的可行性和实用性,进一步提高优化设计的合理性和有效性。
三、研究方法1. 数值模拟法通过有限元方法和计算流体力学方法,建立PDC钻头在定向井钻井中的数值模型,分析其受力分析和动力学特性,进而揭示其磨损机制。
2. 实验验证法通过定向井钻井试验,采集实验数据,验证数值模拟方法的准确性和优化设计的可行性,进一步提高优化设计的实用性和可靠性。
四、预期成果1. 建立定向井PDC钻头受力模型,揭示其受力分布和切削特征。
2. 优化设计PDC钻头结构和参数,提高其钻进效率、降低其磨损率、延长其使用寿命,降低钻井成本。
3. 验证模型和设计的可行性和实用性,进一步提高模型和设计的准确性和可靠性。
五、研究难点1. 定向井钻头的受力模型建立较为复杂,需要考虑多种因素的影响。
2. PDC钻头结构和参数的优化需要同时考虑多个因素,因此具有较高的难度。
领眼与扩眼双级PDC钻头井底流场数值模拟闫炎;管志川;杨才;阎卫军;耿潇【摘要】针对领眼与扩眼双级PDC钻头,利用FLUENT有限元软件进行了井底流场数值模拟,得到了四刀翼双级PDC钻头与六刀翼双级PDC钻头井底的速度场、压力场特征.仿真结果表明,领眼钻头刀翼上的内侧切削齿由于低速滞留区的存在导致表面钻井液流速较低,清洗效果较差;从领眼钻头井底上返的钻井液流过阶梯状环空井眼台阶处时出现压力波动.对比两种双级PDC钻头仿真结果,四刀翼双级PDC 钻头领眼体与扩眼体井底水力能量分配更加均衡,同时领眼空间与扩眼空间均形成了较大的轴向压差,更加利于钻井液携岩上返.领眼钻头的井眼尺寸、领眼钻头与扩眼钻头喷嘴的过流面积配比对于双级PDC钻头的井底流场有着较为明显的影响.【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2019(041)001【总页数】7页(P31-37)【关键词】双级PDC钻头;井底流场;刀翼;数值模拟;涡旋【作者】闫炎;管志川;杨才;阎卫军;耿潇【作者单位】中国石油大学(华东)石油工程学院;山东省深地钻井过程控制工程技术研究中心;中国石油大学(华东)石油工程学院;山东省深地钻井过程控制工程技术研究中心;中国石油长城钻探工程有限公司国际测井公司;中国石油长城钻探工程有限公司钻井一公司;中国石油大学(华东)石油工程学院【正文语种】中文【中图分类】TE921随着油气开发不断向深部发展,深井机械钻速慢的问题日益突出。
双级PDC钻头通过有效释放地层应力的方式提高破岩效率,已成为现场大尺寸井眼的主要提速工具之一[1-3]。
然而双级钻头破岩过程中领眼钻头与扩眼钻头之间钻井液形成的流速场干扰是双级PDC钻头水力结构优化中亟待解决的问题。
一个良好的双级PDC钻头井底流场应该能使钻井液的流动满足领眼钻头与扩眼钻头破碎的岩屑迅速从井底运移且领眼钻头井眼内的岩屑快速通过扩眼体井眼上返[4-7]。
因此,针对双级PDC钻头分析井底钻井液流场特性对于双级PDC钻头破岩效率和机械钻速的提高无疑是至关重要的。
PDC取心钻头井底流场的数值模拟研究
白玉湖;赵艳玲;王瑞和
【期刊名称】《石油钻探技术》
【年(卷),期】2003(031)003
【摘要】以一种现场常用的PDC取心钻头为原型,充分考虑排屑槽和切削齿对于井底流动的影响,建立了与实际相接近的PDC取心钻头井底流场的物理模型.运用k-ε两方程模型,采用线性六面体等参单元对取心钻头井底流动空间进行划分,用有限元方法对井底流场进行了数值模拟研究.分析了排屑槽和切削齿对PDC取心钻头井底漫流的影响,为合理进行取心钻头的结构设计及水力设计提供了依据和校验方法.
