旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)下PDC 鉆頭的數(shù)值模擬仿真

王勇勇，張 帥，王文娟，呂瀾濤

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

近年來(lái)PDC 鉆頭已廣泛的應(yīng)運(yùn)于石油鉆井中。因此研究PDC 鉆頭流場(chǎng)，對(duì)于優(yōu)化鉆頭和鉆井工藝有很大的幫助。謝翠麗等[1]，在自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)上，通過(guò)絲線法和高速攝影手段進(jìn)行了PDC 鉆頭井下流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的可視化實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)靠近鉆頭肩部的流道內(nèi)存在強(qiáng)烈的渦旋。黃紅梅等[2]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)PDC 鉆頭的三維湍流進(jìn)行了數(shù)值模擬，并利用粒子成像測(cè)速技術(shù)對(duì)PDC 鉆頭4 個(gè)噴嘴的出口流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得噴嘴軸向速度與數(shù)值模擬所得結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，兩者吻合較好。Charles Douglas 等[3]對(duì)剛體PDC 鉆頭在旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，給出了鉆頭部位流域的流線圖，并對(duì)鉆頭造型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。將改進(jìn)后的鉆頭應(yīng)運(yùn)到實(shí)際鉆井后，縮短了鉆井時(shí)間并節(jié)省了鉆井成本。`

1 三維建模及初始條件的設(shè)定

1.1 三維建模

在Creo3.0 中建立的鉆頭模型如圖1 所示，然后用workbench15.0 中的geometry 和mash 進(jìn)行前處理。為了能更好的研究鉆頭的流場(chǎng)，筆者建立了2 種形式的鉆頭模型，4 個(gè)偏心噴嘴的鉆頭、有1 個(gè)中心噴嘴和4 個(gè)偏心噴嘴偏心的鉆頭。

圖1 簡(jiǎn)化鉆頭模型

1.2 基本參數(shù)及計(jì)算方法

本文模擬使用簡(jiǎn)化的四刀翼PDC 鉆頭，鉆頭直徑100mm，井眼直徑略大于鉆頭直徑，為104mm。入口壓力為16MPa，圍壓為10MPa，鉆頭旋轉(zhuǎn)速度12rad/s，求解算法為SIMPLE 算法，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的 模型，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)求解瞬態(tài)流場(chǎng)。

2 仿真計(jì)算分析

2.1 井底回流

對(duì)比觀察圖2 中的（a）、（b），可知流體在井底會(huì)產(chǎn)生回流。井底回流表現(xiàn)為，高速流體從噴嘴射向井底，經(jīng)井底反射之后射向井壁，再經(jīng)過(guò)井壁反射之后沿著底部的流道返回到噴嘴附近，當(dāng)與噴嘴射出的流體相撞之后，再次改變方向流向井底，這樣不斷循環(huán)。這種現(xiàn)象造成了井底流體的徑向漫流和鉆頭表面附近流體的逆流。流線變化急劇的地方可能會(huì)形成渦旋，這部分流體的攜巖能力非常的差，可能會(huì)造成井底巖屑的堆積，靠近鉆頭表面的流體可能會(huì)沖蝕鉆頭。通過(guò)觀察5 個(gè)噴嘴的情況，發(fā)現(xiàn)這種情況被緩解，逆流形成的渦旋向外側(cè)移動(dòng)。

圖2 鉆頭側(cè)面速度矢量圖

2.2 鉆頭底部中心產(chǎn)生渦旋

觀察圖3 中的（a）和圖4 中的（a），可知在鉆頭的中心位置有渦旋產(chǎn)生，并對(duì)鉆頭中心造成沖擊。造成這種現(xiàn)象的原因主要是，從噴嘴噴出的流體經(jīng)過(guò)井底的反射，有一部分流體沿著鉆頭徑向向鉆頭的中心流去。當(dāng)這4 股流體相遇時(shí)會(huì)發(fā)生碰撞從而改變速度方向射向鉆頭的底部的中心。當(dāng)流體到達(dá)鉆頭底部時(shí)會(huì)再次改變方向，沿著鉆頭的徑向向外流動(dòng)。當(dāng)遇到從噴嘴噴射出的流體之后，再次改變方向流向井底，這樣不斷的循環(huán)。流體的黏性作用力會(huì)使這部分流體發(fā)生剪切變形，最后形成渦旋。對(duì)比觀察圖3 中的（a）、（b）可知在鉆頭中間布置一個(gè)噴嘴，可以緩解這種現(xiàn)象。

圖3 鉆頭底部速度矢量圖

3 總結(jié)

1）在井底的流道內(nèi)產(chǎn)生逆流現(xiàn)象，并有渦旋產(chǎn)生。這是由于流體的高速運(yùn)動(dòng)和井底的特殊結(jié)構(gòu)造成的?？梢栽阢@頭中心布置噴嘴緩解這種現(xiàn)象。

2）由于噴嘴在鉆頭上的正對(duì)分布，會(huì)使鉆頭底部中心受到流體巨大的沖擊?？梢栽阢@頭中心布置噴嘴，以此緩解這種現(xiàn)象。