新型PDC钻头井底流场数值模拟与优化

Numerical Simulation and Optimization of Bottomhole Flow Field in a New PDC Bit

唐昌昊 王伟章 李文飞 芦洁 赵国翔 刘晟玮

TANG Changhao WANG Weizhang LI Wenfei LU Jie ZHAO Guoxiang LIU Shengwei

为了提高在某些硬岩和研磨性地层钻进效率，减少井底岩屑堆积，基于传统PDC（ 聚晶金刚石复合片）钻头进行了结构调整，无中心喷嘴，设置三个轴向夹角为20°的斜喷嘴孔， 改变六刀翼分布。利用数值模拟分析方法，采用SST k-ω模型，对PDC钻头射流流场特性进行研究，分别对井底、喷嘴、刀翼表面射流流速和压力梯度进行了数值分析。在此基础上，对其水利参数再次优化，并对不同参数的PDC 钻头井底流场进行分析对比。 结果表明，钻头喷嘴直径越小，直射点速度越大，越利于破岩，但水力能量过于集中，高速漫流无法充分覆盖井底，不利于清洗岩屑；轴向夹角度数在20°～30°时，钻头喷嘴轴向夹角度数变大，直射点速度变化不大，但钻头肩部涡旋减少，上返区域速度提高，有利于岩屑快速排出井底，刀翼表面不易产生泥包；当钻头喷嘴直径在24 ~ 28 mm，喷嘴轴向夹角度数在25° ~ 30°时，该PDC钻头水力情况最佳。