Ghiên cứu mô phỏng trị số lưu trường dòng chảy đáy giếng của choòng khoan PDC có vòi phun định hướng

Nội dung text: Ghiên cứu mô phỏng trị số lưu trường dòng chảy đáy giếng của choòng khoan PDC có vòi phun định hướng

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 47, 7/2014, tr.1-5 DẦU KHÍ (trang 1-19) NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TRỊ SỐ LƯU TRƯỜNG DÒNG CHẢY ĐÁY GIẾNG CỦA CHOÒNG KHOAN PDC CÓ VÒI PHUN ĐỊNH HƯỚNG HOÀNG ANH DŨNG, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Để phân tích ảnh hưởng của vòi phun định hướng (directional nozzle) đến lưu trường dòng chảy đáy giếng, ta sử dụng phần mềm CAD kết hợp với phần mềm Gambit để thiết kế mô hình choòng khoan PDC có vòi phun định hướng, sau đó sử dụng phần mềm Mô hình hóa dòng chảy Fluent tiến hành mô phỏng đặc tính lưu trường dòng chảy dưới đáy giếng. Kết quả nghiên cứu cho thấy, với kết cấu của vòi phun định hướng đã phát huy tối đa tác dụng năng lượng thủy lực của hai dòng phun trong quá trình rửa sạch đáy giếng và hạn chế sự hình thành lớp bùn bao bề mặt choòng khoan PDC nhằm nâng cao tốc độ cơ học khoan. Mở đầu năng của vòi phun định hướng. Hiệu quả làm Đối với các vòi phun thông thường (vòi việc của vòi phun định hướng tốt hơn vòi phun phun đơn lỗ) thì chỉ có một dòng phun ở cửa ra thông thường chính là có thêm sự hỗ trợ của của vòi phun cho nên chưa phát huy tối đa tác dòng phun hướng nghiêng trong quá trình rửa dụng năng lượng thủy lực của dòng phun trong sạch lớp bùn bao choòng khoan. Phạm vi che quá trình rửa sạch đáy giếng và bề mặt choòng phủ và tốc độ của dòng phun hướng nghiêng sẽ khoan. Nhằm khắc phục hiện tượng này, các quyết định đến hiệu quả rửa sạch lớp bùn bao. [1] chuyên gia đã đề xuất phướng án thiết kế một Theo kết quả nghiên cứu của cho thấy khi loại vòi phun mới lắp đặt trên choòng khoan thiết kế vòi phun định hướng lắp đặt trên được gọi là vòi phun định hướng (directional choòng khoan PDC thì lựa chọn góc nghiêng 0 nozzle). α0 = 45 (là góc hợp bởi đường trục của dòng Khi phân tích, đánh giá vai trò của vòi phun phun hướng nghiêng và đường trục dòng phun định hướng trong quá trình làm việc, tác giả đã chính của vòi phun) là phù hợp nhất vừa phát sử dụng phần mềm Mô hình hóa dòng chảy huy tốt hiệu quả rửa sạch và ức chế sự hình Fluent để nghiên cứu mô phỏng đặc tính lưu thành lớp bùn bao choòng khoan vừa tạo điều trường dòng chảy dưới đáy giếng của choòng kiện thuận lợi cho quá trình gia công vòi phun khoan PDC có vòi phun định hướng. định hướng. 1. Lựa chọn mô hình choòng khoan PDC có Đường kính của lỗ phun chính (D0), đường vòi phun định hướng kính của lỗ phun trên thân (d0) và khoảng cách Kết cấu của vòi phun định hướng so với giữa lỗ phun chính với lỗ phun trên thân có ảnh loại vòi phun thông thường là có thêm 1 hoặc hưởng rất lớn đến đặc tính thủy lực của dòng nhiều lỗ phun ở trên thân vòi phun và dòng phun. Nhằm đảm bảo năng lượng ở cửa ra của phun của nó được gọi là dòng phun hướng lỗ phun chính không giảm đi nhiều thì đường nghiêng. Tham số kết cấu của vòi phun bao kính (d0) phải nhỏ hơn tương đối so với (D0) và gồm kích thước hình học và hình dáng đường phải thỏa mãn điều kiện là 0.2<d0/D0<0.4. dòng của vòi phun sẽ phụ thuộc chủ yếu vào Ngoài ra, khi lựa chọn đường kính vòi phun cần kích thước choòng khoan PDC[2,3]. phải đảm bảo vòi phun không bị tắc bởi các hạt Vấn đề phân phối lưu lượng bên trong vòi mùn khoan có kích thước lớn chảy ngược vào phun là chỉ tiêu quan trọng quyết định đến tính trong vòi phun lúc dừng bơm[4]. 1