【总页数】3页(P10-12)
【作者】白玉湖;赵艳玲;王瑞和
【作者单位】石油大学(华东)石油工程学院,山东东营,257061;石油大学(华东)石油工程学院,山东东营,257061;石油大学(华东)石油工程学院,山东东营,257061
【正文语种】中文
【中图分类】TE21;TE921+.1
【相关文献】
1.基于Web服务的PDC钻头井底流场分析平台研究 [J], 况雨春;王芳;魏莉鸿;董宗正;罗金武
2.PDC钻头井底水力参数理论与数值模拟研究 [J], 刘照义;张凌峰;王翠姣
3.潜孔钻头井底流场数值模拟研究 [J], 黄志强;单代伟;李琴;谭军;杨茂君;刘少彬
4.PDC钻头井底流场数值模拟研究 [J], 胡军;杨作峰
5.领眼与扩眼双级PDC钻头井底流场数值模拟 [J], 闫炎;管志川;杨才;阎卫军;耿潇因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
浅析潜孔钻头范文潜孔钻头是一种钻井工具,常用于岩石地层的钻井作业。
本文将对潜孔钻头的结构、工作原理和应用进行浅析。
首先,潜孔钻头的结构由钻头本体、钻头刀具和钻尾三部分组成。
钻头本体是整个钻头的主体部分,它通常由合金钢制成,具有一定的强度和硬度,可适应不同地质条件下的钻井作业。
钻头刀具是安装在钻头本体上的主要工作部件,它通常由硬质合金制成,具有很高的耐磨性和切削能力,用于切削岩石地层。
钻尾是连接钻头和钻杆的部分,其作用是传导转矩和推动钻头的旋转。
潜孔钻头的工作原理是利用钻头刀具对地层进行切削和破碎,然后通过钻杆的旋转将岩石碎屑带到地面。
具体来说,当钻头旋转时,钻头刀具在地层上产生切削力,将岩石切割成碎屑,然后利用钻杆的推力将碎屑带到地面。
同时,钻杆也起到传导钻头旋转力和推力的作用,使钻头能够有效地切削地层。
潜孔钻头在矿山、工程地质勘探和油气钻井等领域有广泛的应用。
首先,在矿山中,潜孔钻头常用于煤矿井巷的开拓和岩层的探测。
由于其具有高效、耐磨的特点,能够适应岩石矿井的钻井需求。
其次,在工程地质勘探中,潜孔钻头能够快速凿进地下,获取地下岩石和土层的信息,为工程设计提供依据。
此外,潜孔钻头还广泛应用于油气钻井领域。
由于潜孔钻头具有快速钻进和高效率的特点,被广泛应用于深井、超深井的钻井作业。
潜孔钻头的应用也存在一定的局限性。
首先,由于潜孔钻头在钻井过程中会受到较大的冲击和摩擦力,容易出现磨损和损坏,需要定期更换。
其次,潜孔钻头只能在较硬的地层中使用,对于软黏土和沙土等松散地层的钻进效果较差。
此外,潜孔钻头的工作效率也受到地层的硬度和钻杆的传动系统的影响,因此需要针对具体的钻井条件进行选择和优化。
总结起来,潜孔钻头是一种常用的钻井工具,具有高效、耐磨的特点,广泛应用于矿山、工程地质勘探和油气钻井等领域。
它的结构由钻头本体、钻头刀具和钻尾三部分组成,通过钻头刀具的切削和破碎作用,将岩石碎屑带到地面。
然而,潜孔钻头的应用也存在一定的局限性,如容易磨损和损坏、只适用于硬地层等。
新型PDC钻头井底流场数值模拟与优化唐昌昊;王伟章;李文飞;芦洁;赵国翔;刘晟玮【期刊名称】《钻采工艺》【年(卷),期】2022(45)6【摘要】为了提高在某些硬岩和研磨性地层钻进效率,减少井底岩屑堆积,基于传统PDC(聚晶金刚石复合片)钻头进行了结构调整,无中心喷嘴,设置三个轴向夹角为20°的斜喷嘴孔,改变六刀翼分布。
利用数值模拟分析方法,采用SST k-ω模型,对PDC 钻头射流流场特性进行研究,分别对井底、喷嘴、刀翼表面射流流速和压力梯度进行了数值分析。
在此基础上,对其水利参数再次优化,并对不同参数的PDC钻头井底流场进行分析对比。
结果表明,钻头喷嘴直径越小,直射点速度越大,越利于破岩,但水力能量过于集中,高速漫流无法充分覆盖井底,不利于清洗岩屑;轴向夹角度数在20°~30°时,钻头喷嘴轴向夹角度数变大,直射点速度变化不大,但钻头肩部涡旋减少,上返区域速度提高,有利于岩屑快速排出井底,刀翼表面不易产生泥包;当钻头喷嘴直径在24~28 mm,喷嘴轴向夹角度数在25°~30°时,该PDC钻头水力情况最佳。
【总页数】5页(P31-35)【作者】唐昌昊;王伟章;李文飞;芦洁;赵国翔;刘晟玮【作者单位】山东科技大学机械电子工程学院;潍坊学院机械与自动化学院;山东石油化工学院石油工程学院;中国石油玉门油田分公司老君庙采油厂;中国石油长庆油田分公司第十一采油厂【正文语种】中文【中图分类】TE9【相关文献】1.喷嘴孔径对PDC钻头井底流场影响的数值分析2.PDC钻头定向喷嘴井底流场数值模拟3.PDC钻头井底流场数值模拟研究4.领眼与扩眼双级PDC钻头井底流场数值模拟5.非简化PDC钻头井底流场数值仿真因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
