陳建民，張 棋，郭鵬增，王少磊

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；2.中國石油集團海洋工程有限公司，山東青島 266555）

清除器對水平井段巖屑運移的影響分析

陳建民1，張 棋1，郭鵬增2，王少磊1

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；2.中國石油集團海洋工程有限公司，山東青島 266555）

在水平井鉆進過程中巖屑床的危害是巨大的，使用增大排量、倒劃眼等常規(guī)的方法很難清除巖屑床。應用Fluent軟件分別對巖屑床清除器和光鉆桿的工作進行了模擬，可以詳細地了解巖屑床清除器對環(huán)空流場的影響和巖屑顆粒的運動軌跡情況，顯示此清除器在清除巖屑床和巖屑運移方面的能力。此種巖屑床清除器不僅增加了環(huán)空流場的紊流度，提高了局部空間的鉆井液流速，具有水力清除巖屑床的作用，而且增大了巖屑顆粒被攜帶起來的機會。

水平井；巖屑床；螺旋清除器；分析

巖屑攜帶困難是水平井鉆進過程中的一個難點。因鉆井液不容易攜帶巖屑，在水平井段容易形成巖屑床，巖屑床的形成對水平井的鉆進危害很大，僅靠直井井眼凈化的方法不能很好的攜帶巖屑。清除巖屑床的方法一般有：增加鉆井液的流速、提高鉆桿的轉速、改善鉆井液攜巖性能和機械清除巖屑床的方法等［1］。在巖屑運移方面，以前科研工作者主要側重與巖屑運移模型的建立和各影響因素對巖屑運移規(guī)律的研究，為后來更加深入的研究奠定了良好的基礎。后來又提出了一種新技術，即利用水力和機械作用凈化環(huán)空的裝置進行巖屑床的破壞及運移，因此產生了一些針對清除巖屑床的工具，例如國內V形槽巖屑床清除器［2-3］，直齒翼巖屑床清除器［4］，螺旋槽道結構的清除巖屑床的鉆桿［5］；國外的VAM公司開發(fā)的HydroClean TM系列鉆桿［6-7］，DBS公司開發(fā)的巖屑床清除器Cuttings Bed Impeller［8-9］。最近幾年科研工作者對此領域的研究都集中在清除巖屑床的工具研究方面，但是這些清除工具的結構一般都比較單一，造成環(huán)空內的旋流效果較為一般，不能達到有效清除巖屑床的效果。

本文借鑒前人的研究成果，從提高巖屑床清除效率和增加環(huán)空紊流程度的目的出發(fā)，引用了這種高效的水平井段巖屑床的清除工具［10］，并用Fluent軟件對其進行數值模擬，較好地證明了其在攜巖效率方面的能力。

1 模型建立及工作原理

1.1 物理模型的建立

這種巖屑床清除工具如圖1，是由若干個螺旋清除器和局部加速器組合而成，螺旋清除器和局部加速器均為帶公扣、母扣的內部貫通的圓柱形體，長度分別為200 mm，螺旋清除器（?140 mm）外部均勻分布3個斜槽螺旋環(huán)（101），螺旋齒高為20 mm，在螺旋清除器后半部分設有螺旋回環(huán)（102），螺旋回環(huán)高為20 mm，所述螺旋回環(huán)采用半橢圓形設計，分布在斜槽螺旋環(huán)（101）之間。

局部加速器前端面直徑為140 mm，后端面是直徑為160 mm的圓錐體，局部加速器的直徑一端大而另一端小，小端朝向鉆頭方向，周圍均勻分布6條斜向的條形加速帶（201），條形加速帶高為20 mm。

螺旋清除器和局部加速器分別安裝于水平井鉆柱上，并由2個螺旋清除器中間安放1個局部加速器組成1組，在水平段鉆柱上每隔一定距離設置1組。

新型巖屑床清除器上的斜槽螺旋環(huán)、螺旋回環(huán)和斜向條形加速帶是其最重要的部位，環(huán)空流場受它的影響最大，而其他的部位對周圍流場的影響非常小，在此可以不考慮。用Fluent軟件對其進行仿真，簡化后的物理模型如圖1～4所示。

