陳森強(qiáng)，王新東，蘇 濤，謝正森，武 智，朱玉鋒， 李 浪

(中國(guó)石油西部鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

在水平井鉆井過(guò)程中，容易形成巖屑床。特別是在停泵期間，鉆井液停止循環(huán)，加速了巖屑在井眼低邊沉積，增加了摩阻，甚至導(dǎo)致卡鉆事故。為了清除巖屑床，鉆井現(xiàn)場(chǎng)普遍采用4種方法清潔井眼，即，提高鉆井液返速、改善鉆井液流變性能、短程起下鉆具和使用帶有普通切削裝置的井眼清潔工具。提高鉆井液返速的主要方式是提高鉆井液的排量。但是，隨著鉆井液排量的增加，會(huì)導(dǎo)致松軟地層垮塌或掉塊，增加井下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。改善鉆井液流變性能，前提是調(diào)整鉆井液的配方，或者研發(fā)新的配方，這種方法對(duì)改善鉆井液攜巖和懸浮能力是有限的。另外，通過(guò)定期、定時(shí)、定井段的短程起下鉆具、倒劃眼等措施清除巖屑床，雖然有一定的效果，但影響正常的作業(yè)周期，增加了鉆井成本。使用帶有普通切削裝置的井眼清潔工具，利用邊鉆、邊旋轉(zhuǎn)的辦法，能夠有效地?cái)噭?dòng)巖屑床，改變流場(chǎng)，但破壞巖屑床和攜巖效果不明顯。

非線性螺旋型巖屑床清除工具的外筒設(shè)計(jì)有非線性螺旋攜巖槽，槽道設(shè)計(jì)的正負(fù)角，巧妙地通過(guò)壓力梯度形成渦流，將巖屑吸入槽道并向上推舉，可將井底巖屑有效地傳輸?shù)骄?，大幅提高巖屑返排量，高效清除巖屑床，明顯減少鉆頭的托壓現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)該工具進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，計(jì)算出工具的攜巖運(yùn)移分布和巖屑的滯留量等。通過(guò)對(duì)巖屑床清除工具的攜巖效率進(jìn)行量化分析，并與其它巖屑床清除工具進(jìn)行效果對(duì)比，證明非線性螺旋型巖屑床清除工具具有顯著的攜巖效果，大幅降低井下復(fù)雜，并提高鉆井效率。

1 非線性螺旋型巖屑床清除工具簡(jiǎn)介

1.1 結(jié)構(gòu)

以?127 mm非線性螺旋型巖屑床清除工具為例，如圖1所示，單根巖屑床清除工具由本體、上接頭、非線性螺旋槽、下接頭組成，整個(gè)工具不存在活動(dòng)部件。該工具通過(guò)上、下接頭螺紋與其他鉆具連接。螺旋槽為巖屑床清除工具的核心結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)巖屑床的有效清除。每組螺旋槽分為扶正支撐區(qū)與流動(dòng)清洗區(qū)，扶正支撐區(qū)螺旋槽流道的螺旋角大于流動(dòng)清洗區(qū)的螺旋角。

圖1 ?127 mm 非線性螺旋型巖屑床清除工具結(jié)構(gòu)示意

1.2 工作原理

非線性螺旋型巖屑床清除工具與造斜段和水平段鉆桿連接，使其隨著鉆桿一起旋轉(zhuǎn)。因?yàn)槁菪鄣奶厥鈳缀谓Y(jié)構(gòu)，以及機(jī)械旋轉(zhuǎn)，巖屑床清除工具會(huì)對(duì)巖屑床施加水力擾動(dòng)與機(jī)械破壞的雙重作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)井眼中沉積巖屑的清潔，可以有效清除巖屑床，并抑制巖屑床的生成。其主要工作原理體現(xiàn)在4個(gè)方面：

