陳穎杰，鄧傳光，常洪渠，李向碧，馬天壽

1．中國(guó)石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部，四川 成都 610041 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都 610500

欠尺寸穩(wěn)定器環(huán)空流場(chǎng)特性模擬*

陳穎杰1，鄧傳光1，常洪渠1，李向碧1，馬天壽2

1．中國(guó)石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部，四川 成都 610041 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都 610500

欠尺寸穩(wěn)定器在頁巖氣導(dǎo)向鉆井中具有控制井眼軌跡、降低摩阻/扭矩、減少鉆具阻卡的風(fēng)險(xiǎn)和改善井眼清潔狀況等多重作用，但欠尺寸螺旋穩(wěn)定器作用下的環(huán)空流場(chǎng)特性和作用機(jī)理并不完善。為此，采用時(shí)均紊流黏性模型法和Realizable k–ε湍流模型，對(duì)欠尺寸螺旋穩(wěn)定器環(huán)空流體流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬。模擬結(jié)果表明，在穩(wěn)定器環(huán)空入口段的環(huán)空流動(dòng)較穩(wěn)定，靠近穩(wěn)定器位置開始出現(xiàn)擾動(dòng)；在穩(wěn)定器環(huán)空中下游（穩(wěn)定器外側(cè)和出口段）環(huán)空流速、總壓力和動(dòng)壓力的分布均出現(xiàn)了3個(gè)軸對(duì)稱的流動(dòng)區(qū)域，該流動(dòng)區(qū)域的形成、發(fā)展和分布規(guī)律基本呈螺旋狀，這種螺旋流動(dòng)狀態(tài)有利清除井壁巖屑床；而且該段流場(chǎng)渦量較大，流動(dòng)跡線的發(fā)展也極不規(guī)律，即穩(wěn)定器的螺旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)致流體發(fā)生繞流，繞流時(shí)形成了大量的漩渦流動(dòng)，伴隨產(chǎn)生了較大的動(dòng)壓力，而動(dòng)壓力誘發(fā)的激振力會(huì)加劇鉆柱的振動(dòng)。

頁巖氣；導(dǎo)向鉆具；螺旋穩(wěn)定器；欠尺寸穩(wěn)定器；流場(chǎng)模擬

陳穎杰，鄧傳光，常洪渠，等．欠尺寸穩(wěn)定器環(huán)空流場(chǎng)特性模擬[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，36（3）：165–172．

Chen Yingjie,Deng Chuanguang,Chang Hongqu,et al．Numerical Simulation of Annulus Flow Field for Under-size Stabilizer Annulus[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（3）：165–172．

引言

頁巖氣高效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要有低成本的水平井鉆井技術(shù)+多段壓裂技術(shù)、清水壓裂技術(shù)和壓裂技術(shù)–同步壓裂技術(shù)，這些先進(jìn)的技術(shù)不斷提高頁巖氣井的產(chǎn)量，正是這些先進(jìn)技術(shù)的成功應(yīng)用，促進(jìn)了美國(guó)頁巖氣開發(fā)的快速發(fā)展[1]。美國(guó)Barnett頁巖氣開發(fā)實(shí)踐表明，對(duì)于位移不大、儲(chǔ)層均質(zhì)性較好、難度一般的水平井鉆井，在常規(guī)液相鉆井液條件下，主要采用常規(guī)馬達(dá)導(dǎo)向的鉆井技術(shù)[2]，一般導(dǎo)向鉆井下部鉆具組合（BHA）由高效鉆頭+導(dǎo)向馬達(dá)+穩(wěn)定器+MWD組成，而由于頁巖氣水平井鉆井中摩阻/扭矩控制、軌跡控制和攜巖要求的特殊性，頁巖氣水平井鉆井下部鉆具組合常采用欠尺寸穩(wěn)定器，這種導(dǎo)向鉆井技術(shù)既能在轉(zhuǎn)盤不動(dòng)情況下實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，又能在轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)情況下實(shí)現(xiàn)復(fù)合鉆進(jìn)，從而達(dá)到連續(xù)控制井眼軌跡的目的，可一趟鉆完成增斜、穩(wěn)斜、降斜和扭方位等定向作業(yè)[3]。欠尺寸穩(wěn)定器在頁巖氣鉆井中起著比較重要的作用，欠尺寸穩(wěn)定器是一種整體式螺旋穩(wěn)定器，即穩(wěn)定片是螺旋形的，這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定器蹩勁小[4]。在頁巖氣水平井鉆井中，欠尺寸螺旋穩(wěn)定器不僅具有控制井眼軌跡的作用，而且還有助于降低摩阻/扭矩、減少鉆具阻卡的風(fēng)險(xiǎn)和改善井眼清潔狀況等多重功效。然而，欠尺寸螺旋穩(wěn)定器作用下的環(huán)空流場(chǎng)特性的研究并不深入，對(duì)其作用機(jī)理的研究還不完善[5-11]。為此，本文將采用數(shù)值模擬的方法，模擬欠尺寸螺旋穩(wěn)定器環(huán)空流場(chǎng)特性，以揭示其改善井眼清潔的作用機(jī)理和工作原理。

