谭春飞，姚　洋，李博文，王雨轩，李世豪

(中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249)



设计计算

钻头保径对底部稳定器流场影响的数值模拟

谭春飞，姚洋，李博文，王雨轩，李世豪

(中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249)

为了对涡轮钻具近钻头减压稳定器棱叶片进行合理设计，深入研究稳定器数值模拟的真实性和内部流体流动特性，运用计算流体力学软件NUMECA，基于S-A湍流模型及SIMPLE算法对设计的钻头保径段、近钻头减压稳定器和涡轮钻具稳定器导叶结构组合段内部的流场进行了三维数值模拟。主要研究钻头保径结构对流体流动的干扰，及对稳定器内流场流动的影响。模拟结果表明钻头保径结构对流体流动方向干扰很大，对稳定器入口段流场流动影响较大。为了降低不必要的水力损失，设计稳定器叶片需要考虑保径结构的影响。

钻头；稳定器；影响因素；CFD

为适应涡轮钻具工作转速高的特点，设计了一种新型的近钻头减压稳定器，改善该稳定器的叶片造形，使其具有轴流泵的工作特性[1-4]。在工作过程中，旋转的稳定器叶片对流体做正功，促使其加速上返，并产生抽吸压力，可以在一定程度上降低井底压力，提高机械钻速。由于其机械造型和工作原理与轴流泵相似，所以笔者借鉴轴流泵数值模拟的方法来研究涡轮钻具近钻头稳定器的内部流场特性[5-7]。除对稳定器本身结构参数的优化以外，对井下可能影响稳定器水力性能的因素也需进行合理估计和优化，以减少水力损失。与轴流泵叶片入口类似，当进入稳定器的流体流动方向与叶片入口结构角存在角度差时，流体会冲击叶片的吸力面，造成水力损失。当流体从钻头喷嘴喷出后，冲击井底形成漫流从环空上返时，会流经钻头保径之间的水道，进入近钻头稳定器。所以，钻头保径的形状会影响流体流动的方向，进而影响进入稳定器液流的角度。

如果采用模型试验的方法进行研究，周期较长、经费高，而且可获得的参数多为外特性，很难了解机械内部流场的流动状态。为了较精确、直观地描述从钻头保径结构到稳定器这段区域内流体的水力特性，可以采用CFD理论对求解区域进行数值模拟。本文利用CFD软件NUMECA对不同方案形状的钻头保径配合近钻头稳定器的流动区域进行数值模拟计算，对内部流场进行分析，优选方案或提出改进意见，为涡轮钻具近钻头减压稳定器的研究和应用提供参考。

1　计算区域模型建立

1.1几何模型和计算区域

以216 mm井眼为例进行计算，选取钻头直径为Db=216 mm，涡轮钻具的外壳体为Dt=160 mm，那么流体的流动区域为该环形通道。按流体流经顺序依次有钻头保径结构、近钻头减压稳定器、涡轮钻具外壳体稳定器，钻头保径结构和近钻头稳定器旋转速度相同，涡轮钻具外壳体稳定器静止，设计成类似轴流泵导叶的导流装置，三维模型如图1所示。

图1　计算几何模型的三维示意

保径结构设计为3种方案，方案一为无保径结构、方案二为直保径结构、方案三为斜保径结构。设定无保径结构方案主要目的在于与有保径结构方案进行对比，观察其影响程度。近钻头稳定器叶片设计使用三圆弧设计方法。数值计算区域包括：井底液流上返段、钻头保径流道区域、近钻头稳定器内部流动区域、导流稳定器内部流动区域和出口延伸段。

1.2模型的合理简化

由于计算流体力学研究是一个复杂的过程，在不影响模拟结果准确性的情况下，为了使计算过程更加简便快捷，允许在可接受的误差范围内对研究模型进行合理简化或抽象处理。钻头的刮刀和切削齿等结构复杂，离散化难度较大，而从本文所研究的主要问题来看，流体方向的改变主要是保径对流体作用产生的，钻头刮刀部分对液流产生的影响对于该问题影响不大，可以忽略。所以，在数值计算区域钻头保径水道段简化掉钻头刮刀部分，只保留保径结构。计算域内的机械部件在连接处会有内径的变化，做简化后流道内径全部保持一致。