2. Các tham số tính toán được lựa chọn như Bên cạnh đó, để tăng khả năng rửa sạch lớp bùn sau: đường kính choòng khoan là 215,9 mm, bao ở bộ phận đầu lưỡi cắt thì phương của dòng đường kính cửa vào vòi phun 15 mm, lưu lượng phun hướng nghiêng (dòng phun của lỗ phun có cửa vào của vòi phun 32 l/s, tốc độ cửa vào của đường kính d0) phải song song với mặt làm việc vòi phun 45,3 m/s, đường kính cửa ra của vòi của lưỡi cắt và nghiêng với đáy giếng một góc [5] phun được thiết kế là D0 = 9 mm và d0 = 3 mm, độ thích hợp . khoảng cách giữa hai lỗ phun 10 mm góc lệch Khi tiến hành xây dựng mô hình tính toán, tương đối của dòng phun hướng nghiêng với ta sử dụng phần mềm CAD và kết hợp với phần dòng phun chính được thiết kế là 450, tốc độ mềm Gambit để thiết kế mô hình 3 chiều quay choòng khoan là 120 vòng/phút, chất lỏng choòng khoan PDC có vòi phun định hướng làm việc là nước. (hình 1). Sau đó sử dụng phần mềm Mô hình Khi tiến hành thiết kế mô phỏng choòng hóa dòng chảy Fluent để tiến hành mô phỏng khoan PDC có vòi phun định hướng cần phải đặc tính lưu trường dòng chảy đáy giếng của đảm bảo nguyên tắc là toàn bộ đáy giếng được choòng khoan PDC có vòi phun định hướng, che phủ bởi dòng phun với mức độ lớn nhất. kết quả mô phỏng được phân tích như sau: Vòi phun định hướng Hình 1. Mô hình choòng khoan PDC có vòi phun định hướng 2. Phân tích ảnh hưởng của vòi phun định Khu vực va đập có tác dụng hỗ trợ thêm hướng đối với lưu trường dòng chảy đáy quá trình phá vỡ đất đá, khu vực dòng chảy tràn giếng có tác dụng quét sạch mùn khoan khỏi đáy 2.1. Ảnh hưởng vòi phun định hướng đối với giếng, khu vực dòng phản lên sát thành giếng lưu trường dòng chảy dưới đáy giếng có nhiệm vụ vận chuyển mùn khoan đi lên, còn Ảnh hưởng vòi phun thông thường đến lưu khu vực dòng xoáy do có tốc độ và áp lực dòng trường dòng chảy đáy giếng được phân chia chảy tương đối thấp gây cản trở quá trình đẩy thành 4 khu vực chính: khu vực dòng va đập (1), mùn khoan đi lên. Kết quả quá trình mô phỏng khu vực dòng chảy tràn ra đáy giếng (2), khu lưu trường dòng chảy dưới đáy giếng của vòi vực dòng phản lên sát thành giếng (3) và khu phun định hướng so với vòi phun thông thường vực dòng xoáy (4) [6]. Lưu trường dòng chảy có phát sinh một số thay đổi (hình 2) và được đáy giếng của tổ hợp các vòi phun sẽ quyết định phân tích cụ thể như sau: đến hiệu quả làm việc của choòng khoan PDC. 2
3. 3 4 1 2 a- Vòi phun định hướng b- Vòi phun thông thường Hình 2. Sơ đồ mô phỏng lưu trường dòng chảy dưới đáy giếng 1 – Khu vực dòng va đập. 3 – Khu vực dòng phản lên xung quanh thành giếng. 2 – Khu vực dòng chảy tràn. 4 – Khu vực dòng xoáy. a- Vòi phun định hướng b- Vòi phun thông thường Hình 3. Sơ đồ phân bố tốc độ dòng chảy của vòi phun dưới đáy giếng Kết quả của quá trình mô phỏng trên hình 2 phủ của khu vực dòng xoáy (4), hạn chế đáng và hình 3 cho thấy lưu trường dòng chảy của kể khả năng hạt mùn khoan bị lưu giữ lâu ở khu vòi phun định hướng so với vòi phun thông vực này, đồng thời tại khu vực dòng chảy tràn thường phát sinh một số biến hóa do có sự tham (2) của dòng phun chính còn có thêm sự hỗ trợ gia của dòng phun hướng nghiêng, điều này có của dòng phun hướng nghiêng. Điều này có lợi lợi cho quá trình rửa sạch đáy giếng và vận đối với quá trình quét sạch mùn khoan ở đáy chuyển mùn khoan. Trên phương của dòng giếng, làm mát choòng khoan và ức chế sự hình phun hướng nghiêng đã hình thành thêm một thành lớp bùn bao bề mặt choòng khoan, nâng khu vực va đập mới, làm giảm bớt diện tích che cao hiệu quả làm việc của choòng khoan PDC. 3
4. 2.2. Ảnh hưởng của vòi phun định hướng đến khả năng ức chế lớp bùn bao trên bề mặt lưỡi cắt (a) Áp lực biến đổi rõ ràng (b) Áp lực biến đổi không rõ ràng Hình 4. Sơ đồ phân bố vân áp lực trên bề mặt lưỡi cắt (a - Vòi phun định hướng, b - Vòi phun thông thường) Kết quả của quá trình mô phỏng trên hình 4 chuyển mùn khoan nhằm nâng cao hiệu quả của cho thấy áp lực phân bố trên bề mặt lưỡi cắt của vòi công tác khoan. phun định hướng so với vòi phun thông thường 2) So với vòi phun thông thường thì vòi có sự khác biệt tương đối rõ ràng. Ở cùng một phun định hướng sẽ hạn chế đáng kể sự hình điều kiện mô phỏng thì áp lực dòng phun của thành lớp bùn bao bề mặt choòng khoan