圖1 螺旋清除器和局部加速器的組合結構

圖2 螺旋清除器A-A剖面圖

圖3 局部加速器B-B剖面圖

圖4 螺旋清除器C-C剖面圖

1.2 工作原理

本巖屑床清除工具由多個螺旋清除器和局部加速器組合而成，下入井內旋轉，通過機械和水力2個方面的作用來達到清除巖屑床的目的，并將破壞后的巖屑攜帶出水平井段。

1） 螺旋清除器上分布的曲線螺旋體和長方形實體，由于其體積突出，在旋轉的過程中會對下井壁巖屑床進行機械性破壞，挖掘巖屑使其脫離下井壁的巖屑床。

2） 螺旋清除器上的長方形實體對鉆井液具有較強的重導向的作用，流體方向的改變會增大螺旋清除器周圍鉆井液的紊流強度，有利于巖屑顆粒的攜帶。

3） 局部加速器上的條形加速帶在旋轉過程中攪動兩個相鄰螺旋清除器之間的鉆井液，有效防止巖屑沉降。加速器在旋轉的過程中會帶動槽中流體的轉動，增加了泥漿的流速，流速增加的泥漿會強烈的沖刷周圍的巖屑。

2 參數及計算模型的選擇

2.1 參數選擇

選用139.7 mm（5 1/2英寸）鉆桿，井眼尺寸選用“4開”井眼（尺寸216 mm），計算域長度為2根鉆桿的長度，中間接有清除器和局部加速器，清除器和加速器長度分別為200 mm，巖屑密度為2 800 kg／m3，鉆井液密度為1 500 kg／m3，黏度選用40 mPa·s，鉆井液入口速度為1.5 m／s，鉆柱、清除器和加速器的轉速為3 min／s，巖屑粒徑大小分別為0.1、0.5、1.0 cm，以左側的端面為入射面，垂直于入射面的巖屑質量流率為0.15 kg／s。

2.2 計算模型選擇

顆粒運動軌跡模型選用離散相模型［11］，在離散相模型設定參數時，把Max.Number of Steps設定為50 000，它代表積分顆粒軌道的迭代步數，目的是計算完整的顆粒軌道，防止顆粒進入計算域一段距離后因迭代步已完成而終止了軌跡的計算。

本文采用數值模擬的方法對巖屑床清除器周圍流場的規(guī)律進行研究，而數值模擬方法的運用其中非常關鍵的一點就是湍流模型的選擇，計算精度高、節(jié)約計算時間、應用簡單、具有通用性，這些都是選擇湍流模型要考慮的因素，在這些湍流模型的計算過程中，κ-ε兩方程模型因為它的簡單有效和方便的原因被成功的廣泛應用。因此，本文采用標準的κ-ε兩方程模型。

2.3 數值求解方法選擇

求解流場離散方程最經典的算法是Simple算法。后來經過改進出現了幾種著名的算法，例如Simplec、Simpler和Piso算法。在Fluent6.3版本的壓力基耦合算法中新增了Coupled算法，這種算法可以加快收斂，本文選用Coupled算法。

3 清除器流場運動區(qū)域與邊界條件的處理

3.1 清除器流場運動區(qū)域處理

螺旋清除器和局部加速器的旋轉會帶動槽中流體也一起旋轉，在旋轉的過程中，槽的位置是不斷變化的，因此，需要把槽中的區(qū)域與外圍的區(qū)域分開對待，并對槽中的區(qū)域單獨處理。所以，在模擬巖屑床清除器的工作過程中存在1個問題，即可動區(qū)域流動問題的模擬。一般情況下模擬可動區(qū)域內流體流動問題有3種模型可以選擇，它們分別是多參考系模型（MRF）、混合平面模型和滑移網格模型。在本模擬過程中選擇滑移網格模型，即將槽中部分作為1個計算區(qū)域單獨進行網格劃分和計算，選用滑移網格模型不同于MRF模型，此處的轉動是真正的轉動，計算出來的流場就是實際的流場。