1) 工具正常工作時(shí)，其旋轉(zhuǎn)引發(fā)環(huán)空中鉆井液形成紊流，使得已沉積的巖屑床重新懸浮。

2) 螺旋槽外徑大于工具本體外徑，使得螺旋槽處環(huán)空截面積小于工具本體處的環(huán)空截面積，鉆井液流經(jīng)螺旋槽處環(huán)空時(shí)速度迅速增加，對(duì)巖屑床上層顆粒實(shí)現(xiàn)沖刷，并對(duì)整體巖屑床朝出口方向施加軸向推動(dòng)力，由此帶動(dòng)懸浮的巖屑顆粒快速通過(guò)此處環(huán)空。

3) 巖屑床清除工具正常工作時(shí)，鉆桿的旋轉(zhuǎn)直接帶動(dòng)螺旋槽轉(zhuǎn)動(dòng)。由于螺旋槽的特定曲線與凹槽結(jié)構(gòu)，螺旋槽周圍的鉆井液流動(dòng)方向?qū)l(fā)生改變，同時(shí)鉆井液會(huì)在螺旋槽中產(chǎn)生旋流，使鉆井液的壓力得到進(jìn)一步提高，提高其流速。

4) 單根工具上布置有3組螺旋槽，每組均為多線螺旋槽結(jié)構(gòu)，可增加對(duì)巖屑床的連續(xù)性破壞效應(yīng)。

2 液固耦合的攜巖流場(chǎng)仿真分析模型

2.1 結(jié)構(gòu)模型建立

非線性螺旋型巖屑床清除工具最主要的特征之一就是螺旋槽結(jié)構(gòu)，它可以改變環(huán)空流場(chǎng)的流動(dòng)特性，對(duì)沉積在井底的巖屑產(chǎn)生有力地沖刷，合理的槽道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在一定程度上把巖屑導(dǎo)向井眼上方。單根巖屑床清除工具一般設(shè)計(jì)3組螺旋槽，每組螺旋槽將對(duì)附近巖屑床產(chǎn)生相同的攜巖效果，所以僅對(duì)其中1組螺旋槽的攜巖流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬是合理的。以?127 mm非線性螺旋型巖屑床清除工具為分析對(duì)象，建立如圖2a所示的結(jié)構(gòu)模型。為了對(duì)比分析屑床清除工具的攜巖流場(chǎng)與攜巖效果，建立直棱槽型(2段螺旋角均為0°)屑床清除工具的結(jié)構(gòu)模型(如圖2b)，以及光桿型巖屑床清除工具的結(jié)構(gòu)模型(如圖2c)。

圖2 巖屑床清除工具的結(jié)構(gòu)模型

將水平井井底壁面簡(jiǎn)化為光滑的圓柱面，分析軟件通過(guò)(布爾減)運(yùn)算功能建立巖屑床清除工具攜巖流場(chǎng)的計(jì)算域幾何模型，如圖3所示，整體計(jì)算域幾何模型分為旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域2個(gè)區(qū)域。在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，2個(gè)區(qū)域之間會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)交換面?zhèn)鬟f計(jì)算信息。

圖3 巖屑床清除工具攜巖流場(chǎng)計(jì)算域幾何模型

2.2 攜巖流場(chǎng)計(jì)算域的耦合模型與網(wǎng)格劃分

液固耦合計(jì)算的效率和精確性主要取決于整體計(jì)算區(qū)域的模型準(zhǔn)確建立和網(wǎng)格劃分。巖屑床清除工具攜巖流場(chǎng)計(jì)算域的模型建立如圖4所示，其中井壁面部分網(wǎng)格進(jìn)行了隱藏處理。為了獲取更為準(zhǔn)確的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，以非線性螺旋型巖屑床清除工具為例，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行二次細(xì)化與綜合修正后，最終獲取的體網(wǎng)格數(shù)量為791 315，面網(wǎng)格數(shù)量為3 839 536，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 149 671。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為5 mm，為DEM顆粒直徑的1.25倍，該模型的建立滿足耦合計(jì)算的要求。

