石油钻井扩孔器水力结构优化及流场仿真分析

魏学成

摘 要：针对YK311-381扩孔器在现场使用过程中出现切削刀翼泥包、扩孔速度慢等问题，利用Fluent软件和先进的流体分析方法对扩孔器的钻井液流量分配、流动速度及液流运动轨迹进行流场仿真分析，改进优化了扩孔器的内部流道结构，解决了刀翼部位清洗不足、易发生泥包等问题，提高了扩孔器的使用寿命和扩孔速度，现场应用取得了良好的效果。

关键词：扩孔器;刀翼泥包;扩孔速度;流道结构;优化设计;流场仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.069

井下扩孔器是在裸眼井段中扩大井径的必需工具，在井身结构设计、复杂地层处理、提高套管环空间隙等方面具有广泛的使用价值。过现场应用验证，该扩孔器已经成熟，总体性能达到了国内领先水平。

1 YK311-381扩孔器结构组成与工作原理

YK311-381扩孔器是一种三刀翼扩孔工具，适用于深井盐膏层、硬地层扩孔作业。该工具主要由上接头、本体、活塞总成、上限位机构、下限位机构、刀翼（3个）、销轴、水眼等组成。其工作原理为：钻井液进入扩孔器，推动活塞克服弹簧反作用力下行，驱动3个切削刀翼外张，进行扩孔作业。

2 YK311-381扩孔器内部水力结构优化

为了应对井下复杂情况，将每个扩孔刀翼本体进行了加厚，采用双排同轨交错布齿，两排切削齿之间设计排屑槽，排屑槽内增加3条钻井液冲洗孔道，另外，在每个刀翼侧面增加了钻井液冲洗流道，工作时可以及时冲洗切削齿，很好的排出岩屑，有效防止泥包，使刀翼始终保持良好的切削性能。

3 YK311-381扩孔器流场仿真分析

由于扩孔器内部流道不规则，用理论计算流量的分配情况比较复杂且难以实现，这里应用Fluent流体分析软件对扩孔器不同水眼的流量分配进行分析，确定最优扩孔排量下的底部调整水眼尺寸和流量分配比例。

3.1 流体建模及网格划分

扩孔器为三刀翼，且几何上存在对称关系，选取整个模型的1/3进行分析，流体截面由YK311-381扩孔器内部水力结构优化设计中的部分旋转120°构成。对网格进行划分时，两个矩形流道采用六面体网格，其它部分采用四面体网格。

3.2 流体模型分析计算

流体性质设为清水，密度为1000kg/m3，粘度为0.001kg/m-s。正常工作时，扩孔器流量为50L/s，可得流体流速。

流速v计算：

Q-泵排量，L/s，这里取50L/s。

计算得v=49.14（m/s）。

雷诺数的计算：

运动粘度取80℃时水的粘度值0.367×10-6m2/s，计算得到雷诺数Re为4.82×106，确定流体流动处于紊流状态，在Fluent计算过程中选择湍流模型，标准模型的湍动能k和耗散率ε方程为：

该模型中所用到的边界条件主要包括：流速入口边界、自由出口边界、对称边界、壁面边界四种边界条件。

运用Fluent流体分析软件进行计算，得出扩孔器内部钻井液流速分布云图，可以看出，扩孔器入口、出口处的钻井液流速较高，刀体上的流速相对较低，计算结果见表1。

从计算可以看出，扩孔作业时，采用最优排量50L/s，底部调节水眼直径17mm时，扩孔器刀翼分配的钻井液流量为41.56L/s，清洗刀翼的效果最好。

4 现场使用情况

该工具先后在AT18井、YM33-H4井、大古3井、AT20井等4口井成功進行了现场应用（见表2），扩孔过程中工具工作正常，施工完成后，起出扩孔器新度90%以上，刀翼及切削齿没有损坏，扩孔速度有了显著提高，说明该扩孔器经改进优化后，结构设计更加合理，扩孔速度更快，整体性能达到了国内领先水平。

5 结论与建议

（1）通过改进YK311-381扩孔器内部流道结构，进行流场仿真分析，优化了相关技术参数，工具性能得到了极大改善，扩孔速度得到了显著提高，经过4口井成功现场应用，形成了一整套成熟的大井径扩孔技术。

（2）建议对扩孔刀翼进行结构优化设计和动力学仿真研究，确定最优的冠部轮廓形状和PDC切削倾角，进一步提高扩孔速度和时效。

参考文献：

[1]胥志雄，仲文旭，盛勇.塔里木深井长裸眼扩眼技术[J].石油钻采工艺，2002，24（04）：23-26.

[2]剪树旭，文均红，王向东等.国产扩孔器研究应用现状及展望[J].石油钻探技术，2003，31（06）：42-43.