PDC钻头旋转喷嘴流场特征仿真研究

2023-10-12李文飞杨焕龙

石油矿场机械 2023年5期

李文飞 , 杨焕龙 , 刘松

((1.山东石油化工学院, 山东东营 257000; 2.胜利石油工程公司海洋钻井公司, 山东东营 257000)

喷嘴(水眼)是PDC钻头的重要组成部分之一,承担清洗、冷却、辅助破岩等作用。现有喷嘴均是固定安装在钻头上,随着钻头的转动而转动,不能自主旋转,因此其射流方向是固定不变的,射流的冲击清洗区也是固定的。减小喷嘴流道直径,有助于提高喷嘴射流速度,增强射流辅助破岩效果,但冲击清洗区域较小;增加喷嘴流道直径,有助于增大冲击清洗区,但喷嘴压降较低,不利于射流辅助破岩。采用组合喷嘴的方式有助于改善钻头井底流场,但影响钻头刀翼和布齿的优化设计。贺培[1]等采用数值模拟方法研究了组合喷嘴倾角对于钻头井底流场状态的影响规律,分析了喷嘴的最优倾角范围,但由于喷嘴固定,射流倾角也是固定的,钻头中心区流场及钻头外围漩涡区的改善效果有限。国内外学者开展了固定式旋转射流喷嘴的研究[2-9],主要采用在固定式喷嘴内部安装导流叶轮的方法产生旋转射流。虽然对具有固定式旋转射流喷嘴的PDC钻头做了大量的研究工作,由于所研究的喷嘴是固定的,且流道中心轴线与喷嘴中心轴线重合,即射流方向不变,因此该喷嘴在预防泥包、改善井底流场、减少流场漩涡等方面的作用有限。本文建立了具有旋转喷嘴的PDC钻头的仿真模型,分析旋转喷嘴数量、喷嘴自转速度、钻头转速对PDC钻头井底漩涡场的影响规律。

1 旋转喷嘴原理

为了改善PDC钻头的井底旋涡场,提高钻井效率,研制了1种新型旋转喷嘴。该喷嘴能够在钻井液的驱动下绕自身中心轴旋转,且流道中心轴与喷嘴中心轴不重合(如图1所示),即,射流方向与喷嘴中心轴方向不重合,随着喷嘴的连续快速旋转,射流方向不是固定的,而是形成绕喷嘴中心轴的圆周扫射。因此,相同条件下,旋转喷嘴较常规固定喷嘴具有射流清洗区域更广、井底同一位置所受射流能量更强、井底流场改善效果更显著等特点。

图1 旋转喷嘴射流方向

2 PDC钻头漩涡场影响因素仿真分析

PDC钻头的井底旋涡直接影响岩屑运移效率、钻头泥包等。PDC钻头的水力结构优化设计关键是减小漩涡场区域面积及强度,减少射流因漩涡造成的能量损耗。采用数值仿真的方法建立PDC钻头与旋转喷嘴的三维模型,分析旋转喷嘴数量、旋转喷嘴自转速度、钻头转速等参数影响PDC钻头漩涡场的规律,为PDC钻头结构及喷嘴的优化设计提供依据。选取现场使用的ø215.9 mm六刀翼PDC钻头,并对钻头上6个喷嘴进行编号,如图2a所示。假设钻井液密度1.2 g/cm3,排量30 L/s,钻头公转速度100 r/min,不考虑温度变化。建立具有旋转喷嘴的PDC钻头模型,如图2b所示。

图2 具有旋转喷嘴的PDC钻头模型

2.1 无旋转喷嘴钻头的漩涡流场特征

钻头漩涡场不仅消耗大量的喷嘴流体能量,而且造成岩屑在漩涡场中往复运动,难以快速进入环空返流。钻头漩涡场区域越大,越不利于井底岩屑的清理及运移,导致钻头泥包、岩屑重复研磨等情况的发生。为便于对比分析,首先分析6个喷嘴均不旋转时的钻头漩涡场特征,如图3所示。

图3 无旋转喷嘴的钻头漩涡场分布

从图3中可以看出,无旋转喷嘴钻头流场不仅呈现漩涡场分布区域大、漩涡能量强的特征,而且主要位于钻头刀翼之间的排屑槽内。井底环空的漩涡场大量占据了岩屑进入环空的有效过流通道,导致上返流体通道减小,且大幅消耗了流体上返能量,使得岩屑在井底漩涡场中往复运动,难以进入环空,从而加剧了井底排屑的难度。