1 環(huán)空流場(chǎng)分析數(shù)學(xué)模型

由于環(huán)空鉆井液黏度較大，不能視為理想無黏性流體，黏性是流體受外力作用移動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力的表現(xiàn)，一般流動(dòng)速度梯度越大摩擦力越大，而且穩(wěn)定器環(huán)空存在速度梯度較大的區(qū)域，因此，在進(jìn)行環(huán)空流場(chǎng)分析時(shí)必須考慮鉆井液黏性力的作用。另外，由于在穩(wěn)定器環(huán)空幾何形狀極不規(guī)則，使得流體流動(dòng)結(jié)構(gòu)往往呈湍流狀態(tài)。湍流與層流相比，湍流流動(dòng)結(jié)構(gòu)極不規(guī)則而且十分復(fù)雜，也就無法采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行流場(chǎng)的分析和計(jì)算，這使得湍流與層流相關(guān)計(jì)算存在本質(zhì)上的差異，對(duì)層流問題只需對(duì)流動(dòng)控制方程進(jìn)行求解，而對(duì)湍流問題卻無法采用這些直接求解的方法，只能采用數(shù)值計(jì)算方法，比如紊流黏性模型法、直接計(jì)算法、大渦模擬法等，對(duì)于本文研究的穩(wěn)定器環(huán)空這種高度復(fù)雜的三維流動(dòng)，選擇湍流問題計(jì)算中應(yīng)用較為廣泛的紊流黏性模型方法。對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)不規(guī)則的湍流流動(dòng)，求解湍流瞬時(shí)的流動(dòng)情況對(duì)工程實(shí)際意義不大，因此，可以對(duì)湍流流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)處理，即通常所說的平均法，平均法有時(shí)均、體均、概率平均3種方法，本文采用時(shí)均法。為此，對(duì)瞬時(shí)的連續(xù)方程與動(dòng)量方程進(jìn)行時(shí)均處理，去掉平均速度上的橫線，可把連續(xù)方程與動(dòng)量方程寫成笛卡兒坐標(biāo)系下的張量形式[12-13]

式中：ρ—鉆井液密度，g/cm3；t—時(shí)間，s；u—時(shí)均速度，m/s；p—流體微元上的時(shí)均壓力，Pa；μ—?jiǎng)恿︷ざ认禂?shù)，kg/（m·s）；δij—Kronecker符號(hào)；—脈動(dòng)速度，m/s；下標(biāo)i，j，l=1，2，3，對(duì)應(yīng)于x軸，y軸，z軸3個(gè)坐標(biāo)方向；