2　数值模拟计算

2.1计算条件

基于商业软件NUMECA FINE和定常、不可压缩流动假设，采用N-S控制方程，利用有限体积法对控制方程进行离散，湍流模型选用Spalart-Allmaras模型。该模型于1994年由Spalart提出，是一种随时空演化的单方程涡粘系数模型。S-A湍流模型属于涡粘性模型，这类模型的前提是Boussiness假设，认为局部雷诺应力张量通过湍流运动粘性系数与平均速度梯度成正比[8]。

2.2边界条件

模拟计算区域的井底真实流动过程中，钻井液排量是已知条件，假设忽略井壁产生的滤失量认为井壁是固体壁面，根据连续性方程可知计算区域入口的进口速度，经过近钻头稳定器前后压力会发生变化，不能规定压力边界条件。所以，定义边界条件为入口速度和出口质量流量，可以较准确的符合实际情况。

3　计算结果与分析

3.1三种方案机械性能的比较

定义参数——做功水头，主要表征近钻头稳定器做功能力的大小，与轴流泵的参数——扬程相类似，轴流泵中扬程的定义为泵所抽送的单位质量液体从泵进口处(泵进口法兰)到泵出口处(泵出口法兰)能量的增值。也就是1 kg液体通过泵获得的有效能量，单位是m，即泵抽送液体的液柱高度。公式为：

H=Ed-Es

式中：Ed为泵出口处单位质量液体的能量，m；Es为泵入口处单位质量液体的能量，m。

式中：pd,ps为泵出口、入口处液体的静压力；vd,vs为泵出口、入口处液体的速度；zd,zs为泵出口、入口处到任意测量基准高度的距离。

因此

由公式可知，做功水头高度越大，说明近钻头稳定器做功能力越强，机械性能越好。考虑可能影响做功水头的参数，并提高稳定器的机械性能，选择了3种方案。通过模拟计算得到的3种方案转速n与做功水头高度H曲线如图2所示。

图2　做功水头高度随转速变化示意

由图2可以看出，整体来看3种方案做功水头高度都随转速增加而逐渐增大。因为近钻头稳定器转速越快，其做功也越多，流体获得的能量越大。方案一中的无保径结构不会对流体流动方向产生影响，流体在流入近钻头稳定器流道前不会受到阻碍，流经稳定器时并获得较高能量，与有保径的方案相比其等效做功水头高度最大。由此知，研究近钻头减压稳定器流场的过程中，研究前部钻头保径对流体影响有必要性，如果不考虑这种因素，结果会产生较大的偏差。

再比较有保径结构的2种方案可以看出，有斜保径结构的稳定器做功较多，做功水头高度明显优于有直保径结构的方案，而且在低钻速下表现出的机械性能较好，其做功水头高度大于方案一的做功水头高度。

这2种保径方案产生差别的原因可以通过保径流道出口的速度三角形来解释。流体流出保径结构到进入稳定器前的速度可以用下式表示。

c=w+u

式中：c为液体质点的绝对运动速度；w为相对运动速度；u为牵连运动速度。

由以上公式组成的速度三角形如图3所示。

图3　保径出口流体速度三角形示意

由速度三角形可以看出，从斜保径结构流出的流体C2比直保径结构流出的流体C1在竖直方向的偏角要小，使流体对稳定器入流处吸力面的冲击程度有一定削弱，减少能量消耗；同样，在没有保径结构的情况下，除了没有对保径绕流产生能量损失之外，流体进入稳定器入口时角度是竖直的(和ω1的方向相同)，所以产生的冲击效果更小。

