石油鉆井擴孔器水力結構優化及流場仿真分析

魏學成

摘 要：針對YK311-381擴孔器在現場使用過程中出現切削刀翼泥包、擴孔速度慢等問題，利用Fluent軟件和先進的流體分析方法對擴孔器的鉆井液流量分配、流動速度及液流運動軌跡進行流場仿真分析，改進優化了擴孔器的內部流道結構，解決了刀翼部位清洗不足、易發生泥包等問題，提高了擴孔器的使用壽命和擴孔速度，現場應用取得了良好的效果。

關鍵詞：擴孔器;刀翼泥包;擴孔速度;流道結構;優化設計;流場仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.069

井下擴孔器是在裸眼井段中擴大井徑的必需工具，在井身結構設計、復雜地層處理、提高套管環空間隙等方面具有廣泛的使用價值。過現場應用驗證，該擴孔器已經成熟，總體性能達到了國內領先水平。

1 YK311-381擴孔器結構組成與工作原理

YK311-381擴孔器是一種三刀翼擴孔工具，適用于深井鹽膏層、硬地層擴孔作業。該工具主要由上接頭、本體、活塞總成、上限位機構、下限位機構、刀翼（3個）、銷軸、水眼等組成。其工作原理為：鉆井液進入擴孔器，推動活塞克服彈簧反作用力下行，驅動3個切削刀翼外張，進行擴孔作業。

2 YK311-381擴孔器內部水力結構優化

為了應對井下復雜情況，將每個擴孔刀翼本體進行了加厚，采用雙排同軌交錯布齒，兩排切削齒之間設計排屑槽，排屑槽內增加3條鉆井液沖洗孔道，另外，在每個刀翼側面增加了鉆井液沖洗流道，工作時可以及時沖洗切削齒，很好的排出巖屑，有效防止泥包，使刀翼始終保持良好的切削性能。

3 YK311-381擴孔器流場仿真分析

由于擴孔器內部流道不規則，用理論計算流量的分配情況比較復雜且難以實現，這里應用Fluent流體分析軟件對擴孔器不同水眼的流量分配進行分析，確定最優擴孔排量下的底部調整水眼尺寸和流量分配比例。

3.1 流體建模及網格劃分

擴孔器為三刀翼，且幾何上存在對稱關系，選取整個模型的1/3進行分析，流體截面由YK311-381擴孔器內部水力結構優化設計中的部分旋轉120°構成。對網格進行劃分時，兩個矩形流道采用六面體網格，其它部分采用四面體網格。

3.2 流體模型分析計算

流體性質設為清水，密度為1000kg/m3，粘度為0.001kg/m-s。正常工作時，擴孔器流量為50L/s，可得流體流速。

流速v計算：

Q-泵排量，L/s，這里取50L/s。

計算得v=49.14（m/s）。

雷諾數的計算：

運動粘度取80℃時水的粘度值0.367×10-6m2/s，計算得到雷諾數Re為4.82×106，確定流體流動處于紊流狀態，在Fluent計算過程中選擇湍流模型，標準模型的湍動能k和耗散率ε方程為：

該模型中所用到的邊界條件主要包括：流速入口邊界、自由出口邊界、對稱邊界、壁面邊界四種邊界條件。

運用Fluent流體分析軟件進行計算，得出擴孔器內部鉆井液流速分布云圖，可以看出，擴孔器入口、出口處的鉆井液流速較高，刀體上的流速相對較低，計算結果見表1。

從計算可以看出，擴孔作業時，采用最優排量50L/s，底部調節水眼直徑17mm時，擴孔器刀翼分配的鉆井液流量為41.56L/s，清洗刀翼的效果最好。

4 現場使用情況

該工具先后在AT18井、YM33-H4井、大古3井、AT20井等4口井成功進行了現場應用（見表2），擴孔過程中工具工作正常，施工完成后，起出擴孔器新度90%以上，刀翼及切削齒沒有損壞，擴孔速度有了顯著提高，說明該擴孔器經改進優化后，結構設計更加合理，擴孔速度更快，整體性能達到了國內領先水平。

5 結論與建議

（1）通過改進YK311-381擴孔器內部流道結構，進行流場仿真分析，優化了相關技術參數，工具性能得到了極大改善，擴孔速度得到了顯著提高，經過4口井成功現場應用，形成了一整套成熟的大井徑擴孔技術。

（2）建議對擴孔刀翼進行結構優化設計和動力學仿真研究，確定最優的冠部輪廓形狀和PDC切削傾角，進一步提高擴孔速度和時效。

參考文獻：

[1]胥志雄，仲文旭，盛勇.塔里木深井長裸眼擴眼技術[J].石油鉆采工藝，2002，24（04）：23-26.

[2]剪樹旭，文均紅，王向東等.國產擴孔器研究應用現狀及展望[J].石油鉆探技術，2003，31（06）：42-43.