式（1）和式（2）稱為雷諾平均的N–S方程。它與瞬時(shí)N–S方程具有相同的形式，只是速度或其他求解變量變成了時(shí)間平均量。N–S方程經(jīng)時(shí)間平均，成為對(duì)非線性項(xiàng)易處理的形式，但由于出現(xiàn)了雷諾應(yīng)力項(xiàng)它表示湍流的影響，這使得求解方程數(shù)不足，即方程組不封閉無法求解。為了求解該方程，必須模擬雷諾應(yīng)力項(xiàng)，通常采用工程科學(xué)中計(jì)算紊流的解決辦法，即采用紊流模型化的方法，從而使方程組封閉。常用的紊流模型有：Zero–Equation模型、One–Equation模型、Standard k–ε模型、RNG k–ε模型、Realizable k–ε模型、Reynolds–Stress模型、大渦模擬模型等多種模型，本文選用Realizable k–ε湍流模型對(duì)穩(wěn)定器環(huán)空流體流動(dòng)特性進(jìn)行模擬，湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε的輸運(yùn)方程為[14-17]

式中：k—單位質(zhì)量湍動(dòng)能，m2/s2；

μt—湍動(dòng)黏度，Pa·s；

σk—湍動(dòng)能的湍流普朗特?cái)?shù)，無因次，σk=1.0；

Gk—平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，N/（m2·s）；

Gb—浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，N/（m2·s）；

ε—單位質(zhì)量湍動(dòng)耗散率，m2/s3；

YM—可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響，kg/（m·s3）；

σε—湍動(dòng)耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)，無因次，σε=1.20；

C1，C1ε，C2—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，無因次，C1ε=1.44，C2=1.90；

ν—運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，m2/s；

C3ε—浮力對(duì)耗散率的影響，流動(dòng)與重力方向相同時(shí)C3ε=1，流動(dòng)與重力方向垂直C3ε=0；

E—時(shí)均應(yīng)變率，s?1。

Realizable k–ε湍流模型適合的流動(dòng)類型比較廣泛，包括有旋均勻剪切流、自由流（射流和混合層）、腔道流動(dòng)和邊界層流動(dòng)，Realizable k–ε模型對(duì)強(qiáng)旋流動(dòng)計(jì)算具有較高的精度[5，12]。對(duì)上述穩(wěn)定器環(huán)空流場(chǎng)的計(jì)算，采用有限體積法，對(duì)方程組求解采用壓力修正法中的SIMPLE算法（Semi-Implicit Method for Pressure-linked Equations，即半隱式壓力相關(guān)方程解法）進(jìn)行壓力速度耦合，并離散為二階迎風(fēng)格式。

2 環(huán)空流場(chǎng)模型的建立

2.1 穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定器的作用是在鉆柱高速回轉(zhuǎn)時(shí)，保持細(xì)長(zhǎng)鉆桿平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，使鉆頭軸線盡可能接近井眼中心線，從而減輕鉆柱在井眼徑向和軸向的劇烈振動(dòng)，減少鉆頭和鉆桿偏磨，防止井斜或用于人工定向鉆進(jìn)。穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，是帶有肋骨片（直條或螺旋形）的粗徑接頭。本文所述的欠尺寸穩(wěn)定器是一種整體式螺旋穩(wěn)定器，即穩(wěn)定片是螺旋形的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[4，18]。在定向井、水平井中使用這種穩(wěn)定器時(shí)，在螺旋穩(wěn)定片處過流面積減小，增強(qiáng)了鉆井液對(duì)巖屑的沖刷作用；同時(shí)，由于螺旋穩(wěn)定片在旋轉(zhuǎn)時(shí)可以使流場(chǎng)產(chǎn)生循環(huán)力和陀螺力，攪動(dòng)巖屑，并對(duì)被攪動(dòng)的巖屑有支承作用，有利于巖屑床的清除。

圖1 欠尺寸螺旋穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of under-size spiral stabilizer

2.2 仿真模型的建立

仿真模型參數(shù)：

（1）井眼直徑為?215.9 mm，井壁的絕對(duì)粗糙度為0.5 mm；

（2）欠尺寸螺旋穩(wěn)定器的穩(wěn)定片直徑 D2= 208.0 mm，穩(wěn)定器本體接頭外徑D1=178.0 mm，螺旋扶正塊數(shù)量為 3個(gè)，螺旋升角為 70?，螺旋帶長(zhǎng)度L2=600 mm，假設(shè)穩(wěn)定器壁面絕對(duì)粗糙度為0.046 78 mm；