钻头水力参数计算首先,我们需要确定泥浆流动的一些基本参数,包括钻头的直径、钻井液的密度、黏度以及井筒的尺寸和形状。
钻井液的密度可以通过实验室测试或者计算得出。
钻头的直径可以通过测量或者参考钻头的规格书确定。
井筒的尺寸和形状可以在钻井作业前通过地质勘探或者地层资料收集获得。
钻井液的黏度可以通过实验室测试得到,也可以根据层位的地质特征和井眼尺寸进行估算。
其次,我们需要了解一些与钻井液流动相关的参数,包括雷诺数、流速、流量以及摩阻压降。
流速可以通过测量钻井液通过钻头的速度得出,也可以通过流量计进行测量。
流量是流速和井眼面积的乘积,可以通过测量钻井液通过钻头的体积来计算。
雷诺数是描述流体运动稳定性的参数,可以通过雷诺数公式进行计算。
雷诺数越大,流动越不稳定,可能产生涡流和扰动。
摩阻压降是钻井液在井眼中流动时产生的压力损失,可以通过达西公式进行计算。
达西公式是最常用的钻井液流动计算公式,可以通过摩阻系数、井眼内径、流速和密度等参数进行计算。
最后,我们可以根据以上参数计算出钻头的水力参数,包括摩阻压降、泥浆流量和泥浆压力。
泥浆流量可以通过流量计进行实时测量,也可以通过流速和井眼面积的乘积进行计算。
泥浆压力可以通过摩阻压降和钻井液密度的乘积计算得出。
钻头的水力参数计算可以帮助工程师合理配置钻井液的流量和压力,以达到最佳钻进效果。
同时,还可以通过监测测量值与计算值的差异来判断井底是否存在异常情况,从而及时调整钻井参数以减少钻井事故的发生。
在实际钻井过程中,还需要根据地层特征和钻头的结构特点来确定合适的钻井液类型和性能参数,以保证钻井作业的安全和效率。
2023年第52卷第5期第1页石油矿场机械犗犐犔 犉犐犈犔犇 犈犙犝犐犘犕犈犖犜2023,52(5):1 11文章编号:1001 3482(2023)05 0001 11转速对轴流式犘犇犆钻头井底流场影响曹 扬(中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院,北京102249)摘要:PDC钻头在钻进深井过程中,由于钻井液上返速度慢及井底压力大,使得井底岩屑难以上返,从而堆积在井底形成泥包,对钻进效率产生极大影响。
为了提升钻进效率,基于轴流泵原理,在PDC钻头保径向上10mm处设计了轴流泵叶片。
该叶片随钻头旋转,给予井底流体向上升力,增加井底钻井液上返速度,降低井底压力。
使用FluentDPM模型对轴流式PDC钻头的井底流场进行数值模拟分析,结果为:随着钻头转速增加,①井底射流区、漫流区和上返区钻井液流速增加,出口区域流速也增加;②井底压力逐渐减小,刀翼切削处压力逐渐增大,钻头在井底的切向力变化较弱;③井底颗粒质量浓度、保径区域颗粒质量浓度和上返区域颗粒质量浓度逐渐降低。
关键词:轴流式PDC钻头;转速;井底压力;流速中图分类号:TE921.102 文献标识码:A 犱狅犻:10.3969/j.issn.1001 3482.2023.05.001犈犳犳犲犮狋狅犳犇犻犳犳犲狉犲狀狋犚狅狋犪狋犻狅狀犪犾犛狆犲犲犱狅狀犅狅狋狋狅犿犎狅犾犲狅犳犃狓犻犪犾犉犾狅狑犘犇犆犅犻狋狊CAOYang(犆狅犾犾犲犵犲狅犳犛犪犳犲狋狔犪狀犱犕犪狉犻狀犲犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵,犆犺犻狀犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犘犲狋狉狅犾犲狌犿(犅犲犻犼犻狀犵),犅犲犻犼犻狀犵102249,犆犺犻狀犪)犃犫狊狋狉犪犮狋:DuringthedrillingprocessofPDCbitsindeepwells,theslowupwardflowrateofdrill ingfluidandthehighpressureatthebottomofthewell,makeitdifficultforrockchipstoreturntothebottomofthewell,thusformingamudpocketatthebottomofthewell,whichhasasig