và tăng vòi phun thông thường tác dụng trực tiếp lên bề cường khả năng làm mát choòng khoan, nâng mặt lưỡi cắt là không đáng kể, còn đối với vòi cao tuổi thọ của choòng khoan PDC trong quá phun hướng nghiêng thì áp lực của dòng phun trình làm việc. hướng nghiêng tác dụng lên bề mặt lưỡi cắt là tương đối lớn được thể hiện qua cường độ biến TÀI LIỆU THAM KHẢO hóa của vân áp lực trên bề mặt lưỡi cắt tương [1]. Hoàng Anh Dũng, Li Gensheng. Thiết kế đối rõ ràng. Điều này có lợi cho việc ức chế sự mô hình choòng khoan PDC có vòi phun định hình thành của lớp bùn bao bề mặt choòng hướng. Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 36, khoan và tăng cường khả năng làm mát lưỡi cắt 10/2011, tr.1-6. nâng cao hiệu quả làm việc của choòng khoan [2]. 李兆敏, 沈忠厚. 轴对称紊流射流流场的 PDC. 数值模拟. 石油大学学报, 1995, 19 (2): 48-51. 4. Kết luận Li Zhaomin, Shen Zhonghou. Numerical Sử dụng phương pháp mô phỏng trị số để simulation of turbulent axisymmetric jet tiến hành phân tích ảnh hưởng của vòi phun flowfields. Journal of the Univercity of định hướng đến lưu trường dòng chảy dưới đáy Petroleum China, 1995, 19 (2): 48-51. giếng. Kết quả nghiên cứu cho thấy: [3]. Dickey, Winton B. Side port nozzle in a 1) Với cùng một điều kiện tính toán mô PDC bit Europe EP0959224A2.1999.11.24 phỏng tương đồng, so với vòi phun thông thường thì vòi phun định hướng do có sự hỗ trợ [4]. 黄志强, 周已, 李琴, 刘少彬, 卜 艳, 闫波. của dòng phun hướng nghiêng đã tăng cường 刮刀钻头喷嘴直径对井底流场的影响研究. khả năng quét sạch mùn khoan ở đáy giếng, 石油矿场机械, 2009, 38 ( 3) : 17-19. đồng thời giảm bớt diện tích che phủ của khu Huang Zhiqiang, Zhou Yi, Li Qin, Liu vực dòng xoáy thúc đẩy nhanh quá trình vận Shaobin, Bu Yan ,Yan bo. Study on the Effect 4
5. of the Nozzle of Drag Bits on Bottom - hole distribution characteristics. Petroleum Drilling Flow Field. Oil Field Equipment, 2009, 38 (3): Techniques, 1996, 24 (3): 32-34. 17-19. [6]. 杨丽, 陈康民. 喷嘴孔径对 PDC 钻头井底 [5]. 管志川, 周广陈, 刘瑞文, 李春山. PDC 钻 流场影响的研究. 机械工程学报, 2005, 9 (41): 头倾斜射流的井底流动分布特性. 石油钻探 171-174. Yang Li, Chen Kangmin. Researche on the 技术, 1996, 24 (3): 32-34. influence of nozzles with different diameters on Guan Zhichuan, Zhou Guang Chen, Liu flow field of PDC bits. Chinese Journal of Ruiwen, Li Chunshan. PDC bit inclined jet flow Mechanical Engineering, 2005, 9 (41): 171-174. SUMMARY Numerical simulation of bottom hole flow field of PDC bit with directional nozzles Hoang Anh Dung, Hanoi University of Mining and Geology To analyze the effects of directional nozzle to flow field at the bottom hole, CAD software in conjunction with Gambit software is used to design PDC drill bit models with directional nozzles. The Fluent flow modelling was then used to perform simulations of at flow the bottom hole. The research results show that the assemblage of the directional nozzles has maximized the hydraulic energy of two jet streams to enhance drill cuttings cleaning and minimize the formation of mud in drill mud PDC that ultimately to improve the mechanical drilling rate. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ LOẠI NHIỄU (tiếp theo trang 11) SUMMARY Influence of several types of environment noise on passive seismic data analysis Le Khanh Phon, Tran Danh Hung, Hanoi University of Mining and Geology Le Ba Manh, Ting Yang, Mei Xue, Tongji University, Shanghai, China The paper stated urgency of research earthquake on the territory of Vietnam, introduced cooperation project between the University of Mining and Geology and Tongji University Shanghai installation station, operation and natural earth quake data processing. In data processing, the paper points out the types of seismic noise and gives results to evaluate the effects of noise due to wave cycle 1-20s for the stations located near the coast and interference due to the operation of human cycle is less than 1s for the station to be located near where residents. 5