紀(jì)國(guó)棟 汪海閣 黃洪春 孟 昭 崔 柳 郭衛(wèi)紅

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院

0 引言

在水平井、大位移井、多分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井作業(yè)過(guò)程中，其水平井段巖屑容易堆積形成巖屑床，進(jìn)而出現(xiàn)井眼不清潔的問(wèn)題[1-2]。如果不能及時(shí)將井眼環(huán)空內(nèi)的巖屑除去，巖屑將逐漸堆積在井眼環(huán)空低邊，導(dǎo)致鉆柱摩阻扭矩大、托壓嚴(yán)重，致使長(zhǎng)水平段水平井鉆井速度慢、周期長(zhǎng)、成本高，嚴(yán)重時(shí)甚至造成卡鉆、鉆具斷落等井下安全事故[3-4]。因此提高水平井段井眼清潔效率、抑制巖屑床生成，是確保鉆井作業(yè)高效平穩(wěn)運(yùn)行的重要手段之一。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)環(huán)空井筒內(nèi)的巖屑運(yùn)移問(wèn)題開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[5-7]。Sorgun[8]對(duì)鉆桿旋轉(zhuǎn)下巖屑運(yùn)移對(duì)壓力損失的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明巖屑的堆積現(xiàn)象會(huì)引起環(huán)空內(nèi)壓力的下降，鉆桿的旋轉(zhuǎn)作用可以顯著減少井筒環(huán)空內(nèi)鉆井液的摩擦壓力損失，提高井筒環(huán)空內(nèi)巖屑的清潔效率；WANG 等[9]使用CFD 軟件對(duì)井筒環(huán)空內(nèi)液固兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，準(zhǔn)螺旋流是水平環(huán)空內(nèi)液固運(yùn)移的主要流型，鉆桿的旋轉(zhuǎn)增加了環(huán)空內(nèi)固體顆粒和液體的擾動(dòng)；SUN 等[10]使用CFD 軟件采用歐拉多相流模型模擬了鉆桿旋轉(zhuǎn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖屑運(yùn)移行為的影響，結(jié)果表明鉆桿旋轉(zhuǎn)作用會(huì)顯著影響井筒環(huán)空內(nèi)巖屑分布狀態(tài)。鉆桿旋轉(zhuǎn)作用對(duì)巖屑運(yùn)移具有重要影響，因?yàn)樗梢栽诃h(huán)空內(nèi)誘導(dǎo)螺旋流，促進(jìn)巖屑顆粒的運(yùn)移。近年來(lái)，閆鐵等[11-13]提出了一種螺旋葉片式巖屑床清潔工具，該工具在鉆桿管體上加工若干螺旋形狀的葉片，通常葉片直徑與鉆桿接頭接近并與鉆桿連接使用。Puymbroeck 等[14-16]介紹了一種帶有雙螺旋葉片短節(jié)的復(fù)合井眼清潔工具，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明該工具具有極好的巖屑床破壞能力，提高井眼清潔程度超過(guò)60%，鉆具摩阻減少30%。Rodman 等[17]研制了一種葉片式巖屑清潔工具，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明其可有效解決井眼凈化和井眼質(zhì)量差的問(wèn)題。Heitmann等[18]研制了一種在鉆桿上放置多簇“V”形葉片的巖屑清潔工具，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明可有效地節(jié)省鉆井時(shí)間，并減少了套管和鉆頭的磨損問(wèn)題。這一領(lǐng)域現(xiàn)有研究成果表明，“V”形葉片巖屑床清潔工具可以在環(huán)空內(nèi)誘導(dǎo)強(qiáng)烈的螺旋流動(dòng)現(xiàn)象，有效地促進(jìn)了巖屑運(yùn)移，在工業(yè)應(yīng)用中的取得良好效果，但仍有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步探討，如葉片旋轉(zhuǎn)速度和螺旋角等參數(shù)對(duì)巖屑床清除效果的影響尚不明確，而這些對(duì)于該巖屑床清潔工具的優(yōu)化和設(shè)計(jì)具有重要的意義。

