脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法及射流发生器
技术领域
本发明涉及石油天然气钻探设备技术领域,特别涉及一种脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法。本发明还涉及基于该脉冲钻井用射流发生器振荡腔体方法的一种射流发生器。
背景技术
脉冲射流钻井是利用特定的工具,将钻井管柱内的连续流转变为脉冲射流,一方面获得较动力源高得多的瞬时射流冲击力,使井底获得更高的破岩能量进而有利于提高机械钻速;另一方面增加井底射流压力不均匀性,产生的脉动性负压力场降低岩屑压持效应,获得更高效的净化效果。因此,脉冲射流钻井这种能提高钻进效率的工艺在石油地质勘探及煤矿业的开发中发挥了巨大作用。
脉冲发生器是脉冲射流钻井设备中一个极其重要的部分,而脉冲发生器的核心是脉冲振荡腔体的结构设计,振荡腔体结构的优劣严重影响到脉冲射流冲击力幅值、频率及压降等性能,进而影响破岩、清岩效果。
因此,如何提高射流发生器的脉冲射流冲击效果和井底净化能力,成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法,以得到脉冲射流冲击效果和井底净化能力更好的射流发生器。
本发明的另一个目的在于提供一种基于该脉冲钻井用射流发生器振荡腔体方法而设计的射流发生器,以提高脉冲射流冲击效果和井底净化能力。
为达到上述目的,本发明提供以下技术方案:
一种脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法,建立由钻头内环空和射流发生器振荡腔体内环空所构成的有限元模型,对所述有限元模型进行流体力学数值模拟计算,获得分别改变所述有限元模型中的不同参数的参数值时所述有限元模型的流体变化规律,根据流体变化规律选择各参数的最佳参数值。
优选地,在上述的脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法中,所述参数包括振荡腔体出入口直径比、振荡腔体收缩锥角角度和振荡腔体长径比。
优选地,在上述的脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法中,所述流体变化规律包括射流速度分布规律、射流压力分布规律、脉冲压力幅值规律、脉冲频率规律、上返速度分布规律、上返压力分布规律和整体压力大小规律。
优选地,在上述的脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法中,所述建立由钻头内环空和射流发生器振荡腔体内环空构成的有限元模型的方法具体为:
根据钻具和钻头尺寸,建立由钻头内环空和射流发生器振荡腔体内环空所构成的三维几何模型;
定义所述三维几何模型各计算域的物性参数;
对所述三维几何模型进行网格划分,获得有限元网格模型;
根据所述物性参数分别建立入口流速、出口压力、湍流强度和水力直径的边界条件。
优选地,在上述的脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法中,所述对所述有限元模型进行流体力学数值模拟计算,获得分别改变所述有限元模型中的不同参数的参数值时所述有限元模型的流体变化规律的方法具体为:
采用非稳态LES湍流模型和正交分析法,对所述有限元模型中的振荡腔体出入口直径比、振荡腔体收缩锥角角度和振荡腔体长径比参数建立有限元分析计算单元,所述有限元分析计算单元包括:
第一分析计算单元,用于在所述振荡腔体长径比的参数值范围内,固定所述振荡腔体出入口直径比和所述振荡腔体收缩锥角角度的参数值,获得流体变化规律;
第二分析计算单元,用于在所述振荡腔体出入口直径比的参数值范围内,固定所述振荡腔体长径比和所述振荡腔体收缩锥角角度的参数值,获得流体变化规律;
第三分析计算单元,用于在所述振荡腔体收缩锥角的参数值范围内,固定所述振荡腔体长径比和所述振荡腔体出入口直径比的参数值,获得流体变化规律。
优选地,在上述的脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法中,所述振荡腔体长径比的参数值范围为0.6~1.5。
优选地,在上述的脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法中,所述振荡腔体出入口直径比的参数值范围为1.1~1.4。
优选地,在上述的脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法中,所述振荡腔体收缩锥角角度的参数值范围为100°~150°。
本发明还提供了一种射流发生器,具有振荡腔体,所述振荡腔体采用如以上任一项所述的脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法设计得到,所述振荡腔体的外径为35mm~40mm,振荡腔体长径比为1.1~1.2,振荡腔体出入口直径比为1.15~1.25,振荡腔体收缩锥角角度为110°~120°。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明提供的脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法,建立由钻头内环空和射流发生器振荡腔体内环空所构成的有限元模型,对有限元模型进行流体力学数值模拟计算,获得分别改变有限元模型中的不同参数的参数值时有限元模型的流体变化规律,根据流体变化规律选择各参数的最佳参数值。由于建立了有限元模型,根据每个参数的不同参数值对有限元模型进行流体力学数值模拟计算,得到该参数下不同参数值所对应的流体变化规律,每个参数对应的流体变化规律不同,综合各个参数的流体变化规律,选择能够提高脉冲射流效果的各参数的最佳参数值。因此,该方法简易和精准,通过该方法设计的射流发生器具有更高效的脉冲射流冲击效果和井底净化能力。
本发明提供的射流发生器基于该设计方法进行设计,得到的射流发生器具有更高效的脉冲射流冲击效果和井底净化能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种射流发生器的工作示意图;
图2为本发明实施例提供的一种脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法的流程示意图;
