潜孔钻头结构参数与井底流场关系研究

从计算效率、计算精度和网格划分的难易出发， 本文对井底流场模型进行了分块网格划分，模型中 结构复杂不规则的部分采用非结构网格划分，对结 构规则的井眼环空部分则采用填充效率高的六面体 结构网格划分，并根据流动梯度的大小安排网格的 疏密程度。
三、结果分析与讨论
文献［７］表明井底流场的漫流横扫面积、漫流速 度和压力梯度是表征井底流场清岩能力的重要参 数。为了能清楚阐述井底流场的参数变化，下面的 讨论将在如图２所示距离井底１ ｍｍ高度的水平面 直径Ｌ。和距离钻头轴线３２ ｍｍ处的垂直截线Ｌ。 上分别取流体参数分布情况进行对比分析。
四、结 论
（１）喷嘴向钻头中心靠拢能扩大井底漫流层的 有效冲洗面积，减小井底中心的流体滞流区，使井底 流场的清岩能力得到增强，岩屑向钻头中心的聚集 程度得到减小。
（２）喷嘴向钻头中心靠拢有利于降低流场在井 壁处产生的压力值，一定程度上减小了流场对井壁 的冲蚀破坏程度。
（３）适当减小喷嘴直径有利于提高井底流场漫 流层的径向速度和压力梯度，能增强井底流场的清 岩能力。
达到一个极值，这个压力极值随着喷嘴直径的减小 而增大，但是增大的幅度比较小，不会增大流场对井
壁的破坏程度。在井底中心处（Ｌ，一０ ｍｍ），压力也
达到一个极值，这是由于漫流在此处汇集相互挤压 使得压力局部升高。
从图６中可看出，在钻头表面径向速度为零，离 开钻头表面后，径向速度开始反向增大并达到一个
峰值。这是由于喷嘴射流卷吸作用产生的漩涡引起
不大，但在相同流量条件下，喷嘴直径减小可以获得
更高的漫流速度，能增强流场在井底的冲洗能力。 达到最大漫流速度后，３种钻头漫流速度随着距离井
底高度的减小而减小，变化趋势基本一致，在到达井
底处漫流速度降为零。 当然喷嘴直径不可能无限制的减小，一方面，喷
嘴直径减小增加了对流体的阻力，在相同的排量下，
需要更大的泵功率；另一方面，喷嘴直径是控制和优 选水力参数极为敏感的关键因素，例如射流的等速
从图７可看出，在钻头表面处３种钻头径向速
度均为零，离开钻头表面后径向速度逐渐开始反向 增大并达到一个峰值，在相同流量下，由于喷嘴直径
相同，射流引起的卷吸作用相同，径向速度反向峰值 的大小也是相同的。随后流体速度开始正向增加，
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图７ 不同喷嘴倾角流场径向速度沿Ｌｚ分布图
现有的文献［１－５］对钻头井底流场的研究主要 集中于ＰＤＣ钻头和牙轮钻头，而且流体介质通常是 不可压流体。因此，有必要对空气介质条件下，潜孔
钻头的结构参数与井底流场关系进行研究，以便找 到潜孔钻头不同喷嘴结构参数对井底流场的影响机 理，为设计排屑能力强，对井壁冲蚀破坏小的新型物 探气动潜孔钻头提供理论依据。本文以现场应用的 ＱＦ一１Ｉ钻头为原型，应用流体力学分析软件Ｆｌｕｅｎｔ 对钻头喷嘴位置、喷嘴直径和喷嘴倾角对井底流场 的影响进行分析研究。
＊本文为中国石油天然气集团公司创新基金项目（编号：部４１５）的研究成果。
作者简介：单代伟，１９７９年生，博士研究生；从事石油机械设计和优化研究。地址：（６１０５００）四川省成都市新都区西南石
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油大学博２００５级。电话：（０２８）８３０３２０３７。Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈａｎｄａｉｗｅｉ＠ｔｏｍ．ｃｏｍ
万方数据
图１ 井底流场模型图
图２ 井底流场参数分布取法示意图