圖4 巖屑床清除工具攜巖流場(chǎng)計(jì)算域的網(wǎng)格劃分

2.3 仿真計(jì)算的邊界條件

通過(guò)對(duì)巖屑的形成進(jìn)行力學(xué)分析，并與常規(guī)力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，假設(shè)巖屑的力學(xué)性能會(huì)因?yàn)橥饨绲钠茐淖饔枚兴档?，依?jù)工程經(jīng)驗(yàn)和常規(guī)泥巖或頁(yè)巖的力學(xué)性能設(shè)定巖屑參數(shù)，巖屑參數(shù)如表1～2所示。

表1 巖屑屬性參數(shù)

表2 巖屑接觸力學(xué)參數(shù)

考慮到井深與泵壓的雙重作用，模擬井底絕對(duì)壓力為60 MPa，模擬過(guò)程中的鉆井液密度為1 700 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.05 Pa·s。鉆井液排量為30 L/s，換算獲得進(jìn)口處鉆井液流速為1.2 m/s。工具轉(zhuǎn)速為60 r/min，并假定機(jī)械鉆速為10 m/h，獲取的巖屑從進(jìn)口處流入計(jì)算域的體積流率為1.016×10-4m3/s。采用剛體轉(zhuǎn)動(dòng)模型模擬巖屑床清除工具的旋轉(zhuǎn)。仿真計(jì)算的流體邊界條件為速度進(jìn)口，壓力出口，工具壁面為運(yùn)動(dòng)無(wú)滑移邊界，井壁面為固定無(wú)滑移邊界，鉆井液、巖屑、壁面之間均無(wú)熱傳遞、無(wú)穿透。重力方向垂直于工具軸向向下，重力加速度取值9.81 m/s2。

2.4 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

使用液固耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)巖屑床清除工具攜巖流場(chǎng)的數(shù)值模擬離不開(kāi)計(jì)算求解器的合理設(shè)置。結(jié)合Rayleigh時(shí)間步準(zhǔn)則，DEM求解器的時(shí)間步與計(jì)算域中顆粒的物理屬性有關(guān)，巖屑床清除工具攜巖流場(chǎng)數(shù)值模擬流程如圖5所示。

圖5 巖屑床清除工具攜巖流場(chǎng)數(shù)值模擬流程

為模擬出較為準(zhǔn)確的值，將巖屑顆粒在整個(gè)計(jì)算域中均勻生成，并設(shè)定1 m/s的初始速度促使巖屑沿重力方向快速運(yùn)移。在0.5～3.0 s使計(jì)算域中的巖屑沉降至井底壁面，形成固定巖屑床，如圖6所示。為保證耦合計(jì)算的穩(wěn)定性，在3.0～3.1 s對(duì)鉆井液?jiǎn)蜗嗔鬟M(jìn)行一次瞬態(tài)求解，監(jiān)測(cè)相關(guān)物理量并達(dá)到收斂以保證液固耦合計(jì)算前已經(jīng)擁有完全求解CFD控制方程的穩(wěn)定連續(xù)相環(huán)境。從3.1 s開(kāi)始，可同時(shí)打開(kāi)CFD與DEM求解器將巖屑與鉆井液以指定方式同時(shí)從進(jìn)口處排入計(jì)算域，實(shí)現(xiàn)井底鉆井液與巖屑的雙向耦合計(jì)算，從而模擬巖屑床清除工具的正常工作狀態(tài)。在工具以10 m/s鉆進(jìn)地層的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)固定巖屑床的清除和對(duì)巖屑顆粒的運(yùn)移，通過(guò)模擬計(jì)算鉆井液在單相流時(shí)對(duì)其進(jìn)、出口總的質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)鉆井液?jiǎn)蜗嗔鬟M(jìn)行一次瞬態(tài)求解，可求得鉆井液進(jìn)、出口總質(zhì)量的最大值。

圖6 巖屑床數(shù)值模擬圖(巖屑沉降至井底壁面)

