吳百川，余文濤，鐘 震

(油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室防漏堵漏技術(shù)研究室，長江大學(武漢校區(qū)) 石油工程學院，武漢 430100)

在定向井鉆井作業(yè)中，巖屑易在大斜度井段堆積，形成巖屑床，導致機械鉆速低，井下卡鉆事故頻繁發(fā)生，嚴重影響鉆井安全與工作效率。一般認為，影響巖屑床堆積的因素包括環(huán)空流速、鉆井液流變性、井斜角[1]，單純依靠某一因素解決巖屑床問題，在現(xiàn)場應用中存在一定局限性。本文在對現(xiàn)有巖屑床清潔工具分析的基礎(chǔ)上，將不同形狀巖屑清理工具的井眼清洗能力進行對比。所得結(jié)論可為巖石清理工具的研制和應用提供理論支持。

1 巖屑清潔工具在冀東油區(qū)的應用簡介

冀東油田受海灘區(qū)域影響，油藏勘探開發(fā)以大斜度井及大位移井為主。為解決巖屑床在大斜度井鉆井施工中引起的摩阻增大、蹩泵、卡鉆等井下事故，設計并應用了“V”型巖屑清理工具和螺旋型巖屑清理工具，破壞巖屑床，并提高巖屑的環(huán)空返速[2]。

冀東油區(qū)某試驗井應用“V”型清潔工具清理巖屑床，由表1數(shù)據(jù)可知，最大井深4 385 m，設計最大井斜60.8°。實際鉆進中，鉆至3195 m井深，井斜達到45°，巖屑上返量明顯減少，摩阻增大。相鄰井完鉆時上提摩阻為700 kN，試驗井完鉆時上提摩阻為600 kN。對比相鄰井的泵壓，試驗井泵壓比相鄰井降低42%。

表1 試驗井井眼清潔工具現(xiàn)場試驗參數(shù)與鄰井對比情況

從圖1的鉆時數(shù)據(jù)分析可以看出，工具進尺1 100 m，平均鉆速21.19 m/h，與鄰井平均機械鉆速(9.41 m/h)相比提高120%。

圖1 試驗井與鄰井鉆時數(shù)據(jù)

通過摩阻轉(zhuǎn)矩以及平均鉆速可以看出，“V”型清潔工具下入后起到了降摩減扭的作用，說明井底巖屑清除效果較好。

2 巖屑清潔工具工作原理和力學仿真分析

2.1 巖屑清潔工具工作原理

螺旋型巖屑清理工具(如圖2)的旋轉(zhuǎn)使鉆井液在原來流速的基礎(chǔ)上產(chǎn)生軸向和切向的附加速度。螺旋槽道的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生漩渦，漩渦具有較大的能量，促使更多沉降在下環(huán)空低速區(qū)的巖屑顆粒進入上環(huán)空高速區(qū)。

圖2 螺旋型巖屑清理工具結(jié)構(gòu)

“V”型工具(如圖3)在正常鉆進時，由于脖頸外徑的突降，環(huán)空泥漿會對巖屑床起到松動作用。同時，“V”型槽隨鉆桿旋轉(zhuǎn)，使泥漿產(chǎn)生劇烈的湍流，并影響附近環(huán)空的流體，這可以有效預防井段內(nèi)巖屑顆粒的沉降(水力作用)。另一方面，可以對已經(jīng)形成的巖屑床顆粒進行攪動，攪動起的巖屑顆粒被螺旋槽捕獲，然后被帶入到具有較高泥漿速度的懸浮層，運送至更遠的距離，繼而保證鉆進的順利進行[3-5]。

圖3 “V” 巖屑清理工具結(jié)構(gòu)

2.2 井眼清潔工具力學仿真

運用ANSYS Workbench有限元軟件對不同種類井眼清潔工具進行靜力學仿真。工具采用40CrNiMo材料，屈服強度為931 MPa[6-7]。采用懸臂梁模型進行靜力學分析，靠近井底一端固定，靠近井口一端施加40 000 N·m的轉(zhuǎn)矩和700 kN的軸向拉力。

模擬不同種類井眼清潔工具在外力作用下的工況，由圖4可知，井眼清潔工具最大等效應力位置均在清潔器與桿體的過渡截面上，其中五槽道螺旋清潔工具的最大等效應力為258 MPa，六槽道清潔工具的最大等效應力為292.68 MPa，“V”型清潔工具的最大等效應力為202.83 MPa。

a 五槽道螺旋工具

b 六槽道螺旋工具

c 七槽道螺旋工具

d “V”型工具

利用鉆井技術(shù)手冊提供的公式[8]，分別計算此工況下清潔工具的安全系數(shù)，其中五槽道螺旋清潔工具的安全系數(shù)為3.247，六槽道清潔工具的安全系數(shù)為2.86，七槽道清潔工具的安全系數(shù)為2.516，“V”型清潔工具的安全系數(shù)為4.148。對比螺旋型清潔工具的力學特性，“V”型清潔工具的安全系數(shù)比螺旋型清潔工具高1.28～1.64倍。

3 工具流場及巖屑運移對比分析

3.1 流場邊界條件的設定

運用Fluent有限元軟件對井下環(huán)空流場進行模擬。由于模擬全井段巖屑運移難以實現(xiàn)，故選取部分管柱段作為研究對象。以井深4 300 m，井斜角60°為例，對模型的邊界條件進行了如下設定：

