强研磨性地层中PDC钻头井底热-流-固三场耦合研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.040

工程设计学报

2022, Vol. 29

Issue (4): 446-455 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.040

建模、仿真、分析与决策

强研磨性地层中PDC钻头井底热-流-固三场耦合研究

祝效华¹(

),李聪¹,刘伟吉¹(

),谭宾²,徐文²

^1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500
^2.中国石油天然气集团有限公司川庆钻探工程有限公司，四川广汉 618399

Study on bottom hole thermal-fluid-solid coupling of PDC bit in strong abrasive formation

Xiao-hua ZHU¹(

),Cong LI¹,Wei-ji LIU¹(

),Bin TAN²,Wen XU²

^1.School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China
^2.Chuanqing Drilling Engineering Co. , Ltd. , China National Petroleum Corporation, Guanghan 618399, China

全文: PDF(3547 KB) HTML

摘要：

PDC（polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头在强研磨性地层中破岩时，其钻齿在刮切破碎岩石的同时与岩屑、岩石剧烈摩擦，产生的局部高温加快了钻齿的磨损失效，这会极大地缩短整个钻头的使用寿命。因此，探究温度对PDC钻头磨损的影响并改进其水力结构对提升单个钻头的进尺深度和降低钻井经济成本有显著意义。为此，通过钻齿切削实验来验证其温度与磨损之间的关系，并在考虑井底钻井液流动状态及其与钻齿之间对流换热的基础上，建立了PDC钻头井底热?流?固三场耦合模型，分析了井底钻井液与PDC钻头之间的相互作用，同时针对原有的PDC钻头水力结构提出了优化措施。结果表明：1）在钻齿切削过程中温升现象十分明显，说明温度是影响PDC钻头磨损的重要因素；2）PDC钻头井底流场呈热?流?固耦合状态，且钻井液流动状态对其钻齿换热的影响大，这为钻头水力结构的优化提供了方向；3）通过调整喷嘴的流量及角度等水力结构，降低了钻齿的平均温度，可有效改善PDC钻头的磨损情况。研究结果对强研磨性地层中钻头的优化设计有重要指导意义。

关键词： 强研磨性地层; 钻头破岩; 温度; 磨损; 流场

Abstract:

When the PDC (polycrystalline diamond compact) bit breaks rock in the strong abrasive formation, its drill teeth rub violently with cuttings and rocks while scraping and breaking the rock, and the generated local high temperature accelerates the wear failure of drill teeth, which will greatly shorten the service life of the whole bit. Therefore, exploring the influence of temperature on PDC bit wear and improving its hydraulic structure is of great significance to enhance the footage depth of a single bit and reduce the drilling cost. To this end, the relationship between temperature and wear was verified through drill tooth cutting experiment, and the PDC bit bottom hole thermal-fluid-solid coupling model was established on the basis of considering the flow state of bottom hole drilling fluid and the convective heat transfer between the drilling fluid and the drill teeth, and then the interaction between the bottom hole drilling fluid and the PDC bit was analyzed. At the same time, optimization measures for the hydraulic structure of the original PDC bit were proposed. The results showed that: 1) the phenomenon of temperature rise was very obvious in the cutting process of drill teeth, which indicated that temperature was an important factor affecting the wear of PDC bit; 2) the bottom hole flow field of PDC bit was in the state of thermal-fluid-solid coupling, and the flow state of drilling fluid had a great influence on the heat transfer of its drill teeth, which provided a optimization direction for the hydraulic structure of the PDC bit; 3) by adjusting the hydraulic structure such as the flow and angle of the nozzle, the average temperature of drill teeth was reduced, and the wear of PDC bit could be effectively improved. The research results have important guiding significance for the optimal design of drill bits in strong abrasive formations.

Key words: strong abrasive formation rock breaking by bit temperature wear flow field

收稿日期: 2021-08-17 出版日期: 2022-09-05

CLC:

TE 9

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52004229);中国石油?西南石油大学创新联合体科技合作项目(2020CX040301)

通讯作者: 刘伟吉 E-mail: Zxhth113@163.com;lwj2017_swpu@163.com

作者简介: 祝效华（1978—），男，山东菏泽人，教授，博士，从事管柱力学与井下工具设计研究，E-mail：Zxhth113@163.com

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祝效华,李聪,刘伟吉,谭宾,徐文. 强研磨性地层中PDC钻头井底热-流-固三场耦合研究[J]. 工程设计学报, 2022, 29(4): 446-455.

Xiao-hua ZHU,Cong LI,Wei-ji LIU,Bin TAN,Wen XU. Study on bottom hole thermal-fluid-solid coupling of PDC bit in strong abrasive formation[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2022, 29(4): 446-455.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.040 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2022/V29/I4/446

图1 PDC钻头喷嘴射流区域示意

图2 钻齿切削实验装置

图3 切削过程中钻齿的磨损情况

图4 切削过程中钻齿的齿顶温度和磨损弦长

图5 PDC钻头井底热-流-固三场耦合模型建立过程

表1 PDC钻头井底热‒流‒固三场耦合模型网格无关性验证结果

表2 PDC钻头材料参数

图6 PDC钻头1号喷嘴截面速度分布云图

图7 PDC钻头井底压力云图及速度矢量图

图8 1号刀翼各钻齿表面的钻井液平均流速及其与钻井液之间传递的热量

图9 不同时刻的PDC钻头温度分布云图

图10 优化前后PDC钻头各喷嘴的流量对比

图11 优化前后PDC钻头表面的钻井液流速对比

表3 优化前后PDC钻头各钻齿的平均温度对比 (℃)

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