2.2 旋转喷嘴钻头漩涡流场特征

2.2.1 旋转喷嘴数量影响

分析安装旋转喷嘴数量为0、2(喷嘴1与喷嘴6号旋转,其他喷嘴固定不动)、4(喷嘴1、喷嘴6、喷嘴3、喷嘴4旋转,其他喷嘴固定不动)3种情况下的钻头井底漩涡场特征,如图4～6所示。为旋转喷嘴数量的优化提供依据。

图4 无旋转喷嘴的钻头漩涡场分布

对比图4和图5可以看出,喷嘴1与喷嘴6旋转时,旋转喷嘴附近漩涡场区域所占面积明显减小,漩涡场强度显著降低。

对比图4和图6可以看出,喷嘴1、喷嘴6、喷嘴3、喷嘴4旋转时,旋转喷嘴附近漩涡场所占区域面积减小,漩涡场强度降低,并且由于喷嘴3、喷嘴4分别距离喷嘴2、喷嘴5较近,不仅喷嘴3、喷嘴4所在区域内的漩涡场能量显著减弱,而且也分别对喷嘴2、喷嘴5所在区域内的漩涡场强度产生了显著影响。

井底产生的漩涡也会沿环空向上发展,因此在上述分析的基础上,对比分析无旋转喷嘴与安装4个旋转喷嘴条件下,井底环空漩涡场的分布状态,如图7所示。

图7 井底环空漩涡场对比

从图7中可以看出,无旋转喷嘴钻头的漩涡场所占区域面积大、强度高,而且沿着环空向上发展。安装4个旋转喷嘴后,井底环空漩涡场发生了显著变化,漩涡场所占区域和强度明显减小,而且在环空中的影响范围也大幅缩小。因此,旋转喷嘴较常规固定喷嘴能有效改善钻井井底流场状态,大幅降低漩涡场区域的面积和强度,抑制井底环空漩涡场的发展,而且旋转喷嘴数量越多,改善效果越好,即更有利于提高井底岩屑的清洗和运移效率。

以漩涡区面积与井底面积的比值为指标,量化分析旋转喷嘴影响井底漩涡抑制效果(如图8所示)。从图8中可以看出,不安装旋转喷嘴时,钻头井底漩涡区面积无变化。随着旋转喷嘴数量的增加,钻头井底漩涡区面积占比逐渐减小,即旋转喷嘴能够有效抑制钻头井底漩涡区的发展,对于改善钻头井底流场的效果越显著。

图8 旋转喷嘴数量与钻头井底漩涡区面积占比关系曲线

2.2.2 旋转喷嘴自转速度影响

安装4个旋转喷嘴(喷嘴1、喷嘴6、喷嘴3、喷嘴4),钻头转速100 r/min,分析旋转喷嘴自转速度为60 、75 、90 、150 、200 r/min时的钻头井底漩涡场状态。

图9是4个旋转喷嘴在不同自转速度条件下影响钻头井底漩涡场的状态。图10是旋转喷嘴自转速度影响钻头井底漩涡区面积占比的规律。

图9 喷嘴自转时的钻头井底漩涡场分布

图10 旋转喷嘴自转速度与钻头井底漩涡区面积占比关系曲线

从图10中可以看出,随着旋转喷嘴自转速度的增加,钻头井底漩涡区面积占比呈现先减小后增加的趋势。当旋转喷嘴自转速度是60～90 r/min时,钻头井底漩涡区面积占比逐渐减小,且漩涡强度也随之减弱(如图9中a、b、c图所示),表明旋转喷嘴自转速度在此区间时,能够有效抑制钻头井底漩涡的发展。当旋转喷嘴自转速度是90～200 r/min时,钻头井底漩涡场面积占比开始逐渐增加,同时漩涡场强度也增大,旋转喷嘴抑制钻头井底漩涡场能力有所降低。因此,旋转喷嘴自转速度控制在80～120 r/min,有利于抑制钻头井底漩涡的发展,进而提高射流清洗携岩的效果。

2.2.3 钻头转速影响

根据分析旋转喷嘴能够有效抑制钻头井底漩涡场的发展,在此基础上,安装4个旋转喷嘴(喷嘴1、喷嘴6、喷嘴3、喷嘴4),旋转喷嘴自转速度为80 r/min,研究钻头转速(90 、120 、150 r/min)的影响规律。为现场实钻工况条件下钻井参数的优选提供依据。

图11是不同钻头转速条件下,旋转喷嘴影响井底漩涡场的分布状态,图12是不同钻头转速条件下,旋转喷嘴影响井底漩涡场面积占比的规律。

从图11中可以看出,随着钻头转速的增加,钻头井底漩涡区面积及强度的变化不明显。

从图12中可以看出,随着钻头转速的增加,漩涡区面积占比变化平缓,即钻头转速对于旋转喷嘴改善钻头井底漩涡场影响不明显,因此钻头转速值可根据其他实际工况优选。