1) 進口條件。采用速度入口，鉆井液在入口流速垂直于邊界面。入口速度1.03 m/s。

2) 出口條件。采用壓力邊界大小與環(huán)境壓力保持一致，巖屑顆粒回流率為0。

3) 壁面邊界條件。將鉆桿等設定為光滑無滑移，井壁為固定壁面，且速度滿足無滑移條件，鉆具外表面為旋轉(zhuǎn)壁面，對壁面進行封閉。

4) 其他。鉆井液為冪律流體，稠度系數(shù)取0.45，流性指數(shù)取0.55，泥漿密度為1.2×103kg/m3。巖屑顆粒設置為球形，密度為2.6×103kg/m3，粒徑為2 mm。井眼壁面采用無滑移壁面條件。工具旋轉(zhuǎn)速度1 rad/s，巖屑床厚度為13 mm[9-11]。設定y軸負方向為重力場方向，且重力加速度設定為9.81 m/s2。

3.2 內(nèi)流場仿真計算

3.2.1 巖屑運移速度的計算

以“V”型清潔工具為例，改變井眼清潔工具的類型，研究不同種工具性能的影響，以表征流場運移性能的運移速度和體積系數(shù)作為評價指標。

圖5為“V”型巖屑清理工具的中心位置處巖屑運移速度分布。初始階段，脖頸外徑突降，環(huán)空中的鉆井液對巖屑床起到松動作用，同時螺旋槽隨鉆桿旋轉(zhuǎn)引起泥漿產(chǎn)生劇烈的湍流，并影響附近環(huán)空的流體，進一步將已經(jīng)形成的巖屑床顆粒進行攪動，攪動起的巖屑顆粒被螺旋槽捕獲，最后被帶入到具有較高泥漿速度的懸浮層，并運送至更遠的距離。

圖5 “V”型巖屑清理工具的巖屑運移速度云圖

運用Fluent軟件計算各個清潔工具的最大巖屑運移速度，由圖6可知，螺旋型五槽道清潔工具對巖屑運移的速度最快，數(shù)值為2.78 m/s，比“V”型清潔工具對巖屑的運移速度提高11.9%。將“V”型與五槽道螺旋型清巖工具對巖屑運移的速度進行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，螺旋型葉片具有最強的造渦和保持渦流的能力，雖然“V”型槽道能夠形成兩種轉(zhuǎn)向不同的渦流，但由于水力機械對巖屑顆粒有阻礙作用，導致巖屑運移速度下降，巖屑最大運移速度為2.48 m/s，對于螺旋型槽道，巖屑顆粒在運動路徑上沒有阻礙作用的影響。

圖6 不同巖屑清潔工具對巖屑的運移速度

3.2.2 巖屑體積系數(shù)的計算

通過改變巖屑粒徑，研究不同巖屑粒徑(1 mm和3 mm)下不同種工具對巖屑運移的影響，計算10 s范圍內(nèi)巖屑體積系數(shù)的變化曲線，計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同清潔工具的巖屑體積系數(shù)

巖屑沿著軸向運動，巖屑體積系數(shù)先減小，后增大，表現(xiàn)出類似與鉆柱轉(zhuǎn)速作用機理，即在1.5 m位置時達到最小，由于此位置是清潔設備出口，環(huán)空面積急劇增大導致單位體積巖屑量減少，從而使巖屑體積系數(shù)降低；從1.8 m到5.0 m位置，巖屑體積系數(shù)逐漸增大。隨著巖屑粒徑增大，巖屑體積系數(shù)逐漸增大，巖屑運移速度逐漸減小，巖屑粒徑對巖屑運移影響較大。對比發(fā)現(xiàn)，使用五槽道螺旋型清潔工具在清潔大粒徑巖屑時效果最好，使用“V”型清潔工具在清潔小粒徑巖屑時效果最好。

圖8為模擬10 s后環(huán)空流體在軸向距離4 m位置處巖屑體積系數(shù)切面，巖屑粒徑為1 mm時，“V”型清潔工具的清潔能力比螺旋型清潔工具高14%，巖屑粒徑為3 mm時，V型清潔工具的清潔能力比螺旋型清潔工具低30%。

圖8 巖屑體積系數(shù)

通過改變井壁粗糙度，研究了不同井壁粗糙度(1 mm和3 mm)情況下，工具類型對巖屑運移的影響，計算10 s范圍內(nèi)巖屑體積系數(shù)的變化曲線，計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同清潔工具的巖屑體積系數(shù)

由圖9可知，巖屑沿著軸向運動，巖屑體積系數(shù)先減小，后增大。此外，對比發(fā)現(xiàn)，使用“V”型工具時，流場中巖屑體積系數(shù)低于沒有使用螺旋型工具時流場中巖屑體積系數(shù)。井壁越不光滑，巖屑運移越通暢，參數(shù)的敏感性越不明顯。

4 結(jié)論

1) 現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，“V”型清潔工具清理巖屑的效果顯著，使用壽命長。在大位移井作業(yè)中，可以減小鉆具運動時的摩阻、泵壓，同時可提高機械鉆速，改善井眼質(zhì)量。

2) 運用有限元軟件計算不同類型井眼清潔工具在井下工況的受力，其中，“V”型清潔工具在同等工況下的安全系數(shù)最高，是螺旋型清潔工具的1.28～1.64倍。因此，適用于高水垂比的大位移鉆井作業(yè)。

3) 巖屑進入工具槽道后，軸向速度會快速增大，螺旋型工具增速效果明顯強于“V”型工具。對比不同槽道螺旋工具可知，五槽道螺旋工具的清潔效果及對巖屑運移的速度優(yōu)于另外兩種工具。

4) 對比分析不同巖屑粒徑下工具的清潔效果?！癡”型清潔工具適用于清潔小粒徑巖屑，六槽道螺旋型清潔工具適用于清潔大粒徑巖屑；井壁在相對粗糙時，使用“V”型工具清理巖屑的效果優(yōu)于螺旋型清潔工具。