PID 鉆頭旋轉(zhuǎn)與靜止?fàn)顟B(tài)下切削齒沖蝕磨損情況的對(duì)比分析

程建勛

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 大慶163318)

近幾年,高壓水射流能夠輔助破巖與清理巖屑,提高鉆井效率已被證實(shí)并廣泛應(yīng)用,現(xiàn)有的水射流破巖機(jī)理主要包括拉伸- 水楔破巖理論、密實(shí)核- 劈拉破巖理論、應(yīng)力波破巖理論、斷裂破碎理論、空蝕破巖理論等[1]。這些學(xué)說(shuō)在各自特定情況下具有很好的適用性,但由于射流破巖過程復(fù)雜,各種學(xué)說(shuō)之間還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[2]。粒子射流沖擊破巖技術(shù)是解決深井、超深井堅(jiān)硬巖層鉆探難題的有效方法,具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

1 仿真流場(chǎng)數(shù)值模擬

本次仿真流場(chǎng)分析采用fluent 中的DPM 模型來(lái)進(jìn)行仿真模擬計(jì)算,離散相模型(Discrete Phase Model,DPM 模型)適用于系統(tǒng)中顆粒體積分?jǐn)?shù)占比小于10%的場(chǎng)合。此模型中,不考慮顆粒之間的相互碰撞作用,只考慮顆粒與流體之間的相互作用,采用拉格朗日方法計(jì)算顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡[4]。顆粒在流體運(yùn)動(dòng)中主要會(huì)受到曳力,其計(jì)算公式是：

其中：m——顆粒質(zhì)量up——顆粒速度ρp——顆粒

dp——顆粒直徑CD——曳力系數(shù)ρ——液相密度

u——液相速度Fd——曳力Re——雷諾數(shù)

2 仿真模擬沖蝕情況對(duì)比研究分析

流場(chǎng)分析時(shí)粒子運(yùn)動(dòng)會(huì)造成PID 鉆頭的沖蝕磨損,影響PID 鉆頭的工作效率以及穩(wěn)定性[5]。圖1 為PID 鉆頭靜止?fàn)顟B(tài)下的四組刀翼沖蝕程度的表面分布情況。如圖所示,分析可得各個(gè)刀翼受到的沖蝕影響的程度不同,其中3 號(hào)刀翼受和4 號(hào)刀翼位置的切削齒受沖蝕影響較大、1 號(hào)刀翼次之、2 號(hào)刀翼影響較輕。沖蝕磨損主要發(fā)生在切削齒的側(cè)面,此處可能受沖蝕影響遭到破壞,造成切削齒脫落從而影響切削齒的工作性能,為減小沖蝕磨損的影響,可以合理改變沖擊噴嘴的位置,減小此處的流體沖擊速度。

圖1 PID 鉆頭靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的各個(gè)刀翼切削齒的沖蝕云圖

圖2 為PID 鉆頭旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的各個(gè)刀翼切削齒的沖蝕云圖,對(duì)比圖1 PID 鉆頭靜止?fàn)顟B(tài)下的各個(gè)刀翼切削齒的沖蝕云圖可以發(fā)現(xiàn),在鉆頭旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下,各個(gè)刀翼的沖蝕情況要小于靜止?fàn)顟B(tài)下各個(gè)刀翼所受到的沖蝕影響,體現(xiàn)出了旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)在抗沖蝕方面的優(yōu)越性。

圖2 PID 鉆頭旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)的各個(gè)刀翼切削齒的沖蝕云圖

3 研究結(jié)論

通過fluent 軟件仿真模擬,使用了DPM 離散相模型,完成了粒子沖擊PID 鉆頭靜止?fàn)顟B(tài)與旋轉(zhuǎn)狀態(tài)沖蝕磨損情況的對(duì)比仿真模擬實(shí)驗(yàn),為粒子沖擊鉆井技術(shù)的改進(jìn)提供參考。通過實(shí)驗(yàn)分析可以得到以下結(jié)論：

3.1 仿真模擬了切削齒在流場(chǎng)中受到?jīng)_蝕磨損的過程,通過旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)與靜態(tài)流場(chǎng)的分析對(duì)比可以看出,旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)分析時(shí)鉆頭各個(gè)刀翼中切削齒所受到的沖蝕影響要小于靜態(tài)流場(chǎng)中鉆頭各個(gè)刀翼切削齒所受到的沖蝕影響。其中3 號(hào)刀翼和4 號(hào)刀翼的切削齒受沖蝕影響較大,沖蝕磨損主要發(fā)生在切削齒的側(cè)面,此處可能受沖蝕影響遭到破壞,造成切削齒脫落從而影響切削齒的工作性能,為減小沖蝕磨損的影響,可以合理改變沖擊噴嘴的位置,減小此處的流體沖擊速度。

3.2 注重鉆頭外部切削齒的保養(yǎng),鉆井液經(jīng)過PID 粒子沖擊鉆頭的各個(gè)切削齒表面上時(shí)應(yīng)該具有一定的沖擊速度,在保障各個(gè)切削齒上沖洗效率的同時(shí)避免熱磨損現(xiàn)象的產(chǎn)生。還需要具有充足的水力,提高清洗巖屑的能力,減少鉆頭切削齒的磨損,避免泥包現(xiàn)象的產(chǎn)生。