3.2 計算邊界條件處理

左側入口端面選用速度進口的邊界條件［12］，入口端面處湍動能kin、湍動能耗散率εin分別以下面的2個公式計算：

式中：cμ＝0.09，k＝1.42；Di為入口端面的當量直徑，cm。

uin、vin、win分別為在入口端面處x、y、z軸方向上的速度分量。

右側出口端面選用自由出口的邊界條件，外壁面以無滑移方式處理，在Fluent模擬過程中設定wall部分應選擇noslip選項，內壁面以旋轉壁面方式處理，清除器槽的內部區(qū)域與其周圍外部區(qū)域之間的交接面為內壁面。

4 數值模擬結果分析

現以用于?216 mm井眼的巖屑床清除器為例進行數值計算。鉆井液入口流速為1.5 m／s，鉆具及清除器轉速為18.84 rad／s。因計算模型選取較合理，且網格劃分較密，計算收斂很快。

4.1 巖屑運動軌跡

以入口面作為注射面往計算域內注射不同粒徑大小的顆粒巖屑，得到其在有清除器、加速器組合和光鉆桿條件下的運動軌跡。

1） 在光鉆桿條件下，不同粒徑大小的巖屑顆粒在環(huán)形空間內的流動軌跡。

由圖5～7可以看到，粒徑為0.1 cm的巖屑從入口泵入因其粒徑較小，在鉆井液的攜帶下會充滿整個環(huán)形空間；由粒徑為0.5 cm顆粒的運動軌跡可得出從入口泵入后在鉆井液攜帶下前進一段距離后會下沉到下井壁；由粒徑為1 cm顆粒的運動軌跡可以驗證大粒徑的顆粒會下沉的更快。因此，顆粒較大的巖屑會先沉積到下井壁，粒徑較小的顆粒后沉積到下井壁，經長期的積累會形成巖屑床。

圖5 粒徑為0.1 cm的顆粒運動軌跡

圖6 粒徑為0.5 cm的顆粒運動軌跡

圖7 粒徑為1.0 cm的顆粒運動軌跡

用3種不同粒徑大小的單顆粒運動軌跡對比圖可更形象地表述這3者之間的關系。從同一個注射點（0，0，11）往計算域內分別注射粒徑為0.1、0.5和1.0 cm單顆粒，通過計算可以分別得出這3者的運動軌跡對比圖，如圖8所示。

圖8 3種顆粒的運動軌跡對比

2） 在清除器和加速器組合條件下，巖屑顆粒在環(huán)形空間內的運動軌跡。

因鉆桿長度的限制，為了更清楚地觀察到單顆粒的運動軌跡圖，現截取有清除器組合的井段觀察。圖9顯示0.1 cm大小的顆粒經過清除器組合時會改變原先的運動軌跡，增強此處鉆井液的紊流強度，下井壁的巖屑顆粒會在它的旋轉作用下被攜帶到環(huán)空的上部；而圖10顯示在光鉆桿的環(huán)形空間內，粒徑為0.1 cm的顆粒只在光鉆桿的旋轉作用下發(fā)生輕微的繞鉆柱旋轉前進的運動軌跡，沒有圖9所描述的高強度旋轉狀態(tài)，下井壁的巖屑被攜帶起來的可能性很小。

圖9 有清除器和加速器組合的工況

圖10 光鉆桿條件下的工況

由圖11可見，當流經到清除器和局部加速器井段時，會在清除器組合的作用下改變運動軌跡，使巖屑顆粒脫離下井壁，隨鉆井液旋轉前進，防止此處巖屑床的形成。由圖12可見，粒徑為0.5 cm的顆粒因其重力較大的原因，在鉆井液攜帶下流經一段距離后下沉并在鉆井液攜帶下沿著下井壁前進。通過圖12巖屑運動工況還可以看出巖屑顆粒是一直沿著下井壁前進的，雖然鉆柱是旋轉的，但是因為顆粒較大的原因，鉆柱旋轉也不會使顆粒脫離下井壁，在某些情況下還會停留在下井壁不動。

圖11 顆粒經組合器的運動工況

圖12 顆粒在常規(guī)井眼內的運動工況

用單顆粒的運動軌跡可更加形象地表述清除器組合對3種粒徑顆粒的作用，從同一注射點（0，0，11）分別注射粒徑為0.1、0.5、1.0 cm的顆粒，得到清除器組合對這3種顆粒的效果對比圖，如圖13所示。

