强研磨性地层中PDC钻头井底热-流-固三场耦合研究

PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头在强研磨性地层中破岩时,其钻齿在刮切破碎岩石的同时与岩屑、岩石剧烈摩擦,产生的局部高温加快了钻齿的磨损失效,这会极大地缩短整个钻头的使用寿命.因此,探究温度对PDC钻头磨损的影响并改进其水力结构对提升单个钻头的进尺深度和降低钻井经济成本有显著意义.为此,通过钻齿切削实验来验证其温度与磨损之间的关系,并在考虑井底钻井液流动状态及其与钻齿之间对流换热的基础上,建立了PDC钻头井底热?流?固三场耦合模型,分析了井底钻井液与PDC钻头之间的相互作用,同时针对原有的PDC钻头水力结构提出了优化措施.结果表明:1)在钻齿切削过程中温升现象十分明显,说明温度是影响PDC钻头磨损的重要因素;2)PDC钻头井底流场呈热?流?固耦合状态,且钻井液流动状态对其钻齿换热的影响大,这为钻头水力结构的优化提供了方向;3)通过调整喷嘴的流量及角度等水力结构,降低了钻齿的平均温度,可有效改善PDC钻头的磨损情况.研究结果对强研磨性地层中钻头的优化设计有重要指导意义.