PDC钻头井底流场研究

论文摘要

井底流场是钻头水力问题的直接表现场所,通过对钻头井底流场中流动现象的认识分析,可发现钻头水力问题的所在,更合理地改进喷嘴组配,设计排屑槽道。由于PDC钻头井底流场是结构非常复杂的三维非自由多股射流湍流流场,用理论和实验手段很难得到井底射流的流动特性。本文利用ANSYS软件建立了PDC钻头的三维几何模型并导入GAMBIT进行网格划分,最后在FLUENT软件中设置速度入口及自由出口的边界条件进行分析,得出了喷嘴最大流速为232m/s时的流场图及井底的流场图。分析结果表明:喷射角大、距钻头中心远的喷嘴射流与井壁之间的漩涡区小,有利于携带和清除井壁附近的岩屑;喷射角小、距钻头中心近的喷嘴射流与钻头轴线之间的漩涡区小,有利于清除井底中心的岩屑。将各个喷嘴设计成具有不同射流速度的喷嘴更有利于清除和携带岩屑,且距钻头中心近的喷嘴应具有最高的射流速度,而在该喷嘴两侧的两个喷嘴应具有较高的射流速度,与该喷嘴相隔的两个喷嘴应具有较低的射流速度。研究成果对指导PDC钻头的水力结构优化设计、提高PDC钻头的性能具有重要的工程实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 PDC钻头工作原理
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 国外研究现状
• 第二章 PDC钻头水力学特性
• 2.1 PDC钻头水力学研究方法概述
• 2.2 喷嘴结构分析与位置确定
• 2.2.1 喷嘴水力特性
• 2.2.2 喷嘴的选用原则
• 2.2.3 喷嘴组合原则
• 2.2.4 喷嘴布置方式
• 2.2.5 喷嘴型号与规格
• 第三章 PDC钻头井底流场物理模型的建立
• 3.1 ANSYS简介
• 3.1.1 ANSYS发展过程
• 3.1.2 ANSYS使用环境
• 3.1.3 ANSYS软件的功能
• 3.2 物理模型的建立
• 3.2.1 设置解题类型
• 3.2.2 添加单元类型
• 3.2.3 添加材料属性
• 3.2.4 建模
• 第四章 PDC钻头井底流场计算模型的建立
• 4.1 FLUENT软件简介
• 4.1.1 程序的结构
• 4.1.2 FLUENT程序可以求解的问题
• 4.1.3 用FLUENT程序求解问题的步骤
• 4.1.4 关于FLUENT求解器的说明
• 4.1.5 FLUENT 求解方法的选择
• 4.2 计算模型的建立
• 4.3 计算模型的求解设置
• 4.3.1 与网格相关的操作
• 4.3.2 建立求解模型
• 4.3.3 设置边界条件
• 4.3.4 求解
• 第五章 PDC钻头井底流场计算结果及分析
• 5.1 井底速度场特性分析
• 5.1.1 钻头整体空间的流场
• 5.1.2 五个喷嘴处的流场
• 5.1.3 井底空间的流场
• 5.2 井底压力场特性分析
• 5.2.1 井底压力场特性
• 5.2.2 各喷嘴井底压力场的影响
• 5.3 切削刃处的流场分析
• 结论
• 参考文献
• 致谢