PID 鉆頭旋轉與靜止狀態下切削齒沖蝕磨損情況的對比分析

程建勛

(東北石油大學 機械科學與工程學院,黑龍江 大慶163318)

近幾年,高壓水射流能夠輔助破巖與清理巖屑,提高鉆井效率已被證實并廣泛應用,現有的水射流破巖機理主要包括拉伸- 水楔破巖理論、密實核- 劈拉破巖理論、應力波破巖理論、斷裂破碎理論、空蝕破巖理論等[1]。這些學說在各自特定情況下具有很好的適用性,但由于射流破巖過程復雜,各種學說之間還沒有形成統一的認識[2]。粒子射流沖擊破巖技術是解決深井、超深井堅硬巖層鉆探難題的有效方法,具有廣闊的應用前景[3]。

1 仿真流場數值模擬

本次仿真流場分析采用fluent 中的DPM 模型來進行仿真模擬計算,離散相模型(Discrete Phase Model,DPM 模型)適用于系統中顆粒體積分數占比小于10%的場合。此模型中,不考慮顆粒之間的相互碰撞作用,只考慮顆粒與流體之間的相互作用,采用拉格朗日方法計算顆粒的運動軌跡[4]。顆粒在流體運動中主要會受到曳力,其計算公式是：

其中：m——顆粒質量up——顆粒速度ρp——顆粒

dp——顆粒直徑CD——曳力系數ρ——液相密度

u——液相速度Fd——曳力Re——雷諾數

2 仿真模擬沖蝕情況對比研究分析

流場分析時粒子運動會造成PID 鉆頭的沖蝕磨損,影響PID 鉆頭的工作效率以及穩定性[5]。圖1 為PID 鉆頭靜止狀態下的四組刀翼沖蝕程度的表面分布情況。如圖所示,分析可得各個刀翼受到的沖蝕影響的程度不同,其中3 號刀翼受和4 號刀翼位置的切削齒受沖蝕影響較大、1 號刀翼次之、2 號刀翼影響較輕。沖蝕磨損主要發生在切削齒的側面,此處可能受沖蝕影響遭到破壞,造成切削齒脫落從而影響切削齒的工作性能,為減小沖蝕磨損的影響,可以合理改變沖擊噴嘴的位置,減小此處的流體沖擊速度。

圖1 PID 鉆頭靜止狀態時的各個刀翼切削齒的沖蝕云圖

圖2 為PID 鉆頭旋轉狀態下的各個刀翼切削齒的沖蝕云圖,對比圖1 PID 鉆頭靜止狀態下的各個刀翼切削齒的沖蝕云圖可以發現,在鉆頭旋轉狀態下,各個刀翼的沖蝕情況要小于靜止狀態下各個刀翼所受到的沖蝕影響,體現出了旋轉流場在抗沖蝕方面的優越性。

圖2 PID 鉆頭旋轉狀態時的各個刀翼切削齒的沖蝕云圖

3 研究結論

通過fluent 軟件仿真模擬,使用了DPM 離散相模型,完成了粒子沖擊PID 鉆頭靜止狀態與旋轉狀態沖蝕磨損情況的對比仿真模擬實驗,為粒子沖擊鉆井技術的改進提供參考。通過實驗分析可以得到以下結論：

3.1 仿真模擬了切削齒在流場中受到沖蝕磨損的過程,通過旋轉流場與靜態流場的分析對比可以看出,旋轉流場分析時鉆頭各個刀翼中切削齒所受到的沖蝕影響要小于靜態流場中鉆頭各個刀翼切削齒所受到的沖蝕影響。其中3 號刀翼和4 號刀翼的切削齒受沖蝕影響較大,沖蝕磨損主要發生在切削齒的側面,此處可能受沖蝕影響遭到破壞,造成切削齒脫落從而影響切削齒的工作性能,為減小沖蝕磨損的影響,可以合理改變沖擊噴嘴的位置,減小此處的流體沖擊速度。

3.2 注重鉆頭外部切削齒的保養,鉆井液經過PID 粒子沖擊鉆頭的各個切削齒表面上時應該具有一定的沖擊速度,在保障各個切削齒上沖洗效率的同時避免熱磨損現象的產生。還需要具有充足的水力,提高清洗巖屑的能力,減少鉆頭切削齒的磨損,避免泥包現象的產生。