PDC鉆頭旋轉噴嘴流場特征仿真研究

李文飛 , 楊煥龍 , 劉 松

((1.山東石油化工學院, 山東 東營 257000; 2.勝利石油工程公司 海洋鉆井公司, 山東 東營 257000)

噴嘴(水眼)是PDC鉆頭的重要組成部分之一,承擔清洗、冷卻、輔助破巖等作用。現有噴嘴均是固定安裝在鉆頭上,隨著鉆頭的轉動而轉動,不能自主旋轉,因此其射流方向是固定不變的,射流的沖擊清洗區也是固定的。減小噴嘴流道直徑,有助于提高噴嘴射流速度,增強射流輔助破巖效果,但沖擊清洗區域較小;增加噴嘴流道直徑,有助于增大沖擊清洗區,但噴嘴壓降較低,不利于射流輔助破巖。采用組合噴嘴的方式有助于改善鉆頭井底流場,但影響鉆頭刀翼和布齒的優化設計。賀培[1]等采用數值模擬方法研究了組合噴嘴傾角對于鉆頭井底流場狀態的影響規律,分析了噴嘴的最優傾角范圍,但由于噴嘴固定,射流傾角也是固定的,鉆頭中心區流場及鉆頭外圍漩渦區的改善效果有限。國內外學者開展了固定式旋轉射流噴嘴的研究[2-9],主要采用在固定式噴嘴內部安裝導流葉輪的方法產生旋轉射流。雖然對具有固定式旋轉射流噴嘴的PDC鉆頭做了大量的研究工作,由于所研究的噴嘴是固定的,且流道中心軸線與噴嘴中心軸線重合,即射流方向不變,因此該噴嘴在預防泥包、改善井底流場、減少流場漩渦等方面的作用有限。本文建立了具有旋轉噴嘴的PDC鉆頭的仿真模型,分析旋轉噴嘴數量、噴嘴自轉速度、鉆頭轉速對PDC鉆頭井底漩渦場的影響規律。

1 旋轉噴嘴原理

為了改善PDC鉆頭的井底旋渦場,提高鉆井效率,研制了1種新型旋轉噴嘴。該噴嘴能夠在鉆井液的驅動下繞自身中心軸旋轉,且流道中心軸與噴嘴中心軸不重合(如圖1所示),即,射流方向與噴嘴中心軸方向不重合,隨著噴嘴的連續快速旋轉,射流方向不是固定的,而是形成繞噴嘴中心軸的圓周掃射。因此,相同條件下,旋轉噴嘴較常規固定噴嘴具有射流清洗區域更廣、井底同一位置所受射流能量更強、井底流場改善效果更顯著等特點。

圖1 旋轉噴嘴射流方向

2 PDC鉆頭漩渦場影響因素仿真分析

PDC鉆頭的井底旋渦直接影響巖屑運移效率、鉆頭泥包等。PDC鉆頭的水力結構優化設計關鍵是減小漩渦場區域面積及強度,減少射流因漩渦造成的能量損耗。采用數值仿真的方法建立PDC鉆頭與旋轉噴嘴的三維模型,分析旋轉噴嘴數量、旋轉噴嘴自轉速度、鉆頭轉速等參數影響PDC鉆頭漩渦場的規律,為PDC鉆頭結構及噴嘴的優化設計提供依據。選取現場使用的?215.9 mm六刀翼PDC鉆頭,并對鉆頭上6個噴嘴進行編號,如圖2a所示。假設鉆井液密度1.2 g/cm3,排量30 L/s,鉆頭公轉速度100 r/min,不考慮溫度變化。建立具有旋轉噴嘴的PDC鉆頭模型,如圖2b所示。

圖2 具有旋轉噴嘴的PDC鉆頭模型

2.1 無旋轉噴嘴鉆頭的漩渦流場特征

鉆頭漩渦場不僅消耗大量的噴嘴流體能量,而且造成巖屑在漩渦場中往復運動,難以快速進入環空返流。鉆頭漩渦場區域越大,越不利于井底巖屑的清理及運移,導致鉆頭泥包、巖屑重復研磨等情況的發生。為便于對比分析,首先分析6個噴嘴均不旋轉時的鉆頭漩渦場特征,如圖3所示。

圖3 無旋轉噴嘴的鉆頭漩渦場分布

從圖3中可以看出,無旋轉噴嘴鉆頭流場不僅呈現漩渦場分布區域大、漩渦能量強的特征,而且主要位于鉆頭刀翼之間的排屑槽內。井底環空的漩渦場大量占據了巖屑進入環空的有效過流通道,導致上返流體通道減小,且大幅消耗了流體上返能量,使得巖屑在井底漩渦場中往復運動,難以進入環空,從而加劇了井底排屑的難度。

2.2 旋轉噴嘴鉆頭漩渦流場特征

2.2.1 旋轉噴嘴數量影響

分析安裝旋轉噴嘴數量為0、2(噴嘴1與噴嘴6號旋轉,其他噴嘴固定不動)、4(噴嘴1、噴嘴6、噴嘴3、噴嘴4旋轉,其他噴嘴固定不動)3種情況下的鉆頭井底漩渦場特征,如圖4～6所示。為旋轉噴嘴數量的優化提供依據。

