王貴亭

摘 要：在擴(kuò)孔器刀體上設(shè)計(jì)沖洗齒的流道，可以很大程度上改善擴(kuò)孔器的“泥包”現(xiàn)象，在擴(kuò)孔器底部加不同尺寸的水眼可以調(diào)節(jié)流量在鉆頭和擴(kuò)眼器的不同分配。由于擴(kuò)眼器內(nèi)部流道不規(guī)則，用理論計(jì)算流量的分配情況比較復(fù)雜且難以實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)用數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行仿真分析則能夠提供相對(duì)精確的計(jì)算結(jié)果。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)孔器;水眼;流量分配;刀翼泥包

YK304-445液力擴(kuò)眼器在土耳其UGS-8井應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，由于地層中含膏巖成分較多，刀翼易發(fā)生“泥包”，影響機(jī)械鉆速和進(jìn)尺。

在擴(kuò)孔器刀體上設(shè)計(jì)沖洗齒的流道，可以很大程度上改善擴(kuò)孔器的“泥包”現(xiàn)象，在擴(kuò)眼器底部加不同尺寸的水眼可以調(diào)節(jié)流量在鉆頭和擴(kuò)眼器的不同分配。由于擴(kuò)眼器內(nèi)部流道不規(guī)則，用理論計(jì)算流量的分配情況比較復(fù)雜且難以實(shí)現(xiàn)，本文選擇Fluent流體分析軟件對(duì)擴(kuò)眼器不同水眼的流量分配進(jìn)行分析。

1.幾何模型建立及網(wǎng)格劃分與處理

擴(kuò)眼器為三刀翼，且?guī)缀紊洗嬖趯?duì)稱關(guān)系，選取擴(kuò)孔器的1/3進(jìn)行建模分析，具體圖形如圖1所示。

對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)，由于刀體上的流道相對(duì)于整個(gè)模型尺寸較小，需要單獨(dú)剖分出來，進(jìn)行網(wǎng)格加密（圖2所示）。兩個(gè)矩形流道采用六面體網(wǎng)格，其它部分采用四面體網(wǎng)格。

2.計(jì)算模型選擇與設(shè)置

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(shí)，擴(kuò)眼器流量為50L/s，可得流體流速。

流速v計(jì)算：

Q-泵排量，L/s，這里取50L/s。

計(jì)算得v=49.14（m/s）。

雷諾數(shù)的計(jì)算：

運(yùn)動(dòng)粘度取80℃時(shí)水的粘度值0.367×10-6m2/s，計(jì)算得到雷諾數(shù)Re為4.82×106，從而判斷流體流動(dòng)處于紊流狀態(tài)，在Fluent計(jì)算過程中選擇湍流模型。

FLUENT提供的湍流模型包括：單方程（Spalart-Allmaras）模型、雙方程模型（標(biāo)準(zhǔn)）κ-e模型、重整化群κ-ε模型、可實(shí)現(xiàn)（Realizable）κ-ε模型）及雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬。

根據(jù)本模型的計(jì)算需求，考慮雷諾數(shù)的大小，選擇雙方程模型（標(biāo)準(zhǔn)κ-e模型），標(biāo)準(zhǔn)模型需要求解湍動(dòng)能及其耗散率方程。湍動(dòng)能輸運(yùn)方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到，但耗散率方程是通過物理推理，數(shù)學(xué)上模擬相似原形方程得到的。該模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略。因此，標(biāo)準(zhǔn)模型只適合完全湍流的流動(dòng)過程模擬。

標(biāo)準(zhǔn)模型的湍動(dòng)能k和耗散率ε方程為如下形式：

在上述方程中，表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生，是用于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;可壓速湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響。湍流粘性系數(shù)。

在FLUENT中，作為默認(rèn)值常數(shù)，=1.44，=1.92，，湍動(dòng)能k與耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為=1.0，=1.3。可以通過調(diào)節(jié)“粘性模型”面板來調(diào)節(jié)這些常數(shù)值。