（3）研究管段取穩(wěn)定器以上5 000 mm，穩(wěn)定器以下3 000 mm的一段環(huán)空流體域進(jìn)行模擬分析；

（4）鉆井液密度1.30 g/cm3，黏度47.00 mPa·s，巖屑密度為2.50 g/cm3，巖屑體積含量為0.05%，巖屑顆粒直徑為0.5 mm。據(jù)此幾何尺寸建立了欠尺寸穩(wěn)定器流體力學(xué)分析物理模型，如圖2a，圖2b，圖2c，圖2d所示。對(duì)所建立的物理模型采用六面體單元?jiǎng)澐煮w網(wǎng)格，形成的網(wǎng)格如圖2e，圖2f，圖2g，圖2h所示。數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)，所設(shè)置邊界條件為：鉆井液與巖屑流混合物從環(huán)空底部入口進(jìn)入，入口體積流量為30.00 L/s，固相顆粒流速為1.00 m/s；鉆井液從環(huán)空頂部流出，出口邊界定義為壓力出口，此處定義壓力出口為2 000 m井深條件下的環(huán)空壓力25.00 MPa；定義井壁、穩(wěn)定器和鉆鋌壁面為無穿透固定邊界。

圖2 欠尺寸螺旋穩(wěn)定器環(huán)空流場(chǎng)仿真模型Fig.2 The simulation model of annulus flow field for under-size spiral stabilizer

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

通過數(shù)值模擬分析，計(jì)算出了欠尺寸螺旋穩(wěn)定器環(huán)空螺旋槽流場(chǎng)的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)特性，圖3所示為鉆井液在欠尺寸螺旋穩(wěn)定器環(huán)空流動(dòng)的流速分布云圖，圖中包括所研究環(huán)空流道的流速分布剖面圖、全局圖和截面圖。

圖3 穩(wěn)定器環(huán)空流速分布Fig.3 The velocity distribution in stabilizer annulus

由圖3中的剖面圖和局部放大視圖不難看出，在穩(wěn)定器流場(chǎng)上游（迎流端）流速分布相對(duì)均勻，在靠近穩(wěn)定器位置，流速分布開始發(fā)生擾動(dòng)，如圖3中截面1所示。在穩(wěn)定器外側(cè)環(huán)空，當(dāng)鉆井液從鉆鋌環(huán)空進(jìn)入穩(wěn)定片環(huán)空時(shí)，由于壓差和過流截面減小的作用，流速由鉆鋌環(huán)空的1.910 m/s增加至4.070 m/s；當(dāng)鉆井液從穩(wěn)定片環(huán)空再次進(jìn)入鉆鋌環(huán)空時(shí)，由于過流截面恢復(fù)，流速由鉆鋌環(huán)空的4.070 m/s降低至2.450 m/s；即鉆井液流速歷經(jīng)了由小變大再減小的過程；而且，鉆井液流速在穩(wěn)定器穩(wěn)定片外側(cè)的流速較高（約為3.620 m/s），在穩(wěn)定器螺旋槽內(nèi)流速稍低（約為3.110 m/s）；穩(wěn)定器外側(cè)的流速分布極不均勻，流動(dòng)結(jié)構(gòu)也極其混亂，一般靠近穩(wěn)定器壁面流速較低，靠近井壁流速較高。由圖3中截面1～6可以看出，環(huán)空流速場(chǎng)呈現(xiàn)出3個(gè)軸對(duì)稱的等速流動(dòng)區(qū)，等速流動(dòng)區(qū)中的流速分布與穩(wěn)定片和軸向位置的關(guān)系密切；在靠近穩(wěn)定片的中上游，等速流動(dòng)區(qū)中的高流速區(qū)偏向于穩(wěn)定帶外側(cè)的窄間隙（圖3截面2～4）；在靠近中下游（背流端）等速流動(dòng)區(qū)的高速區(qū)分布在穩(wěn)定器穩(wěn)定片螺旋升角左側(cè)的窄間隙（圖3截面5），而穩(wěn)定器螺旋槽內(nèi)流速相對(duì)較低；當(dāng)流過穩(wěn)定器，再次進(jìn)入鉆鋌環(huán)空時(shí)，在穩(wěn)定器流場(chǎng)下游流速分布受穩(wěn)定器擾動(dòng)的原因，其流速場(chǎng)分布也極不均勻，在靠近穩(wěn)定器位置，即穩(wěn)定片斜坡末端出現(xiàn)了低速流動(dòng)區(qū)（死區(qū)），該區(qū)流體基本不流動(dòng)，這是由于環(huán)空流體在從穩(wěn)定器處再次進(jìn)入環(huán)空時(shí)，在穩(wěn)定片末端的斜坡屬于流動(dòng)背流面，流體進(jìn)入該區(qū)域時(shí)將形成繞流和漩渦流動(dòng)。