圖4 無旋轉噴嘴的鉆頭漩渦場分布

對比圖4和圖5可以看出,噴嘴1與噴嘴6旋轉時,旋轉噴嘴附近漩渦場區域所占面積明顯減小,漩渦場強度顯著降低。

對比圖4和圖6可以看出,噴嘴1、噴嘴6、噴嘴3、噴嘴4旋轉時,旋轉噴嘴附近漩渦場所占區域面積減小,漩渦場強度降低,并且由于噴嘴3、噴嘴4分別距離噴嘴2、噴嘴5較近,不僅噴嘴3、噴嘴4所在區域內的漩渦場能量顯著減弱,而且也分別對噴嘴2、噴嘴5所在區域內的漩渦場強度產生了顯著影響。

井底產生的漩渦也會沿環空向上發展,因此在上述分析的基礎上,對比分析無旋轉噴嘴與安裝4個旋轉噴嘴條件下,井底環空漩渦場的分布狀態,如圖7所示。

圖7 井底環空漩渦場對比

從圖7中可以看出,無旋轉噴嘴鉆頭的漩渦場所占區域面積大、強度高,而且沿著環空向上發展。安裝4個旋轉噴嘴后,井底環空漩渦場發生了顯著變化,漩渦場所占區域和強度明顯減小,而且在環空中的影響范圍也大幅縮小。因此,旋轉噴嘴較常規固定噴嘴能有效改善鉆井井底流場狀態,大幅降低漩渦場區域的面積和強度,抑制井底環空漩渦場的發展,而且旋轉噴嘴數量越多,改善效果越好,即更有利于提高井底巖屑的清洗和運移效率。

以漩渦區面積與井底面積的比值為指標,量化分析旋轉噴嘴影響井底漩渦抑制效果(如圖8所示)。從圖8中可以看出,不安裝旋轉噴嘴時,鉆頭井底漩渦區面積無變化。隨著旋轉噴嘴數量的增加,鉆頭井底漩渦區面積占比逐漸減小,即旋轉噴嘴能夠有效抑制鉆頭井底漩渦區的發展,對于改善鉆頭井底流場的效果越顯著。

圖8 旋轉噴嘴數量與鉆頭井底漩渦區面積占比關系曲線

2.2.2 旋轉噴嘴自轉速度影響

安裝4個旋轉噴嘴(噴嘴1、噴嘴6、噴嘴3、噴嘴4),鉆頭轉速100 r/min,分析旋轉噴嘴自轉速度為60 、75 、90 、150 、200 r/min時的鉆頭井底漩渦場狀態。

圖9是4個旋轉噴嘴在不同自轉速度條件下影響鉆頭井底漩渦場的狀態。圖10是旋轉噴嘴自轉速度影響鉆頭井底漩渦區面積占比的規律。

圖9 噴嘴自轉時的鉆頭井底漩渦場分布

圖10 旋轉噴嘴自轉速度與鉆頭井底漩渦區面積占比關系曲線

從圖10中可以看出,隨著旋轉噴嘴自轉速度的增加,鉆頭井底漩渦區面積占比呈現先減小后增加的趨勢。當旋轉噴嘴自轉速度是60～90 r/min時,鉆頭井底漩渦區面積占比逐漸減小,且漩渦強度也隨之減弱(如圖9中a、b、c圖所示),表明旋轉噴嘴自轉速度在此區間時,能夠有效抑制鉆頭井底漩渦的發展。當旋轉噴嘴自轉速度是90～200 r/min時,鉆頭井底漩渦場面積占比開始逐漸增加,同時漩渦場強度也增大,旋轉噴嘴抑制鉆頭井底漩渦場能力有所降低。因此,旋轉噴嘴自轉速度控制在80～120 r/min,有利于抑制鉆頭井底漩渦的發展,進而提高射流清洗攜巖的效果。

2.2.3 鉆頭轉速影響

根據分析旋轉噴嘴能夠有效抑制鉆頭井底漩渦場的發展,在此基礎上,安裝4個旋轉噴嘴(噴嘴1、噴嘴6、噴嘴3、噴嘴4),旋轉噴嘴自轉速度為80 r/min,研究鉆頭轉速(90 、120 、150 r/min)的影響規律。為現場實鉆工況條件下鉆井參數的優選提供依據。

圖11是不同鉆頭轉速條件下,旋轉噴嘴影響井底漩渦場的分布狀態,圖12是不同鉆頭轉速條件下,旋轉噴嘴影響井底漩渦場面積占比的規律。

從圖11中可以看出,隨著鉆頭轉速的增加,鉆頭井底漩渦區面積及強度的變化不明顯。

從圖12中可以看出,隨著鉆頭轉速的增加,漩渦區面積占比變化平緩,即鉆頭轉速對于旋轉噴嘴改善鉆頭井底漩渦場影響不明顯,因此鉆頭轉速值可根據其他實際工況優選。

3 結論

1) 根據現場實際工況條件,建立了鉆頭及旋轉噴嘴的三維模型。采用數值仿真方法分析了旋轉噴嘴影響鉆頭井底漩渦場的特征規律。

2) 與常規固定式噴嘴相比,旋轉噴嘴能夠有效抑制鉆頭井底漩渦場的發展。隨著旋轉噴嘴數量的增加,鉆頭井底漩渦區面積占比越小,漩渦強度顯著降低,改善效果好。

3) 隨著噴嘴自轉速度的增大,鉆頭井底漩渦區面積占比呈先減小后增大的趨勢,噴嘴最優轉速是90～120 r/min。

4) 隨著鉆頭轉速的增大,旋轉噴嘴抑制鉆頭井底漩渦程度變化不顯著,即鉆頭轉速影響較小。