１．喷嘴位置对井底流场的影响分析 在其他结构参数不变的条件下，喷嘴与喷嘴之 间的距离由原型钻头的６７．２ ｍｍ分别改为６０ ｍｍ 和５０ ｍｍ，并称喷嘴问距离为６０ ｍｍ时的钻头为改 型钻头１，喷嘴间距离为５０ ｍｍ时的钻头为改型钻 头２，得到如图３所示的分析结果。从图３可看出， 射流冲击井底后，在井底形成４个扇形的漫流区域 各个区域内的流动互不侵犯，在井眼中心处，各股射 流形成的井底漫流相互碰撞，形成了流体滞流区。 以射流冲击中心到钻头中心为半径的圆形区域外， 流动方向指向井壁，这一部分漫流区能把井底岩屑 平移到环空处，称为有效井底漫流区。在圆形区域 以内，流动方向指向钻头中心，使圆形区域内的井底 岩屑向井眼中心聚集，导致钻头重复破岩，降低钻进 效率。随着喷嘴位置向钻头中心靠拢，井底射流冲 击点也向井底中心靠拢，有助于增大井底漫流区的 有效横扫面积，使井底更多的岩屑处于向外移运的 状态。同时喷嘴位置向中心聚集还减小了井底中心 处的流体滞流区的面积，降低了岩屑向井底中心的 聚集程度。
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体在井底流动所满足的控制方程［６３如下：
！监ａ生＋ｖ（疡）一 ｄｉ
ｄｉｖ（ｆ＇ｇ ｒａｄｐ）Ｓ
＋ｔ
式中：ｐ为输运变量【，、Ｖ、Ｗ、ｋ和￡；１１为输运系数；Ｓ 为源项，各项的具体表达式见文献［６］。方程中的相 关常数为：Ｃ。一０．０９、Ｃ１—１．４４、Ｃ２—１．９２、仃１—１、盯２
参考 文献
［１］ＣＲＯＵＳＥ Ｒ，ＣＨＩＡ Ｒ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＤＣ ｂｉｔ ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ ｂｙ ｆｌｕｉｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳＰＥ １４２２１，１９８５：１—１０．
［２］ＷＡＴＳＯＭ Ｇ Ｒ，ＢＡＲＴｏＮａ Ｎ Ａ．Ｕｓｉｎｇ ｎｅｗ ｃｏｍｐｕｔａ—
ｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ＰＤＣ ｂｉｔ ｐｅｒ—
并逐渐进入漫流层，３种不同倾角的钻头基本在距离 井底同一高度处，径向漫流速度达到最大值，而且倾 角越大，最大径向漫流速度也越大，达到最大漫流速 度后，漫流速度随着距离井底高度的减小而减小，在 到达井底处漫流速度降为零。以上分析说明，在相 同流量条件下喷嘴倾角越大可以获得越高的漫流速 度和越好的井底冲洗能力，但是倾角过大不利于喷 嘴安放位置向井眼中心靠拢，这会导致漫流有效冲 洗面积减小。因此，喷嘴的倾角要受到喷嘴安装位 置的限制。
—１．３。
以上方程组构成了求解潜孔钻头井底流场分布 规律的封闭方程组，根据实际工况施加相应的边界 条件后，构成该方程组的定解问题。
３．物理模型 根据井底为平面，井壁为规则圆柱面的假设，建 立潜孔钻头井底流场模型（见图１），并根据实际情况 施加如下边界条件。 （１）人口边界条件：计算风量为４ ｍ３／ｍｉｎ，入口 湍流参数设定为入口湍动能（五）和湍动耗散率（ｅ）。 （２）出口边界条件：设定压力出口边界，出口湍 流强度和出口水力直径。 （３）壁面边界条件：壁面采用无滑移条件，近壁 面处采用标准壁面函数法。
一、引 言