图3为本发明实施例提供的一种脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法中的有限元模型的建立流程示意图;
图4为本发明实施例提供的一种脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法在不同振荡腔体长径比条件下的脉冲速度变化规律;
图5为本发明实施例提供的一种脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法在不同振荡腔体出入口直径比条件下的脉冲速度变化规律;
图6为本发明实施例提供的一种脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法在不同振荡腔体收缩锥角角度条件下的脉冲速度变化规律。
具体实施方式
本发明的核心是提供了一种脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法,能够得到脉冲射流冲击效果和井底净化能力更好的射流发生器。
本发明还提供了一种基于该脉冲钻井用射流发生器振荡腔体方法而设计的射流发生器,提高了脉冲射流冲击效果和井底净化能力。
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参考图1-图6,本发明实施例提供了一种脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法,该方法包括以下步骤:
步骤S100,建立由钻头内环空和射流发生器振荡腔体内环空所构成的有限元模型。
步骤S200,对有限元模型进行流体力学数值模拟计算,获得分别改变有限元模型中的不同参数的参数值时有限元模型的流体变化规律;其中各参数均对脉冲射流效果产生影响。
步骤S300,根据流体变化规律选择各参数的最佳参数值。
由于建立了有限元模型,根据每个参数的不同参数值对有限元模型进行流体力学数值模拟计算,得到该参数下不同参数值所对应的流体变化规律,每个参数对应的流体变化规律不同,综合各个参数的流体变化规律,选择能够提高脉冲射流效果的各参数的最佳参数值。因此,该方法简易和精准,通过该方法设计的射流发生器具有更高效的脉冲射流冲击效果和井底净化能力。
进一步地,在本实施例中,步骤S200中的有限元模型中的参数包括振荡腔体出入口直径比、振荡腔体收缩锥角角度和振荡腔体长径比。参见图1,其中,振荡腔体出入口直径比指的是振荡腔体的上端入口和下端出口的直径比值;振荡腔体收缩锥角角度指的是振荡腔体的锥角的角度;振荡腔体长径比指的是振荡腔体的长度与直径的比值。
在本实施例中,流体变化规律包括射流速度分布规律、射流压力分布规律、脉冲压力幅值规律、脉冲频率规律、上返速度分布规律、上返压力分布规律和整体压力大小规律。这些流体变化规律能够体现脉冲射流效果和井底净化能力。以图4-图6为例,图中给出了射流速度分布规律,射流速度越大,则脉冲射流效果和井底净化能力越强。
如图3所示,进一步地,本实施对步骤S200中的有限元模型的建立方法进行优化,即建立由钻头内环空和射流发生器振荡腔体内环空构成的有限元模型的方法包括以下步骤:
步骤S201,根据钻具1和钻头2的尺寸,建立由钻头内环空和射流发生器振荡腔体内环空所构成的三维几何模型;其中,射流发生器3的一端与钻具1连接,钻头2位于射流发生器3的内部,内环环空钻井液介质4在振荡腔体内流动。
步骤S202,定义三维几何模型各计算域的物性参数,例如密度、弹性模量、泊松比等;
步骤S203,对三维几何模型进行网格划分,获得有限元网格模型;
步骤S204,根据物性参数分别建立入口流速、出口压力、湍流强度和水力直径的边界条件。
进一步地,在本实施例中,步骤S300中的对有限元模型进行流体力学数值模拟计算,获得分别改变有限元模型中的不同参数的参数值时有限元模型的流体变化规律的方法具体为:
采用非稳态LES湍流模型和正交分析法,对有限元模型中的振荡腔体出入口直径比、振荡腔体收缩锥角角度和振荡腔体长径比参数建立有限元分析计算单元,其中,有限元分析计算单元包括:
第一分析计算单元,用于在振荡腔体长径比的参数值范围内改变振荡腔体长径比的参数值,固定振荡腔体出入口直径比和振荡腔体收缩锥角角度的参数值,获得振荡腔体长径比所对应的流体变化规律;优选地,振荡腔体长径比的参数值范围为0.6~1.5。如图4所示,振荡腔体长径比的参数值范围为1.0~1.3,在该范围内确定的振荡腔体长径比的最佳参数值范围为1.1~1.2。
第二分析计算单元,用于在振荡腔体出入口直径比的参数值范围内改变振荡腔体出入口直径比的参数值,固定振荡腔体长径比和振荡腔体收缩锥角角度的参数值,获得振荡腔体出入口直径比所对应的流体变化规律;振荡腔体出入口直径比的参数值范围为1.0~1.4。如图5所示,振荡腔体出入口直径比的参数值范围为1.05~1.35,在该范围内确定的振荡腔体出入口直径比的最佳参数值范围为1.15~1.25。
第三分析计算单元,用于在振荡腔体收缩锥角的参数值范围内改变镇定腔体收缩锥角角度的参数值,固定振荡腔体长径比和振荡腔体出入口直径比的参数值,获得振荡腔体收缩锥角角度所对应的流体变化规律。振荡腔体收缩锥角角度的参数值范围为100°~150°。如图6所示,振荡腔体收缩锥角角度的参数值范围为100°~140°,在该范围内确定的振荡腔体收缩锥角角度的最佳参数值范围为110°~120°。
基于以上任一实施例所描述的脉冲钻井用射流发生器振荡腔体设计方法,本发明实施例还提供了一种射流发生器,具有振荡腔体,振荡腔体采用如以上任一实施例所描述的方法设计得到,振荡腔体的外径为35mm~40mm,优选为37mm,振荡腔体长径比为1.1~1.2,振荡腔体出入口直径比为1.15~1.25,振荡腔体收缩锥角角度为110°~120°。
综合上述流体变化规律,确定在振荡腔体长径比为1.1~1.2、振荡腔体出入口直径比为1.15~1.25、振荡腔体收缩锥角角度为100°~120°条件下可形成最佳的脉冲射流冲击力幅值、频率及压降等性能,从而使脉冲射流发生器获得更高效的脉冲射流冲击效果和井底净化能力。
当然,对于边界条件发生变化时,本发明所描述的设计结果不局限于与此,只要采用本申请中的设计方法即可获得最优脉冲振荡腔体的设置方式。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。