nificantimpactondrillingefficiency.Inordertoimprovedrillingefficiency,basedontheprinci pleofaxialflowpump,axialflowpumpbladesweredesignedataradiusof10mmabovethePDCdrillbit.Thebladerotateswiththedrillbit,providingupwardlifttothewellborefluid,increas ingtheupwardvelocityofthewellboredrillingfluid,andreducingthewellborepressure.UsingtheFluentDPMmodel,anumericalsimulationanalysiswasconductedonthebottomholeflowfieldofanaxialflowPDCdrillbit.Theresultsareasfollows:asthebitspeedincreases,(i)theflowrateofdrillingfluidincreasesinthebottomholejet,diffuseflow,andupstreamzone,andtheflowrateintheexitzonealsoincreases;(ii)thepressureatthebottomholegraduallydecrea ses,thepressureatthecutterwingcuttinggraduallyincreases,andthetangentialforceofthebitatthebottomholeisweak;(iii)theparticleconcentrationatthebottomhole,theparticlecon centrationintheconformalzoneandtheparticleconcentrationintheupstreamzone 收稿日期:2023 02 22 基金项目:中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目“自动化与高效钻完井新装备新工具研制”(2019B 4009)。
月球钻取采样钻头结构参数对力学性能的影响刘志全;王丽丽;吴伟仁;张之敬【摘要】基于对螺旋钻头的输出月壤阻力、驱动力矩及月壤失效区的分析,建立了钻头的力学模型,该模型综合考虑切削具内外侧面与月壤之间的压力及摩擦力,考虑月壤侧向失效面的面载荷对钻头切削具周向力矩、总功耗及月壤失效距离的影响,数值仿真与试验结果校验了模型的正确性.在数值仿真过程中采用深层月壤本构关系的Mohr-Coulomb模型,使仿真更加符合月壤内摩擦角大于22°的真实情况.利用该模型分析并获得了钻头结构参数对切削具功耗和失效距离的影响规律,以钻头功耗最小为优化目标,用遗传算法对钻头结构参数进行了优化,优化结果降低了钻探过程中的烧钻风险.可为钻取式自动采样机构的钻头设计提供理论依据.【期刊名称】《宇航学报》【年(卷),期】2015(036)012【总页数】9页(P1339-1347)【关键词】月球;采样;螺旋钻头;切削具;结构【作者】刘志全;王丽丽;吴伟仁;张之敬【作者单位】中国空间技术研究院总体部,北京100094;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;探月与航天工程中心,北京100037;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081【正文语种】中文【中图分类】V476.30 引言月球无水、低重力及真空的特点决定了月球钻取采样存在散热难、需轴向加载等技术难题。
作为月球钻取式自动采样机构的关键组成部分,取芯钻头(下文简称钻头)的结构参数直接影响着钻头力学性能。
研究钻头结构参数对钻头力学性能的影响对于钻头优化设计具有重要意义。
关于外星球深层采样钻头参数研究,迄今未见国外公开文献。
国内文献[1]所建钻头与月壤的力学模型未考虑侧向失效面的面载荷。
文献[2]中的钻头切削力模型和中心失效区力学模型未涉及切削具正面与月壤间的摩擦。
文献[3]利用太沙基极限承载力半经验公式得到了钻头端部土壤极限承载力,但基于Druker-Prager模型的本构关系不适用于月壤内摩擦角大于22°的情况。