潜孔钻头是用于冲旋钻井的专用钻头，在冲旋 钻井过程中，潜孔钻头除了要随钻柱旋转外，还要受 到安装在钻头上端冲击器的冲击作用，从而实现冲 击旋转钻井。由于在野外作业常常难以找到可用的 水源，因此冲旋钻井主要采用空气作为循环介质，高 压空气先通过冲击器做功产生冲击力后，再流入潜 孔钻头，并经过钻头喷嘴后形成高速射流，对井底和 钻头表面进行清洗，排出岩屑，保证钻井工作的正常 进行。笔者在对四川和新疆油气田潜孔钻头应用情 况调研中发现，现场用的ＱＦ一Ⅱ型对称四喷嘴潜孑Ｌ 钻头存在排屑效率低、井壁冲蚀破坏严重、钻头表面 容易形成泥包等问题，特别是在钻进过程中由于井 壁被冲蚀破坏而导致井漏现象，大量气体从井壁处 漏失，不能达到排屑的作用，这时常常需要向井里加 入洗衣粉水和添加剂，通过与岩屑的｝昆合达到堵漏 的目的，这直接导致了钻井效率降低，钻井成本增 加，至于洗衣粉水和添加剂是否对冲击器工作性能 产生不良影响，还没有得到充分的研究。
流体反向流动，而且喷嘴直径越小射流卷吸作用越 强，漩涡的旋转速度越大，导致径向速度反向峰值也
就越大。随后，流体速度开始正向增加，逐渐进入正
向流动阶段，即流向井壁，并在某一高度达到最大正 向漫流速度。如图６所示，喷嘴直径越小，最大漫流
速度越大，而且最大漫流速度产生的高度有略微的 增加，这说明喷嘴直径的变化对漫流层的厚度影响
２．喷嘴直径对井底流场的影响分析 喷嘴间距为５０ ｍｍ时，分别取喷嘴直径为１１ ｍｍ、１２ ｍｍ、１３ ｍｍ进行井底流场分析，取流体参数 沿Ｌ，和Ｌ：分布曲线如图５和图６所示。
图５ 不同喷嘴直径流场压力沿Ｌ。分布图
图６ 不同喷嘴直径流场径向速度沿Ｌ。分布图
万方数据
从图５中可看出，不同喷嘴直径时，井底流场压
第２７关系研究＊
单代伟１ 黄志强１ 李琴１ 杨茂君２ 刘少彬２
（１．西南石油大学机电工程学院２．中国石油东方地球物理公司物资设备部）
单代伟等．潜孔钻头结构参数与井底流场关系研究．天然气工业，２００７，２７（２）：７３—７６． 摘 要 在勘探钻井过程中，ＱＦ一Ⅱ型潜孔钻头井底流场分布不合理，存在排屑能力差，对井壁冲蚀破坏严重 等缺点，制约了该潜孔钻头在现场的应用。为此，以Ｑ卜Ⅱ型潜孔钻头为原型，充分考虑了钻头排屑槽和切削齿对 井底流场的影响，建立了与实际相接近的潜孔钻头井底流场物理模型。在计算流体力学软件Ｆｌｕｅｎｔ中将ＣＡＤ模 型转换为相应的ＣＦＤ井底流场模型，运用肛ｅ两方程模型，对钻头喷嘴不同位置、不同直径、不同倾角时的井底流 场进行了数值模拟研究。这些结构参数直接影响井底流场分布及流体的排屑能力，在研究中把这些参数作为钻头 结构优化设计的重点，找到了钻头喷嘴不同结构参数条件下对井底流场的影响机理，为合理进行潜孔钻头的结构 设计及水力设计提供了依据和校验方法。 主题词 潜孔钻头 数值模拟 射流 流场 喷嘴 研究
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万方数据
图３ 原型钻头井底流场速度矢量图
从图４可以看出，３种钻头井底流场压力沿Ｌ。 的分布趋势是相似的，最大压力值都出现在射流冲 击点处。随着喷嘴位置逐步向钻头中心靠拢，最大 压力值也逐步向钻头中心移动，这有利于扩大向外
第２７卷第２期
天然气工业
图４钻头流场压力沿Ｌ，分布图 压力梯度的作用范围，使更多的井底岩屑处于向外 移运的状态。在井壁处（Ｌ一５０ ｍｍ），由于井壁的限 制，流体在这里发生挤压变向，由水平流动变为沿环 空向上流动，该处压力逐渐升高并达到一个峰值。 在图４中，原型钻头在井壁处的压力峰值最大，而改 型钻头随着喷嘴位置向钻头中心靠拢，在井壁处产 生的压力峰值逐渐减小，这说明喷嘴位置向钻头中 心靠拢，能减小流体在井壁处产生的压力值，降低流 体对井壁的破坏作用，一定程度上达到了保护井壁 的效果。