PID 钻头旋转与静止状态下切削齿冲蚀磨损情况的对比分析

程建勋

(东北石油大学 机械科学与工程学院,黑龙江 大庆163318)

近几年,高压水射流能够辅助破岩与清理岩屑,提高钻井效率已被证实并广泛应用,现有的水射流破岩机理主要包括拉伸- 水楔破岩理论、密实核- 劈拉破岩理论、应力波破岩理论、断裂破碎理论、空蚀破岩理论等[1]。这些学说在各自特定情况下具有很好的适用性,但由于射流破岩过程复杂,各种学说之间还没有形成统一的认识[2]。粒子射流冲击破岩技术是解决深井、超深井坚硬岩层钻探难题的有效方法,具有广阔的应用前景[3]。

1 仿真流场数值模拟

本次仿真流场分析采用fluent 中的DPM 模型来进行仿真模拟计算,离散相模型(Discrete Phase Model,DPM 模型)适用于系统中颗粒体积分数占比小于10%的场合。此模型中,不考虑颗粒之间的相互碰撞作用,只考虑颗粒与流体之间的相互作用,采用拉格朗日方法计算颗粒的运动轨迹[4]。颗粒在流体运动中主要会受到曳力,其计算公式是：

其中：m——颗粒质量up——颗粒速度ρp——颗粒

dp——颗粒直径CD——曳力系数ρ——液相密度

u——液相速度Fd——曳力Re——雷诺数

2 仿真模拟冲蚀情况对比研究分析

流场分析时粒子运动会造成PID 钻头的冲蚀磨损,影响PID 钻头的工作效率以及稳定性[5]。图1 为PID 钻头静止状态下的四组刀翼冲蚀程度的表面分布情况。如图所示,分析可得各个刀翼受到的冲蚀影响的程度不同,其中3 号刀翼受和4 号刀翼位置的切削齿受冲蚀影响较大、1 号刀翼次之、2 号刀翼影响较轻。冲蚀磨损主要发生在切削齿的侧面,此处可能受冲蚀影响遭到破坏,造成切削齿脱落从而影响切削齿的工作性能,为减小冲蚀磨损的影响,可以合理改变冲击喷嘴的位置,减小此处的流体冲击速度。

图1 PID 钻头静止状态时的各个刀翼切削齿的冲蚀云图

图2 为PID 钻头旋转状态下的各个刀翼切削齿的冲蚀云图,对比图1 PID 钻头静止状态下的各个刀翼切削齿的冲蚀云图可以发现,在钻头旋转状态下,各个刀翼的冲蚀情况要小于静止状态下各个刀翼所受到的冲蚀影响,体现出了旋转流场在抗冲蚀方面的优越性。

图2 PID 钻头旋转状态时的各个刀翼切削齿的冲蚀云图

3 研究结论

通过fluent 软件仿真模拟,使用了DPM 离散相模型,完成了粒子冲击PID 钻头静止状态与旋转状态冲蚀磨损情况的对比仿真模拟实验,为粒子冲击钻井技术的改进提供参考。通过实验分析可以得到以下结论：

3.1 仿真模拟了切削齿在流场中受到冲蚀磨损的过程,通过旋转流场与静态流场的分析对比可以看出,旋转流场分析时钻头各个刀翼中切削齿所受到的冲蚀影响要小于静态流场中钻头各个刀翼切削齿所受到的冲蚀影响。其中3 号刀翼和4 号刀翼的切削齿受冲蚀影响较大,冲蚀磨损主要发生在切削齿的侧面,此处可能受冲蚀影响遭到破坏,造成切削齿脱落从而影响切削齿的工作性能,为减小冲蚀磨损的影响,可以合理改变冲击喷嘴的位置,减小此处的流体冲击速度。

3.2 注重钻头外部切削齿的保养,钻井液经过PID 粒子冲击钻头的各个切削齿表面上时应该具有一定的冲击速度,在保障各个切削齿上冲洗效率的同时避免热磨损现象的产生。还需要具有充足的水力,提高清洗岩屑的能力,减少钻头切削齿的磨损,避免泥包现象的产生。