3.模型求解及結(jié)果分析

當(dāng)流動(dòng)和網(wǎng)格不在一條線上時(shí)（即：流動(dòng)斜穿網(wǎng)格線）一階對(duì)流離散增加了對(duì)流離散的誤差（數(shù)值耗散）。對(duì)于三角形和四面體網(wǎng)格，流動(dòng)從來就不會(huì)和網(wǎng)格成一條線，此時(shí)一般要使用二階離散來獲取更高精度的結(jié)果。因此這里選擇二階精度隱式求解模式。

流場初始化選擇進(jìn)口流速，速度設(shè)為49.1m/s，迭代次數(shù)設(shè)為300。

計(jì)算得到擴(kuò)眼器底部水眼出口平均流速為39.88m/s，從而得到下部出口的流量分配。24mm水眼為18.03L/s，則刀體上流量分配為31.97L/s。17mm水眼，為8.44L/s，刀體上流量分配為41.56L/s。

4.舊式Y(jié)K304-444.5擴(kuò)眼器土耳其UGS-8井?dāng)U眼施工情況

UGS-8井是土耳其鹽湖天然氣地下儲(chǔ)氣庫項(xiàng)目的第一口井，使用舊式Y(jié)K304-444.5液力擴(kuò)眼器。舊式Y(jié)K304-444.5液力擴(kuò)眼器共下井5趟，使用工具三套，實(shí)際擴(kuò)眼井段為1130.50-1459.00m。擴(kuò)眼進(jìn)尺328.50m，平均機(jī)械擴(kuò)速為3.18m/h。影響機(jī)械鉆速的主要原因是刀翼出現(xiàn)泥包，擴(kuò)速慢，影響刀翼張開和收縮。

5.新型YK304-444.5擴(kuò)眼器土耳其UGS-7井?dāng)U眼施工應(yīng)用

UGS-7井是勝利渤海鉆井在土耳其鹽湖天然氣地下儲(chǔ)氣庫項(xiàng)目的第二口井，使用新型YK304-444.5擴(kuò)孔器，在刀翼中間增加清洗流道，使刀翼得到充分清洗。利用Fluent流體分析軟件對(duì)擴(kuò)孔器不同水眼的流量分配進(jìn)行分析，選用合適尺寸的水眼，期望達(dá)到充分清洗效果。

新型YK304-444.5液力擴(kuò)眼器共下井4趟，使用工具兩套（使用情況見表1），其中第一趟由于新改工具沒有及時(shí)到達(dá)井場，使用舊式工具下井應(yīng)急。

該井的擴(kuò)眼施工效果明顯優(yōu)于UGS-8井：

（1）擴(kuò)眼速度明顯提高，平均擴(kuò)眼機(jī)械鉆速達(dá)到6.93m/h，如果排除掉第一趟使用舊式工具的速度，平均機(jī)械擴(kuò)速達(dá)到7.48m/h，比UGS-8井3.18m/h擴(kuò)速提高了一倍。

（2）擴(kuò)后井徑較大，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。UGS-8井?dāng)U后井徑平均約為16″，而本井?dāng)U后基本都大于17″，平均井徑大于17-1/2″。

6.結(jié)論

通過在擴(kuò)眼器底部加不同尺寸的水眼可以調(diào)節(jié)流量在鉆頭和擴(kuò)眼器的不同分配，在擴(kuò)孔器擴(kuò)眼刀體上增加沖洗齒的流道，可以很大程度上改善擴(kuò)眼器的“泥包”現(xiàn)象，從而大大提高機(jī)械鉆速，節(jié)省鉆井時(shí)效。

參考文獻(xiàn)：

1. HR型液力擴(kuò)孔器在埃及GPC油田的應(yīng)用

作者：于海平、劉虎《石油鉆探技術(shù)》

2. 勝利液力擴(kuò)眼器在超深井克深19的應(yīng)用與認(rèn)識(shí)

作者：寧仁磊《中小企業(yè)管理與科技》