旋轉流場下PDC 鉆頭的數值模擬仿真

王勇勇，張 帥，王文娟，呂瀾濤

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

近年來PDC 鉆頭已廣泛的應運于石油鉆井中。因此研究PDC 鉆頭流場，對于優化鉆頭和鉆井工藝有很大的幫助。謝翠麗等[1]，在自行開發設計的試驗平臺上，通過絲線法和高速攝影手段進行了PDC 鉆頭井下流場結構的可視化實驗，并發現靠近鉆頭肩部的流道內存在強烈的渦旋。黃紅梅等[2]利用計算流體動力學技術對PDC 鉆頭的三維湍流進行了數值模擬，并利用粒子成像測速技術對PDC 鉆頭4 個噴嘴的出口流場進行了測試，將實驗測得噴嘴軸向速度與數值模擬所得結果進行了對比分析，兩者吻合較好。Charles Douglas 等[3]對剛體PDC 鉆頭在旋轉流場中進行了數值模擬仿真，給出了鉆頭部位流域的流線圖，并對鉆頭造型進行了優化設計。將改進后的鉆頭應運到實際鉆井后，縮短了鉆井時間并節省了鉆井成本。`

1 三維建模及初始條件的設定

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 進行前處理。為了能更好的研究鉆頭的流場，筆者建立了2 種形式的鉆頭模型，4 個偏心噴嘴的鉆頭、有1 個中心噴嘴和4 個偏心噴嘴偏心的鉆頭。

圖1 簡化鉆頭模型

1.2 基本參數及計算方法

本文模擬使用簡化的四刀翼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，鉆頭旋轉速度12rad/s，求解算法為SIMPLE 算法，湍流模型選擇標準的 模型，采用滑移網格技術求解瞬態流場。

2 仿真計算分析

2.1 井底回流

對比觀察圖2 中的（a）、（b），可知流體在井底會產生回流。井底回流表現為，高速流體從噴嘴射向井底，經井底反射之后射向井壁，再經過井壁反射之后沿著底部的流道返回到噴嘴附近，當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。這種現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形成渦旋，這部分流體的攜巖能力非常的差，可能會造成井底巖屑的堆積，靠近鉆頭表面的流體可能會沖蝕鉆頭。通過觀察5 個噴嘴的情況，發現這種情況被緩解，逆流形成的渦旋向外側移動。

圖2 鉆頭側面速度矢量圖

2.2 鉆頭底部中心產生渦旋

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生，并對鉆頭中心造成沖擊。造成這種現象的原因主要是，從噴嘴噴出的流體經過井底的反射，有一部分流體沿著鉆頭徑向向鉆頭的中心流去。當這4 股流體相遇時會發生碰撞從而改變速度方向射向鉆頭的底部的中心。當流體到達鉆頭底部時會再次改變方向，沿著鉆頭的徑向向外流動。當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。流體的黏性作用力會使這部分流體發生剪切變形，最后形成渦旋。對比觀察圖3 中的（a）、（b）可知在鉆頭中間布置一個噴嘴，可以緩解這種現象。

圖3 鉆頭底部速度矢量圖

3 總結

1）在井底的流道內產生逆流現象，并有渦旋產生。這是由于流體的高速運動和井底的特殊結構造成的。可以在鉆頭中心布置噴嘴緩解這種現象。

2）由于噴嘴在鉆頭上的正對分布，會使鉆頭底部中心受到流體巨大的沖擊。可以在鉆頭中心布置噴嘴，以此緩解這種現象。