“V”形葉片旋轉(zhuǎn)作用后的環(huán)空固液流動(dòng)十分復(fù)雜，固相和液相間存在復(fù)雜的動(dòng)量交換，暫時(shí)還沒(méi)有求解固液兩相納維—斯托克斯方程（N-S 方程）解析解的方法，近些年計(jì)算流體數(shù)值模擬技術(shù)（CFD）通過(guò)求解N-S 方程得到了廣泛的應(yīng)用，通過(guò)模擬可以觀察到葉片作用后環(huán)空流場(chǎng)的固液流動(dòng)細(xì)節(jié)，作為實(shí)驗(yàn)研究的有益補(bǔ)充。為此，筆者應(yīng)用CFD 數(shù)值模擬方法，采用歐拉—?dú)W拉雙流體模型對(duì)“V”形葉片巖屑床清潔工具的葉片旋轉(zhuǎn)速度和螺旋角進(jìn)行了優(yōu)化，分析了不同條件下的環(huán)空內(nèi)巖屑體積分?jǐn)?shù)分布情況，并將優(yōu)化后的參數(shù)應(yīng)用于巖屑床清潔工具設(shè)計(jì)與加工，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施應(yīng)用取得了較好的井眼清潔效果。

1 工具建模與數(shù)值模擬參數(shù)優(yōu)化

1.1 “V”形葉片巖屑床清潔工具建模及網(wǎng)格劃分

圖1 葉片螺旋角示意圖

邊界條件為速度入口和壓力出口，鉆桿及井筒壁面采用無(wú)滑移壁面條件。壁面邊界條件用于描述流體介質(zhì)與固體接觸區(qū)域流場(chǎng)變量的分布情況，考慮鉆井液的黏性，當(dāng)流體沿井筒表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩者之間沒(méi)有相對(duì)滑移，故將壁面設(shè)置為固體壁面邊界條件。整個(gè)井筒環(huán)空流場(chǎng)及清潔工具附近流場(chǎng)進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。采用滑移網(wǎng)格法解決靜止域和轉(zhuǎn)動(dòng)域之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。整個(gè)流場(chǎng)由鉆桿、清潔工具和靜止環(huán)空3 部分組成。清潔工具計(jì)算區(qū)域包含轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋葉片，網(wǎng)格全部采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，近壁面采取加密的方式，總體網(wǎng)格數(shù)量為554 600 個(gè)，環(huán)空流域及局部網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖2 環(huán)空流域及巖屑床清潔工具附近網(wǎng)格劃分圖

1.2 CFD 模擬數(shù)值求解方程

由于本文巖屑床清潔工具的旋轉(zhuǎn)作用下的數(shù)值模擬研究，需要考慮到環(huán)空內(nèi)流體流動(dòng)為湍流，且流動(dòng)中存在高速旋轉(zhuǎn)情況，為了更好地處理流場(chǎng)中高應(yīng)變率和流線彎曲程度較大的流動(dòng)，湍流模型選擇的是可實(shí)現(xiàn)的 k-ε 模型[19]。歐拉—?dú)W拉雙流體模型中所采用的控制方程如下所示：

連續(xù)性方程：

對(duì)于鉆井液與巖屑固液兩相流動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，相間曳力是鉆井液與巖屑顆粒相間耦合作用力，對(duì)巖屑保持懸浮和沖蝕巖屑床起到?jīng)Q定性作用。固液曳力研究主要有Syamlal-O' Brien 模型[20]、Wen & Yu模型[21]、Gidaspow 模型[22]等，其中以Gidaspow 模型的應(yīng)用最為廣泛，并且具有較好的預(yù)測(cè)精度[23-24]。Gidaspow 模型是將Ergun 模型[25]和Wen & Yu 模型相結(jié)合。Huilin 等[26]提出了一種改進(jìn)后的Gidaspow模型，用以修正曳力函數(shù)的不連續(xù)現(xiàn)象，在該模型下，用于計(jì)算相間曳力的液固相間動(dòng)量交換系數(shù)有如下形式：

