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PDC钻头适用于软到中硬地层,能够提高钻井速度和降低钻井成本,钻头水力结构和特性对PDC钻头的效果会产生很大的影响。定向射流喷嘴无需对钻头本身结构进行改动,通过喷嘴结构的改变来改善射流效果,使钻头容易泥包部位被高速流体覆盖,从而改善钻头的井底流场,达到抑制泥包生成和发展的目的。因此,开展PDC钻头定向喷嘴井底流场研究对合理设计喷嘴的结构、喷嘴数量和喷嘴分布方案,从而改善PDC钻头水力性能,提高PDC钻头的清除岩屑效果,同时减轻PDC钻头泥包现象,具有重要的理论和实际意义。 基于流体力学、机械设计和计算流体力学相关理论,在钻头冠部轮廓设计、切削结构设计和水力结构设计的基础上,利用CAD软件和Ansys软件建立了带有定向喷嘴的PDC钻头的物理模型与几何模型,并利用Gambit软件应用非结构网格对物理模型进行网格划分,对喷嘴出口射流冲击区和刀翼切削面的边界层等区域的网格进行加密,改进得到了利用较少的网格达到较好的计算精度的方法。 针对建立的定向喷嘴PDC钻头物理模型,确定了模型参数和计算参数条件,计算和分析了定向喷嘴的PDC钻头井底流场,得出以下主要结论: 1)在定向喷嘴的结构参数中,双流道的喷嘴直径组合与侧向流道的倾角是影响流量分配的主要因素。 2)定向喷嘴作用下井底流场特性研究表明,定向喷嘴侧向射流将回流限制在新冲击区的上方,减小了井底漩涡区域,与漫流层的叠加补偿了其能量损失,刀翼切削面处的低速区也变小,有利于井底清岩和抑制泥包的形成。 3)定向喷嘴布置的方式对PDC钻头的井底流场将有很大的影响。在漩涡区,喷射角大、距钻头中心远的喷嘴射流则对清洗和携带井壁附近的岩屑起主要作用,喷射角小、距钻头中心近的喷嘴射流则对清洗和携带井底中心的岩屑起主要作用;在刀翼上的附面层由于周围喷嘴的影响,刀翼切削面低速区明显减少,剪应力增大,更好地预防、清除PDC钻头的泥包。 在揭示PDC钻头泥包生成的微观机理的基础上,数值模拟研究了定向喷嘴数量、孔径、喷速等因素对PDC钻头齿清洗效果的影响。结果表明:5喷嘴的PDC钻头齿清洗能力较强;钻头齿清洗能力随喷嘴孔径增大而增强;喷射角小的喷嘴射流流场不利于流体向上举升岩屑。将定向喷嘴优化并配合常规水力结构设计可以在PDC钻头预防和清除泥包方面发挥自身的优势,最终达到提高机械钻速的目的。