圖4為環(huán)空穩(wěn)定器環(huán)空剖面內(nèi)流速矢量圖。從圖4看出，在整個(gè)穩(wěn)定器環(huán)空和上部的鉆鋌環(huán)空內(nèi)，由于穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)特殊性，使得環(huán)空流場(chǎng)存在大量的漩渦流動(dòng)。在螺旋槽左側(cè)的穩(wěn)定片外側(cè)環(huán)空處出現(xiàn)了較強(qiáng)的漩渦流動(dòng)，漩渦流動(dòng)處的流速分布差異極大；另外剖面內(nèi)流速矢量分布也呈現(xiàn)出3個(gè)軸對(duì)稱分布區(qū)域。

圖4 穩(wěn)定器環(huán)空剖面內(nèi)流速矢量圖Fig.4 The velocity vector in section of stabilizer annulus

漩渦流動(dòng)的存在也可以從圖5所示的穩(wěn)定器環(huán)空渦量分布云圖看出，渦量定義為速度場(chǎng)的旋度，在流體中只要有“渦量源”，就會(huì)產(chǎn)生渦旋。在穩(wěn)定器環(huán)空下端（入口段）渦量比較小，只是在靠近井壁位置的渦量較大，這是由于井壁粗超度較大所致；在穩(wěn)定器段及上部環(huán)空段，流場(chǎng)的渦量均比較大，這主要是由穩(wěn)定器螺旋結(jié)構(gòu)特殊所決定，螺旋結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的漩渦流動(dòng)與井眼尺寸大小、穩(wěn)定器螺旋帶外徑、穩(wěn)定器本體外徑、螺旋帶數(shù)量、螺旋升角、螺旋帶長(zhǎng)度、排量、偏心度、轉(zhuǎn)速、井深等多種因素有關(guān)，其中，受螺旋帶數(shù)量、螺旋升角、螺旋帶長(zhǎng)度、偏心度等因素的影響較大，漩渦流動(dòng)將誘發(fā)動(dòng)壓力的產(chǎn)生。

圖5 穩(wěn)定器環(huán)空渦量分布Fig.5 The vorticity distribution in stabilizer annulus

圖6所示為鉆井液在欠尺寸螺旋穩(wěn)定器環(huán)空流動(dòng)的總壓力分布云圖。由圖6可以看出，螺旋穩(wěn)定器形狀不規(guī)則所引起的壓力擾動(dòng)在穩(wěn)定器流場(chǎng)上下游（迎流端和背流端）差異較大，穩(wěn)定器上下游壓差約為0.03 MPa左右。在穩(wěn)定帶外側(cè)環(huán)空出現(xiàn)了明顯的繞流現(xiàn)象，使得壓力場(chǎng)也發(fā)生了顯著的改變（如圖6截面2～5），環(huán)空壓力場(chǎng)呈現(xiàn)出3個(gè)軸對(duì)稱的等壓區(qū)，等壓區(qū)中的分布與穩(wěn)定帶和軸向位置的關(guān)系密切。在靠近上游（迎流端）等壓區(qū)中的高壓偏向于穩(wěn)定帶外側(cè)（如圖6截面2～3）；在靠近中下游（背流端）等壓區(qū)的高壓分布在穩(wěn)定器螺旋槽右旋側(cè)，而穩(wěn)定帶外側(cè)趨于形成低壓區(qū)；當(dāng)流過穩(wěn)定帶，再次進(jìn)入鉆鋌環(huán)空時(shí)，在靠近穩(wěn)定帶附近壓力分布也呈現(xiàn)出不均勻分布，此時(shí)的環(huán)空壓力場(chǎng)分布也基本呈現(xiàn)出3個(gè)軸對(duì)稱的等壓區(qū)，其中核心區(qū)為高壓區(qū)，周圍為低壓區(qū)，而且等壓區(qū)的分布受螺旋升角的影響，即等壓區(qū)呈螺旋狀發(fā)展，這便形成了有利于清除巖屑的螺旋沖刷流動(dòng)；當(dāng)遠(yuǎn)離穩(wěn)定帶一定距離（約4 m），穩(wěn)定帶所形成的螺旋流壓力場(chǎng)分布特性逐漸減弱，環(huán)空逐漸恢復(fù)穩(wěn)定流動(dòng)。另外，計(jì)算條件下的壓降約為0.03 MPa，壓力損失比較小，以井下環(huán)空壓力為25.00 MPa計(jì)算，此處壓降約為環(huán)空壓力的0.12%，基本上可以忽略。