當(dāng)αl≤0.8 時(shí)，液固相間交換系數(shù)可以用Ergun方程表示為：

當(dāng)αl＞0.8 時(shí)，液固相間交換系數(shù)可以用Wen & Yu 方程表示為：

拖拽系數(shù)CD可表示為：

巖屑的顆粒雷諾數(shù)定義為：

式中ds表示巖屑粒徑。

各相的應(yīng)力—應(yīng)變張量可表示為：

k-ε 模型中的湍動(dòng)能（k）、耗散率（ε）為：

CFD 可由6 個(gè)步驟進(jìn)行求解：初值設(shè)定、求解控制、求解監(jiān)視、CFD 計(jì)算、收斂檢查、停止。

1.3 模擬結(jié)果與分析

模擬時(shí)采用與實(shí)際鉆井參數(shù)接近的工況，重點(diǎn)考察工具轉(zhuǎn)速和螺旋角兩個(gè)參數(shù)對(duì)環(huán)空流動(dòng)和巖屑分布的影響規(guī)律。鉆井液密度1 500 kg/m3，黏度30 mPa·s，排量30 L/s 巖屑顆粒密度2 500 kg/m3，粒徑5 mm，井斜角90°，清潔工具環(huán)空偏心度0.5。模擬轉(zhuǎn)速（n）和螺旋角（α）參數(shù)組合如表1 所示。

表1 模擬中采用的參數(shù)變化表

葉片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可以將葉片的機(jī)械能傳遞給流體，葉片轉(zhuǎn)速的提高可以使流體獲得更多的切向動(dòng)能。圖3 所示為螺旋角（α）為20°時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下葉片后端0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m 處的環(huán)空內(nèi)巖屑體積分?jǐn)?shù)分布云圖。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下的環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)分布云圖（α=20°）

葉片旋轉(zhuǎn)后誘導(dǎo)螺旋流沿流動(dòng)方向逐漸衰減，傳遞給顆粒的切向動(dòng)能逐漸減小，直至螺旋流動(dòng)耗散消失。隨著葉片轉(zhuǎn)速的增加，同一截面處巖屑顆粒的沉積現(xiàn)象開(kāi)始逐漸得到緩解。轉(zhuǎn)速分別為80 r/min、100 r/min，120 r/min、160 r/min 和200 r/min 時(shí)，環(huán)空底部的巖屑沉積發(fā)生了一定程度的偏轉(zhuǎn)，并且轉(zhuǎn)速越大這種偏轉(zhuǎn)越明顯。這正是螺旋流的旋流效應(yīng)改變了巖屑顆粒在環(huán)空底部的沉積分布濃度。

從表2 中可以看出，環(huán)空壓降損失隨著螺旋角和轉(zhuǎn)速的增加而增大，在螺旋角較大時(shí)這種現(xiàn)象更為明顯。這是由于“V”形葉片誘導(dǎo)螺旋流主要是依靠流體慣性引起的脫流造成相對(duì)負(fù)壓引起的。當(dāng)螺旋角較小時(shí)，葉片的脫流效應(yīng)減弱，而第一段逆時(shí)針葉片的強(qiáng)制引流效應(yīng)更強(qiáng)，超過(guò)流體脫流所引起的相對(duì)負(fù)壓的影響，當(dāng)螺旋角增大后，相對(duì)負(fù)壓效應(yīng)迅速增大。這說(shuō)明螺旋角增加到一定程度會(huì)造成很大的環(huán)空壓力損失，會(huì)給鉆井作業(yè)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

表2 不同轉(zhuǎn)速下環(huán)空壓降損失計(jì)算結(jié)果表

圖4 所示為不同轉(zhuǎn)速下環(huán)空低邊處的巖屑切向速度分布曲線。清潔工具的旋轉(zhuǎn)作用會(huì)顯著提高附近區(qū)域鉆井液的湍流強(qiáng)度，在局部區(qū)域形成強(qiáng)制渦流，提高附近區(qū)域鉆井液的擾動(dòng)現(xiàn)象，從而起到對(duì)巖屑床的沖刷作用，促使更多的巖屑顆?？梢詰腋≡诃h(huán)空內(nèi)，有利于巖屑從井眼環(huán)空攜帶上返。由于葉片誘導(dǎo)的螺旋流均具有較高的切向動(dòng)能，更易于克服重力的負(fù)面影響，顆粒的切向速度值隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。隨著轉(zhuǎn)速的增大，環(huán)空內(nèi)巖屑床清除效果逐漸增強(qiáng)，巖屑床清潔工具的有效作用距離長(zhǎng)度都超過(guò)2 m。

