旋转流场下PDC 钻头的数值模拟仿真

王勇勇，张 帅，王文娟，吕澜涛

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

近年来PDC 钻头已广泛的应运于石油钻井中。因此研究PDC 钻头流场，对于优化钻头和钻井工艺有很大的帮助。谢翠丽等[1]，在自行开发设计的试验平台上，通过丝线法和高速摄影手段进行了PDC 钻头井下流场结构的可视化实验，并发现靠近钻头肩部的流道内存在强烈的涡旋。黄红梅等[2]利用计算流体动力学技术对PDC 钻头的三维湍流进行了数值模拟，并利用粒子成像测速技术对PDC 钻头4 个喷嘴的出口流场进行了测试，将实验测得喷嘴轴向速度与数值模拟所得结果进行了对比分析，两者吻合较好。Charles Douglas 等[3]对刚体PDC 钻头在旋转流场中进行了数值模拟仿真，给出了钻头部位流域的流线图，并对钻头造型进行了优化设计。将改进后的钻头应运到实际钻井后，缩短了钻井时间并节省了钻井成本。`

1 三维建模及初始条件的设定

1.1 三维建模

在Creo3.0 中建立的钻头模型如图1 所示，然后用workbench15.0 中的geometry 和mash 进行前处理。为了能更好的研究钻头的流场，笔者建立了2 种形式的钻头模型，4 个偏心喷嘴的钻头、有1 个中心喷嘴和4 个偏心喷嘴偏心的钻头。

图1 简化钻头模型

1.2 基本参数及计算方法

本文模拟使用简化的四刀翼PDC 钻头，钻头直径100mm，井眼直径略大于钻头直径，为104mm。入口压力为16MPa，围压为10MPa，钻头旋转速度12rad/s，求解算法为SIMPLE 算法，湍流模型选择标准的 模型，采用滑移网格技术求解瞬态流场。

2 仿真计算分析

2.1 井底回流

对比观察图2 中的（a）、（b），可知流体在井底会产生回流。井底回流表现为，高速流体从喷嘴射向井底，经井底反射之后射向井壁，再经过井壁反射之后沿着底部的流道返回到喷嘴附近，当与喷嘴射出的流体相撞之后，再次改变方向流向井底，这样不断循环。这种现象造成了井底流体的径向漫流和钻头表面附近流体的逆流。流线变化急剧的地方可能会形成涡旋，这部分流体的携岩能力非常的差，可能会造成井底岩屑的堆积，靠近钻头表面的流体可能会冲蚀钻头。通过观察5 个喷嘴的情况，发现这种情况被缓解，逆流形成的涡旋向外侧移动。

图2 钻头侧面速度矢量图

2.2 钻头底部中心产生涡旋

观察图3 中的（a）和图4 中的（a），可知在钻头的中心位置有涡旋产生，并对钻头中心造成冲击。造成这种现象的原因主要是，从喷嘴喷出的流体经过井底的反射，有一部分流体沿着钻头径向向钻头的中心流去。当这4 股流体相遇时会发生碰撞从而改变速度方向射向钻头的底部的中心。当流体到达钻头底部时会再次改变方向，沿着钻头的径向向外流动。当遇到从喷嘴喷射出的流体之后，再次改变方向流向井底，这样不断的循环。流体的黏性作用力会使这部分流体发生剪切变形，最后形成涡旋。对比观察图3 中的（a）、（b）可知在钻头中间布置一个喷嘴，可以缓解这种现象。

图3 钻头底部速度矢量图

3 总结

1）在井底的流道内产生逆流现象，并有涡旋产生。这是由于流体的高速运动和井底的特殊结构造成的。可以在钻头中心布置喷嘴缓解这种现象。

2）由于喷嘴在钻头上的正对分布，会使钻头底部中心受到流体巨大的冲击。可以在钻头中心布置喷嘴，以此缓解这种现象。