3 三種巖屑床清除工具攜巖流場(chǎng)對(duì)比分析

以非線性螺旋型、直棱型、光桿型3種巖屑床清除工具作為研究對(duì)象，在各項(xiàng)數(shù)值模擬參數(shù)一致的情況下，分析對(duì)比3種工具攜巖流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果。

3.1 初始流場(chǎng)的流線對(duì)比(3.1 s時(shí)刻)

圖7為鉆井液在進(jìn)行單相流計(jì)算后，3.1 s時(shí)刻的初始流場(chǎng)流線的對(duì)比情況。觀察發(fā)現(xiàn)，3種工具的攜巖初始流場(chǎng)流線均出現(xiàn)了不同程度的旋流。旋流出現(xiàn)的原因在于：已存在計(jì)算域中的固定巖屑床占據(jù)了井筒環(huán)空中鉆井液的流動(dòng)區(qū)域，阻礙了井筒底部鉆井液的流動(dòng)，促使大量鉆井液向井筒頂部流竄，形成旋流。

圖7 初始流場(chǎng)(3.1 s時(shí)刻)的流線對(duì)比

由于3種工具結(jié)構(gòu)形狀的不同，鉆井液的流動(dòng)區(qū)域并不相同，將導(dǎo)致旋流出現(xiàn)的區(qū)域有所不同。對(duì)比旋流區(qū)域的位置可知，非線性螺旋型工具的旋流更加靠近工具的功能核心區(qū)(螺旋槽處)，這將更易于激發(fā)螺旋槽附近處的巖屑發(fā)生二次懸浮，增強(qiáng)工具對(duì)巖屑床的清除作用。同時(shí)，各旋流處的鉆井液流速更高，擾動(dòng)巖屑床的上層顆粒，有利于其二次懸浮。

3.2 巖屑床清除后流場(chǎng)的流線對(duì)比

通過(guò)對(duì)3種工具的攜巖流場(chǎng)進(jìn)行液固耦合計(jì)算分析對(duì)比，如圖8為4.5 s時(shí)刻，巖屑床被完全清除后的流場(chǎng)中流線的對(duì)比，鉆井液的流動(dòng)變得更為順暢，因巖屑滯留量的減少，且?guī)r屑基本處于懸浮狀態(tài)(圖中的懸浮巖屑被隱藏)，使得鉆井液的流動(dòng)區(qū)域變得更大，鉆井液的旋流現(xiàn)象急劇減少。同時(shí)，因?yàn)殂@桿鉆速較低，鉆井液的軸向流速高于切向流速，所以旋流現(xiàn)象并不明顯。對(duì)于懸浮的巖屑顆粒而言，無(wú)旋流的存在則對(duì)其運(yùn)移更為有利。

圖8 巖屑床清除后流場(chǎng)(4.5 s時(shí)刻)的流線對(duì)比

綜合以上的流線現(xiàn)象，筆者認(rèn)為巖屑床的存在對(duì)鉆井液的流動(dòng)有著較大影響，容易引發(fā)鉆井液旋流的產(chǎn)生。若結(jié)合非線性螺旋型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得旋流出現(xiàn)在核心功能區(qū)，這對(duì)固定巖屑床中巖屑顆粒的二次懸浮實(shí)則有利，從而有利于破壞巖屑床，當(dāng)巖屑床被完成清除后，巖屑均處于懸浮狀態(tài)，此時(shí)鉆井液將處于更為穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，可引導(dǎo)懸浮巖屑顆粒更為快速地離開(kāi)井底。因此，從流線對(duì)比分析來(lái)看，非線性螺旋型結(jié)構(gòu)的巖屑床清除工具對(duì)固定巖屑床以及懸浮巖屑的運(yùn)移均具有“正向激勵(lì)”作用。

