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化工理
新型自旋式侧钻钻头数值模拟分析
杨永印李佳程锋瑞（中国石油大学（华东)石油工程学院，东营，257061)
2013年第11期
摘要：鉴于超短车径径向水平并在范工的过程中，遇到设备具有钻扎转弯率径小，不利于资转的算端。所以在本论文中，针对发转射流的喷嘴结构参数对射流特性的影响，利用FLUENT软件，采用设转模型敏值模权喷嘴转流流场中心喷嘴采用cone一down實嘴，侧喷嘴采用维形喷嘴，在两种喷嘴的配合下，可以发现能有效地产生扩径，剪切破碑，漫流模推的作用，有效地降低了案石的破率强度
关键调：资转喷嘴，射流流场，资转角，喷距
中国作为一个发展中国家，现在国内各个油田都加快了对新油田的期探，对老油田的密并开发。对于一些大位移水平井，超短半径水平井，常规钻具需要给动力钻具提供很大扭矩，功率消耗大钻并速度慢，并不能有效的实施快速高效钻井。高压水射流技术能效解决这些问题，在现场试验表明，高压水射流在辅助和直接酸岩中起到了越来越重要的作用。旋转水射流是一种更高效快速的射流，能对岩石进行冲击、拉伸、水模、剪切、冲蚀等破岩方式进行破岩，可以使酸岩门限压力降低40%。通过大量旋转射流文献发现，在以往的旋转射流中主要对通过导向原件来
使射流形成旋转，并未对喷瞻旋转进行深人研究，至今并没有完整的理论体系。本文设计新型自旋式射流钻头，对其破岩效果进行探索。
一、国内外研究现状
水力破岩钻头是形成水平孔的关键构件。常规采用的水力破岩钻头主要有多喷嘴组合钻头和单喷嘴叶轮旋转射流钻头两种。多喷嘴组合钻头结构如图1所示，这种钻头的缺点是：喷嘴多，单个喷瞻口小，因而对泵的压力和排量要求高；射流冲击区域有限，破岩效率低，成孔小，工艺难度高。
钻头反向喷嘴出射射流也有利于将环空煤屑进一步粉碎后排出孔外。因面相对上述两种常规破岩钻头而言，自旋转自进式射流破岩钻头成孔直径大、成孔规则、酸岩效率高，且对泵压要求低，
设计新型射流钻头，其基本原理是：水射流侧向推力造成喷嘴的自动旋转，即将若干组喷嘴置于能转输上，动力由水射流的反冲力提供，喷头具有旋转的能力，而射流反冲力同水射流压力、流量有关、偏心距与射流角度。旋转水射流反冲力计算关系式为：
F = 44.77x CQVp
旋转水射流的水利扭矩的计算关系式为：
M = FRsina
式中F一旋转水射流的反冲力,N；
(12)(13)
C一旋转水射流喷嘴的流量系数，无因次； Q流量,L/S；
P水射流压力，MPa；
M-能转水射流的水力扭矩,N·m： R一射流偏离旋转轴线的偏心，m； α一射流与旋转轴线的夹角，度。
二、数值模拟
网格划分时需要设定以下两个参数：元素(elements)和类型(type)。Elements参数用于定义(应用于该体的)体网格元素的形状；Type参数定义网格划分算法，因此也决定了体中所有网格元素的模式，以下为主要模拟结果截图。
图5
侧平面速度分布图
图6距离0.015m时的平面压力分布图三、结果分析
通过模拟可知，旋转射流，可以扩大射流面积，增大切向速度；合理的选择喷射距离，可有效的破碎岩石；外旋射流返回时，携带着岩屑经孔底旋流沿井壁返回，本文针对超短半径径向水平井技术钻孔转弯半径小，难以旋转的限制，设计了旋转喷嘴，并进行了仿真模拟来完成参数的优化。通过本课题的研究，总结了如下的规律：
(1）旋转角对于旋转射流流场的速度、压力分布的特点影响是非常大的：旋转角取值过小的话反冲力比较小导致旋转效不不明显；旋转角取值过大的话，射流就会过早地撞击并壁。
(2)扩散角对于配合流场中心部位低压区的生成有至关重要的作用，从结果来看，在能生成低压区的情况下，扩散角越小越好。参考文献
[I]流患厚.水射流理论与技术[M]东营：石油大学出版社， 1998 : 390400
[2Jack Kolle, et al. Hydropulses Increases Drilling Penetration Rates. Oil & Gas Joumal, March 29,1999
[3]王瑞和,转水射流破若钻孔技术研究[D].石油大学博士论文，1995
[4]王瑞和，周卫东等.旋转射流破卷钻孔机理研究[]]中国安全科学学报，1999,9：1-4
作者简介：杨永印（1962-)，男，党员、博士、教授、硕士生导师。现任水射流专业委员会秘书长。主要从事油气井流体力学与工程、高压水射流理论技术及工程应用等研究。
通讯作者：李佳，男，中国石油大学(华东)硕士研究生