圖7所示為鉆井液在欠尺寸螺旋穩(wěn)定器環(huán)空流動(dòng)的動(dòng)壓力分布云圖。由圖7可以看出，由于穩(wěn)定器外側(cè)螺旋槽附近及下游產(chǎn)生了大量的漩渦流動(dòng)，所產(chǎn)生的的漩渦流動(dòng)會(huì)在該處引起強(qiáng)烈的壓力波動(dòng)（如圖7截面2～6），計(jì)算條件下的動(dòng)壓力為0.014 MPa。環(huán)空動(dòng)壓力分布也呈現(xiàn)出了3個(gè)軸對(duì)稱的等壓區(qū)，等壓區(qū)的分布狀態(tài)與穩(wěn)定帶和軸向位置的關(guān)系密切，其分布規(guī)律與壓力場(chǎng)分布規(guī)律基本類似。循環(huán)狀態(tài)下的動(dòng)壓力是誘發(fā)鉆柱振動(dòng)的激振力之一，激振力的大小與井眼尺寸大小、穩(wěn)定器螺旋帶外徑、穩(wěn)定器本體外徑、螺旋帶數(shù)量、螺旋升角、螺旋帶長(zhǎng)度、排量、偏心度、轉(zhuǎn)速、井深等多種因素有關(guān)，激振力過大會(huì)誘發(fā)鉆柱發(fā)生高頻橫向振動(dòng)。

圖6 穩(wěn)定器環(huán)空總壓力分布Fig.6 The total pressure distribution in stabilizer annulus

圖7 穩(wěn)定器環(huán)空動(dòng)壓力分布Fig.7 The dynamic pressure distribution in stabilizer annulus

4 結(jié) 論

（1）在欠尺寸穩(wěn)定器環(huán)空流場(chǎng)的上游段（入口段）環(huán)空流速、壓力分布相對(duì)均勻，流動(dòng)跡線基本近似平行，該段流場(chǎng)的渦量也較小，上游段的壓力、流速擾動(dòng)主要是由于井壁不規(guī)則所致，但是在靠近穩(wěn)定器位置，由于穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)原因流速和壓力的分布開始出現(xiàn)擾動(dòng)。

（2）在欠尺寸穩(wěn)定器環(huán)空流場(chǎng)的中下游段（穩(wěn)定器外環(huán)空和出口段）環(huán)空流速、總壓力和動(dòng)壓力的分布均出現(xiàn)了3個(gè)軸對(duì)稱的流動(dòng)區(qū)域（即等壓流動(dòng)區(qū)、等速流動(dòng)區(qū)和動(dòng)壓等壓區(qū)），該流動(dòng)區(qū)域的形成、發(fā)展和分布規(guī)律基本呈螺旋狀，與距離穩(wěn)定片位置、軸向位置、穩(wěn)定器尺寸、排量等參數(shù)關(guān)系密切，這種螺旋流動(dòng)狀態(tài)對(duì)于清除井壁巖屑床十分有利。