4 巖屑體積分?jǐn)?shù)對(duì)比分析

4.1 屑床清除工具4個(gè)截面處的巖屑分布

如圖9所示，非線性螺旋型與光桿型屑床清除工具的固定巖屑床基本被清除，懸浮巖屑顆粒較少，總體的巖屑體積分?jǐn)?shù)較低，而直棱型還有大量懸浮的巖屑未被清除，該部分懸浮的巖屑顆粒受工具的旋轉(zhuǎn)作用而主要集中在截面右上角區(qū)域。為了更全面對(duì)比不同工具對(duì)巖屑床的攜巖作用和效果，將工具分成4個(gè)截面，截面1在工具螺旋的下端，截面2在第2段螺旋槽，截面3在第1段螺旋槽，截面4在螺旋上端，截面位置如圖9所示。對(duì)比4個(gè)截面上的巖屑體積分?jǐn)?shù)，非線性螺旋型屑床清除工具對(duì)應(yīng)的各截面上的平均巖屑體積分?jǐn)?shù)明顯低于其他2種類型，說(shuō)明非線性螺旋型屑床清除工具已經(jīng)清除了大量的巖屑，螺旋槽凹陷處展現(xiàn)出更大巖屑體積分?jǐn)?shù)(圖9a，截面2)，說(shuō)明螺旋槽對(duì)巖屑顆粒起到了“挖掘”效應(yīng)，利于巖屑顆粒的懸浮與提升。

圖9 在3.5 s時(shí)不同類型工具的4個(gè)截面上的巖屑體積分?jǐn)?shù)

4.2 巖屑滯留量對(duì)比

為了量化巖屑床清除工具的攜巖效應(yīng)，引入巖屑滯留量進(jìn)行對(duì)比分析。巖屑滯留量是指任意時(shí)刻整個(gè)計(jì)算流體域中剩余巖屑的總數(shù)量。在一定時(shí)間內(nèi)，巖屑滯留量越少，說(shuō)明巖屑可以越快離開(kāi)水平井井底，巖屑床可以被快速清除，巖屑床清除工具將表現(xiàn)出較優(yōu)的攜巖性能。

圖10為3種不同類型巖屑床清除工具的巖屑滯留量對(duì)比，非線性螺旋型巖屑床清除工具的巖屑滯留量的減少速率大于其它兩種工具。由此說(shuō)明，非線性螺旋型巖屑床清除工具展現(xiàn)出更好的攜巖性能，由其產(chǎn)生的攜巖流場(chǎng)更加利于對(duì)固定巖屑床的破壞和清除。

圖10 3種類型工具的巖屑滯留量

為更加精確地描述巖屑床清除工具的提升效果，引入巖屑清除提升率的概念。巖屑清除提升率是指任意時(shí)刻非線性螺旋型工具當(dāng)然巖屑滯留量絕對(duì)差值比另一種類型的巖屑滯留量，可以反映出在使用非線性螺旋型巖屑床清除工具后對(duì)井底巖屑床破壞的提升效率。通過(guò)計(jì)算和對(duì)比分析得出，在相同工況下，非線性螺旋型比光桿型的巖屑清除效率提高約20%～30%，非線性螺旋型比直棱型的巖屑清除效率提高約30%～40%。

5 結(jié)論

1) 基于液固耦合的數(shù)值模擬方法，模擬了巖屑床清除工具的攜巖過(guò)程。

2) 從流線對(duì)比分析來(lái)看，非線性螺旋型結(jié)構(gòu)的巖屑床清除工具對(duì)固定巖屑床以及懸浮巖屑的運(yùn)移均具有“正向激勵(lì)”作用。

3) 相比于直棱型與光桿型的巖屑床清除工具，非線性螺旋型的巖屑床清除工具具有更好的攜巖性能。在相同工況下，非線性螺旋型工具比光桿型工具的巖屑清除效率提高約20%～30%，非線性螺旋型工具比直棱型工具的巖屑清除效率提高約30%～40%。

4) 非線性螺旋型巖屑床清除工具的攜巖機(jī)理在于水力與機(jī)械的雙重作用，可激發(fā)固定巖屑床產(chǎn)生二次懸浮，使懸浮后巖屑顆粒同時(shí)具有流向出口的軸向速度和沖擊巖屑床的切向速度，促進(jìn)了整體巖屑床的清除和巖屑的運(yùn)移。