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水平井PDC钻头水力学研究

作　者: 史吉辉
导　师: 周广陈
学　校: 中国石油大学
专　业: 油气井工程
关键词: 水平井 PDC钻头水力学井底流场 FLUENT 数值模拟
分类号: TE243
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

水平井钻井技术因其特有的优势成为当代石油工业的重要技术之一。水平井钻井与直井相比有其自身的特点——在水平井钻进中由于受重力的影响,岩屑在井下的运移情况直接影响钻井的效果;然而合理的井底流场能够改善井底的携岩效果,防止井下事故的发生,因此需要对水平井PDC钻头的井底流场情况进行研究,以改善水平井的钻进效果。本文应用Pro/E软件创建了PDC钻头的三维立体模型,同时利用GAMBIT软件对该模型进行网格划分,并在FLUENT软件中进行水平井井底水力学的研究。研究分析了PDC钻头在水平井钻进过程中钻头各流道旋转至最下方时受重力作用下的流场流动情况;分析了井底岩屑的运动轨迹;分别分析了各个喷嘴处的水力学情况;也对清除岩屑、清洗井底起作用的井眼底部横向流动的流场进行分析;对能够减弱、延缓岩屑床产生的排屑槽内的流场进行了分析。通过改变喷嘴入口压力、钻头保径宽度、喷嘴直径等影响因素,来研究井底流场的变化。通过研究发现井底岩屑在上返时通过排屑槽后,就开始有向井壁下方沉积的趋势;井底高速流动的纯钻井液受重力的影响很少;改变喷嘴入口压力、钻头保径宽度、喷嘴直径等影响因素对改变井底漫流层和排屑槽内的速度都有作用;钻井液射流喷射角度和离钻头中心的距离,对清洗井底和钻头表面、对岩屑沿井壁方向上返都有着影响作用。针对水平井PDC钻头的水力学特点,提出了两个改进方案,在保证井底流场对井眼底部的作用效果外,增加其某一排屑槽内流体的流动速度,就能够达到防止岩屑沉积、延缓岩屑床产生和清除岩屑床的目的。该研究成果对水平井PDC钻头的水力结构设计有着重要的借鉴和指导意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 研究意义  9-10
  1.2 PDC钻头的工作原理  10-11
  1.3 国内外研究现状  11-13
    1.3.1 我国的研究情况  11-13
    1.3.2 国外的研究情况  13
  1.4 研究的内容  13-15
第二章 PDC钻头水力学研究状况  15-23
  2.1 PDC钻头水力学研究方法概述  15
  2.2 喷嘴结构分析与位置确定  15-17
    2.2.1 喷嘴结构分析  15-16
    2.2.2 喷嘴位置确定  16-17
  2.3 井底流场水力学计算设计原则  17-22
    2.3.1 水平井五刀翼PDC钻头水功率  17-18
    2.3.2 水平井五刀翼PDC钻头压力降计算  18-19
    2.3.3 喷嘴井底水力参数计算  19-20
    2.3.4 水平井PDC钻头喷嘴的射流水力参数  20-21
    2.3.5 水平井水力学研究数值方程模型  21-22
  2.4 本章小结  22-23
第三章水平井PDC钻头模型的建立  23-32
  3.1 Pro/E软件简介  23-24
    3.1.1 Pro/E的常用功能  23-24
    3.1.2 Pro/E的使用特性  24
  3.2 三维物理模型的建立  24-30
    3.2.1 钻头体的画法  25-27
    3.2.2 五个刀翼的生成  27-29
    3.2.3 六个喷嘴的生成  29-30
    3.2.4 保存并进行单位设置  30
  3.3 本章小结  30-32
第四章水平井PDC钻头水力学研究模型的建立  32-55
  4.1 有关FLUENT软件的介绍  32-34
    4.1.1 FLUENT的组成  32
    4.1.2 FLUENT的工程背景及可应用的范围  32-33
    4.1.3 FLUENT的使用过程  33-34
    4.1.4 FLUENT求解器的说明和方法选择  34
    4.1.5 FLUENT边界条件的分类和设置方法  34
  4.2 FLUENT中创建求解模型  34-42
  4.3 用FLUENT对.msh网格文件进行模拟运算  42-54
    4.3.1 导入并处理网格  43-46
    4.3.2 FLUENT软件中应用模型的选择  46-49
    4.3.3 操作条件设置  49-50
    4.3.4 设置fluid流体区域物质和边界  50-52
    4.3.5 模拟运算方法的设置及控制  52-54
  4.4 本章小结  54-55
第五章水平井PDC钻头井底流场水力学模拟及研究  55-90
  5.1 井底速度场特性分析  55-74
    5.1.1 水平井井底PDC钻头的整体流场  55-57
    5.1.2 各个流道在最下方时受重力作用的流场分析  57-62
    5.1.3 对井底各个喷嘴周围的速度场分析  62-71
    5.1.4 PDC钻头井眼底部的流场  71-74
  5.2 井底压力场特性分析  74-75
  5.3 岩屑在井底的运动轨迹分析  75-77
  5.4 喷嘴入口流体压力对井底流场的影响  77-79
  5.5 钻头保径的宽度对井底流场的影响  79-80
  5.6 喷嘴直径对井底流场的影响  80-81
  5.7 对原五刀翼PDC钻头的改进方案  81-89
    5.7.1 调整喷嘴位置及角度  81-85
    5.7.2 在排屑槽1 处增加一个反向喷嘴  85-89
  5.8 本章小结  89-90
结论  90-92
参考文献  92-95
致谢  95

水平井PDC钻头水力学研究

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