3.2流态分析

根据涡轮钻具最佳工作转速范围，选定转速为500 r/min情况下不同保径方案的稳定器内流场的速度矢量分布如图4所示。

a　直保径结构

b　斜保径结构

从图4可以看出，流体经过直保径和斜保径后方向会有不同程度上地向牵连速度方向偏移，这样直接导致流体冲击稳定器吸力面，造成能量损失，由于方案三中流体流动方向更贴近稳定器入口结构角，产生的能量损失较小。方案三中整个环空中流体流动状态比较稳定，斜保径流道出口流动尾迹比较平稳，相对于方案二保径处的流动状态比较剧烈，容易产生能量损失。流体流出稳定器后进入导叶，入口液流角度和导叶入口角相近，冲击情况较小，导叶内流动主要贴附在压力面上，出口尾流明显，有漩涡，导叶尾部造型还需进行合理调整。通过以上论述，保径结构会对流体产生较明显的影响，考虑转速产生的牵连速度、保径偏转角和轴向流体速度，合理计算得到稳定器入口流体速度，配合设计的稳定器入口结构角，可以有效减少能量损失，提高机械性能[9-10]。

3.3静压力分析

选取转速为500 r/min时不同保径方案的近钻头稳定器的压力面，显示其所受静压力云图，进行对比后如图5所示。

a　直保径结构压力面

b　斜保径结构压力面

以上方案为钻柱俯视图，旋转方向为顺时针方向。由图5中可以看出，每种方案压力面上压力梯度在进水边缘和棱外边缘变化较大，在中间位置和棱内边缘变化较小。两种方案压力面在整个面上的压力梯度变化相似。由于稳定器叶片旋转，在瞬时从原位置移动到新位置产生的体积缺失会形成低压区，两种方案低压区范围很小，这是由于流体冲击叶片前端造成的。

再选取转速为500 r/min时不同保径方案的近钻头稳定器的吸力面，显示其所受静压力云图，进行对比后如图6所示。

a　直保径结构吸力面

b　斜保径结构吸力面

以上方案为钻柱仰视图，旋转方向为逆时针方向。由图6中可以看出，这两种方案中近钻头稳定器吸力面上的压力梯度变化差别较大，直保径结构的近钻头稳定器吸力面入口处受到较大压力，说明流体对此处冲击较大，并且高压面积较大，产生的水力损失较大，斜保径结构的近钻头稳定器吸力面入口端也有类似的高压区，但是范围和压力梯度变化都比直保径结构的要小，所以产生的水力损失较小。入口端的压力梯度变化较小，叶片中后部变化快，这与叶片几何设计造型有关，叶片在中后部坡度较陡。

由以上分析可以看出，钻头保径结构会影响流入近钻头稳定器液流的方向，导致液流冲击稳定器叶片产生不必要的能量损失。

4　结论

1)钻头保径结构对稳定器入口的流动状态有较大的影响。

2)流体在无冲击工况下进入稳定器，有利于降低水力损失。在稳定器棱叶型设计时需要考虑到入口角度等于或接近流体入流角度。

3)保径结构设计应该与稳定器入流结构角相匹配。

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Numerical Simulation Analysis of Influence of Bit Gauge Protection on Reduce Pressure Near Bit Stabilizer

TAN Chunfei，YAO Yang，LI Bowen，WANG Yuxuan，LI Shihao

(College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

In order to acquire reasonable designs of the near bit decompression stabilizer blade of the turbine drill，a numerical simulation of the flow field in the NUMECA based on the S-A turbulence model and SIMPLE algorithm is carried out.The simulation results show that the structure of the bit gauge protection has a great influence on the direction of the fluid，and the influence on the flow field in the inlet section of the stabilizer is large.In order to reduce the unnecessary hydraulic loss，the design of the stabilizer blades needs to consider the influence of the gauge protection structure.

bit；stabilizer；influence factor；CFD

1001-3482(2016)05-0024-05

2015-10-08

国家科技重大专项 “复杂结构井优化设计与控制关键技术”( 2011ZX05009-005)

谭春飞(1968-)，男，四川南江人，副研究员，博士，2012年毕业于中国地质大学(北京)地质工程专业，现从事油气井工程的教学与科研工作，E-mail：tanchunfei@163.com。

TE921.102

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.005