圖13 清除器組合對3種顆粒的作用對比

由圖13知，粒徑最小的0.1 cm的顆粒會最先被清除器組合攜帶起來，粒徑較大的0.5 cm的顆粒會后被旋轉起來，粒徑最大的1.0 cm的顆粒會被最后旋轉起來。可以推斷如果巖屑粒徑再大的顆粒會因清除器功效的限制或井眼環(huán)空尺寸的限制不會被攜帶起來，由這3種不同粒徑顆粒的運動軌跡可以說明粒徑越大越不容易脫離下井壁。

4.2 流線圖

圖14～15分別是光鉆桿條件下的環(huán)空流線圖和清除器組合條件下環(huán)空流線圖。

圖15為清除器組合條件下環(huán)空的流線軌跡，流體在清除器組合旋轉運動條件下產生了較強的旋流，比圖14顯示的光鉆桿條件下產生的流線旋轉的更強，這對巖屑的攜帶、清除極為有利。

圖14 光鉆桿條件下環(huán)空流線

圖15 清除器組合條件下環(huán)空流線

4.3 局部加速器的功效

局部加速器上分布的條形加速帶可以在旋轉過程中挖掘巖屑床，同時攪動2個相鄰清除器之間的鉆井液，有效防止巖屑沉降。旋轉過程中的局部加速器會引起槽中的流體旋轉，使鉆井液流速增大，流速增大的鉆井液會對周圍的巖屑產生強烈的沖洗。局部加速器在速度方面的體現。

計算所得的局部加速器的入口速度云圖和出口速度云圖如圖16～17所示，由圖可見，流場的進口速度經過加速器（0.5 m）后流速從1.5 m／s提高到約2.6 m／s，增加了約1.7倍。增大的流速對清除器周圍的巖屑產生強烈的沖洗作用，對巖屑的攜帶和清除極為有利。

圖16 局部加速器入口速度云圖

圖17 局部加速器出口速度云圖

5 結論

1） 粒徑較大的巖屑會先沉積到下井壁，粒徑較小的顆粒會后沉積到下井壁，經時間的積累會形成巖屑床，粒徑很小的顆粒會充滿整個環(huán)形空間，在鉆井液的攜帶下上返。

2） 小粒徑的顆粒在清除器組合的作用下繞鉆柱旋轉強度較強；而小粒徑的顆粒在光鉆桿的旋轉作用下產生輕微的繞鉆柱旋轉前進的運動軌跡。粒徑較大的顆粒在清除器組合器的作用下脫離下井壁，減少了下井壁巖屑量，但是粒徑越大越不容易脫離下井壁。

3） 鉆井液在清除器組合旋轉運動條件下產生了較強的旋流，使清除器組合處鉆井液的紊態(tài)增強，比光鉆桿產生的流線旋轉的更強，這對巖屑的攜帶、清除極為有利。

4） 局部加速器會使清除器組合環(huán)空井段的流速增加，增大的流速對清除器周圍的巖屑產生強烈的沖洗作用。

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Impact Analysis of Cuttings Transport under Effect of Cleaners in Horizontal Well

In the process of horizontal well drilling，the harm of cuttings bed is serious，and it is not easy to remove cuttings bed by using conventional methods such as increasing delivery capacity and back ream.The working condition of cuttings bed cleaners and light pipe respectively by using fluent is simulated in this paper.More about the influence of annular flow field and the trajectories of debris particles caused by cuttings bed cleaners can be understood，showing its ability in removing cuttings beds and the cuttings migration.Not only does this kind of cutting bed cleaner increase the turbulence intensity of the annulus flow field，improve the velocity of local fluid，with the function of the hydraulic removing cuttings bed but also increase the chances of carrying up the debris particles.

horizontal well；cuttings bed；screw cleaner；analysis

TE921.201

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.006

1001-3482（2014）10-0025-06

2014-04-02

陳建民（1956-），男，江蘇泰州人，碩士生導師，教授，1984年畢業(yè)于北京航空學院，主要從事船舶與海洋結構物教學和技術研究，E-mail：jmchen1956＠126.com。