綜合考慮不同螺旋角下的模擬結(jié)果，認(rèn)為螺旋角為20°時(shí)的“V”形葉片滿足工程上的設(shè)計(jì)需求。這是因?yàn)?，隨著螺旋角的增大，環(huán)空內(nèi)的巖屑沉積現(xiàn)象逐漸得到緩減，但這種效應(yīng)隨著螺旋角的增加而顯著降低。同時(shí)，隨著螺旋角的增加，環(huán)空內(nèi)的壓力損耗顯著增大，增加螺旋角帶來(lái)的井眼清潔效果并不能抵消其所造成的環(huán)空壓力損失，環(huán)空壓力損失增大會(huì)增加泵壓，增加運(yùn)行成本，甚至造成井底漏失等安全事故。

2 工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工

基于數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果，考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況以及保徑、井眼修復(fù)需要，同時(shí)滿足具有強(qiáng)烈的螺旋流誘導(dǎo)能力和降低的壓降損失的需求，設(shè)計(jì)加工了實(shí)體工具。工具隨鉆柱旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，通過(guò)前端的流體變速截面對(duì)環(huán)空固液兩相流體一次擾流，隨后“V”形螺旋葉片攪動(dòng)誘導(dǎo)產(chǎn)生螺旋流可將擾動(dòng)后的巖屑床顆粒重新懸浮，并通過(guò)葉片刮削作用清除巖屑床，實(shí)現(xiàn)井眼凈化，有效降低摩阻扭矩，保證起下鉆、電測(cè)、下套管等作業(yè)安全。工具除水力旋流、機(jī)械刮削作用清除巖屑床、凈化井眼之外，保徑結(jié)構(gòu)還可以修復(fù)井眼，減輕或消除微狗腿，提高井眼質(zhì)量和規(guī)則程度。優(yōu)化后的巖屑床清潔工具的主要技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

根據(jù)優(yōu)化的參數(shù)完成了巖屑床清潔工具樣機(jī)加工如圖5 所示，主要由公接頭、本體、流體變速截面、“V”形反螺旋葉片、硬質(zhì)合金片、母接頭等幾部分組成。

選用高標(biāo)準(zhǔn)石油鉆具鋼（屈服強(qiáng)度835 MPa）作為巖屑床清潔工具加工原料，利用有限元軟件對(duì)巖屑床清潔工具進(jìn)行強(qiáng)度分析，考慮“受拉400 kN+受扭30 kN·m”和“受拉1 000 kN”兩種極端條件下的受力情況，分析結(jié)果如表4 所示，最大拉應(yīng)力分別為323.2 MPa 和222.2 MPa，安全系數(shù)分別為2.88和4.18，均超過(guò)鉆柱強(qiáng)度安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)（一般取1.30），證明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足工具下井工作條件。

表3 巖屑床清潔工具技術(shù)參數(shù)表

圖5 “V”形水平井巖屑床清潔工具加工實(shí)物圖

表4 有限元軟件對(duì)巖屑床清潔工具進(jìn)行強(qiáng)度分析表

工具下井前開(kāi)展了強(qiáng)度測(cè)試（圖6），測(cè)試受力標(biāo)準(zhǔn)高于井下鉆柱受力環(huán)境。

測(cè)試結(jié)果表明，工具在承受2 000 kN 軸向拉力、2 000 kN 軸向壓力和40 kN·m 扭力的載荷施加之后，探傷檢測(cè)結(jié)構(gòu)無(wú)損傷，表明工具強(qiáng)度能滿足下井工作條件。

