魏學(xué)成

摘 要：針對YK311-381擴孔器在現(xiàn)場使用過程中出現(xiàn)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(yōu)化了擴孔器的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，解決了刀翼部位清洗不足、易發(fā)生泥包等問題，提高了擴孔器的使用壽命和擴孔速度，現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：擴孔器;刀翼泥包;擴孔速度;流道結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)雜地層處理、提高套管環(huán)空間隙等方面具有廣泛的使用價值。過現(xiàn)場應(yīng)用驗證，該擴孔器已經(jīng)成熟，總體性能達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

1 YK311-381擴孔器結(jié)構(gòu)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(yè)。該工具主要由上接頭、本體、活塞總成、上限位機構(gòu)、下限位機構(gòu)、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(qū)動3個切削刀翼外張，進行擴孔作業(yè)。

2 YK311-381擴孔器內(nèi)部水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了應(yīng)對井下復(fù)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(shè)計排屑槽，排屑槽內(nèi)增加3條鉆井液沖洗孔道，另外，在每個刀翼側(cè)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(nèi)部流道不規(guī)則，用理論計算流量的分配情況比較復(fù)雜且難以實現(xiàn)，這里應(yīng)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(yōu)擴孔排量下的底部調(diào)整水眼尺寸和流量分配比例。

3.1 流體建模及網(wǎng)格劃分

擴孔器為三刀翼，且?guī)缀紊洗嬖趯ΨQ關(guān)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(nèi)部水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的部分旋轉(zhuǎn)120°構(gòu)成。對網(wǎng)格進行劃分時，兩個矩形流道采用六面體網(wǎng)格，其它部分采用四面體網(wǎng)格。

3.2 流體模型分析計算

流體性質(zhì)設(shè)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(shù)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(shù)Re為4.82×106，確定流體流動處于紊流狀態(tài)，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(nèi)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(jié)果見表1。

從計算可以看出，擴孔作業(yè)時，采用最優(yōu)排量50L/s，底部調(diào)節(jié)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(xiàn)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(xiàn)場應(yīng)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(jīng)改進優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，擴孔速度更快，整體性能達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

5 結(jié)論與建議

（1）通過改進YK311-381擴孔器內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，進行流場仿真分析，優(yōu)化了相關(guān)技術(shù)參數(shù)，工具性能得到了極大改善，擴孔速度得到了顯著提高，經(jīng)過4口井成功現(xiàn)場應(yīng)用，形成了一整套成熟的大井徑擴孔技術(shù)。

（2）建議對擴孔刀翼進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和動力學(xué)仿真研究，確定最優(yōu)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。

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