圖6 巖屑床清潔工具強(qiáng)度測(cè)試照片

3 巖屑床清潔工具現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

長(zhǎng)寧H25-7 井是川渝地區(qū)一口大偏移距三維頁(yè)巖氣水平井，設(shè)計(jì)井深4 922 m，水平段長(zhǎng)1 500 m，井斜95.9°。工具出井照片如圖7 所示。

圖7 巖屑床清潔工具出井照片

該井鉆至井深4 355 m，巖屑返出量大幅減少，鉆柱摩阻高達(dá)240 kN，分析認(rèn)為井內(nèi)存在巖屑床堆積，導(dǎo)致井眼不暢通。起鉆安裝巖屑床清潔工具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，工具安裝位置距離鉆頭377.87 m，隨鉆應(yīng)用井段4 573 m ～4 965 m，進(jìn)尺392 m，下井工作時(shí)間196 h，純鉆時(shí)間85.83 h，平均機(jī)械鉆速4.57 m/h。起鉆過(guò)程中對(duì)井斜70°左右的巖屑床堆積嚴(yán)重井段進(jìn)行大排量高轉(zhuǎn)速往復(fù)劃眼，之后循環(huán)洗井2 h保證破壞后的巖屑床顆粒順利返至地面，應(yīng)用過(guò)程中振動(dòng)篩巖屑返出明顯增加，鉆柱摩阻由之前的240 kN 下降到180 kN，摩阻降低33%，起下鉆通暢、無(wú)阻卡，工具應(yīng)用過(guò)程中未發(fā)生井下復(fù)雜事故，發(fā)揮了良好的井眼清潔作用，保障了后期電測(cè)、下套管安全順利。工具出井后葉片完好，硬質(zhì)合金片無(wú)損傷，最大外徑僅磨損0.8 mm，驗(yàn)證了工具的強(qiáng)度和葉片的耐磨性能。

4 結(jié)論

通過(guò)CFD 數(shù)值模擬，采用歐拉—?dú)W拉雙流體模型結(jié)合顆粒動(dòng)力學(xué)理論，研究了螺旋角、轉(zhuǎn)速參數(shù)對(duì)巖屑床清潔工具誘導(dǎo)螺旋流動(dòng)衰減規(guī)律及巖屑顆粒重新懸浮分布的影響?；跀?shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)了巖屑床清潔工具，完成樣機(jī)加工和室內(nèi)測(cè)試，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1）巖屑床清潔工具對(duì)井筒中巖屑顆粒的清潔效果明顯優(yōu)于無(wú)葉片鉆桿，鉆桿外加清潔工具可有利于巖屑顆粒的懸浮擴(kuò)散從而提高井眼清潔效率。螺旋葉片的螺旋角和轉(zhuǎn)速等都影響清潔效果，通過(guò)對(duì)比不同螺旋角的清潔效果發(fā)現(xiàn)螺旋角較大時(shí)清除效果好。

2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明巖屑床清潔工具能有效地清潔井眼，應(yīng)用過(guò)程中巖屑返出明顯，與上趟鉆相比，井底鉆柱摩阻顯著降低，為后期電測(cè)、下套管創(chuàng)造了良好的井眼條件。使用巖屑床清潔工具期間鉆進(jìn)作業(yè)正常，應(yīng)用后起下鉆通暢、無(wú)阻卡，未出現(xiàn)任何復(fù)雜事故，證明了工具用于頁(yè)巖氣水平井隨鉆清除巖屑床、清潔井眼作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性。

3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)總結(jié)了一套水平井井眼清潔作業(yè)工藝流程：①利用巖屑床監(jiān)測(cè)分析軟件對(duì)巖屑床分布進(jìn)行評(píng)估，優(yōu)化巖屑床清潔工具安放位置；②使用巖屑床清潔工具隨鉆破壞并清除巖屑床；③起鉆過(guò)程中對(duì)巖屑床堆積重點(diǎn)井段進(jìn)行反復(fù)劃眼作業(yè)并循環(huán)洗井，將頑固性大顆粒巖屑床破壞并循環(huán)出井，為水平井提速提效、后期下套管作業(yè)創(chuàng)造更有利的井筒條件。