（3）穩(wěn)定器段及上部環(huán)空段，流場(chǎng)的渦量均比較大，流動(dòng)跡線也發(fā)展為極不規(guī)律的交叉曲線，而且呈螺旋繞流形式，這主要是由穩(wěn)定器螺旋結(jié)構(gòu)特殊所決定，穩(wěn)定器的螺旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)致流體發(fā)生繞流，繞流時(shí)形成了大量的漩渦流動(dòng)，伴隨產(chǎn)生了較大的動(dòng)壓力，而動(dòng)壓力誘發(fā)的激振力會(huì)加劇鉆柱振動(dòng)。

[1]崔思華，班凡生，袁光杰.頁巖氣鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀及難點(diǎn)分析[J].天然氣工業(yè)，2011，31（4）：72–75. Cui Sihua，Ban Fansheng，Yuan Guangjie.Status quo and challenges of global shale gas drilling and completion[J]. Natural Gas Industry，2011，31（4）：72–75.

[2]唐代緒，趙金海，王華，等.美國(guó)Barnett頁巖氣開發(fā)中應(yīng)用的鉆井工程技術(shù)分析與啟示[J].中外能源，2011，16（4）：47–52. Tang Daixu，Zhao Jinhai，Wang Hua，et al.Technology analysis and enlightenment of drilling engineering applied in the development of Barnett shale gas in America[J]. Sino-global Energy，2011，16（4）：47–52.

[3]周文軍，歐陽勇，黃占盈，等.蘇里格氣田水平井快速鉆井技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2013，33（8）：77–82. Zhou Wenjun，Ouyang Yong，Huang Zhanying，et al. Rapid drilling technologies of horizontal wells in the Sulige Gas Field，Ordos Basin[J].Natural Gas Industry，2013，33（8）：77–82.

[4]陳平.鉆井與完井工程[M].第2版.北京：石油工業(yè)出版社，2011：184–185.

[5]陳鋒，狄勤豐，袁鵬斌，等.高效巖屑床清除鉆桿作用機(jī)理[J].石油學(xué)報(bào)，2012，33（2）：298–303. Chen Feng，Di Qinfeng，Yuan Pengbin，et al.Mechanism of an effective hydroclean drill pipe for hole cleaning[J]. Acta Petrolei Sinica，2012，33（2）：298–303.

[6]Sifferman T R，Becker T E.Hole cleaning in full-scale inclined wellbores[J].SPE Drilling Engineering，1992，7（2）：115–120.

[7]Van Puymbroeck L，Williams H.Increasing drilling performance for ERD wells using new generation hydromechanical drill oipe[J].AADE–13–FTCE–01，2013.

[8]Ahamed R，Sagheer M，Takach N.Experimental studies on the effect of mechanical cleaning devices on annular cuttings concentration and application for optimizing ERD systems[C].SPE 134269，2010.

[9]石曉兵.大位移井中利用鉆柱旋轉(zhuǎn)作用清除巖屑床的機(jī)理研究[J].天然氣工業(yè)，2000，20（2）：51–53. Shi Xiaobing.A study of the mechanism to remove cuttings bend in extended reach well by utilizing rotation action[J].Natural Gas Industry，2000，20（2）：51–53.

[10]王瑞和，李明忠，王成文，等.油氣井注水泥頂替機(jī)理研究進(jìn)展[J].天然氣工業(yè)，2013，33（5）：1–8. Wang Ruihe，Li Mingzhong，Wang Chengwen，et al.Research progress in the cementing displacement mechanism[J].Natural Gas Industry，2013，33（5）：1–8.

[11]舒秋貴.在旋流扶正器作用下環(huán)空流場(chǎng)旋流衰減規(guī)律研究[J].天然氣工業(yè)，2005，25（9）：57–60. Shu Qiugui.Research on the helical flow attenuation law in annular flow field by the action of cyclone centralizer[J].Natural Gas Industry，2005，25（9）：57–60.

[12]劉偉，李黔，程橋，等.氣體鉆井全井段環(huán)空流場(chǎng)改善方法[J].天然氣工業(yè)，2010，30（7）：52–54. Liu Wei，Li Qian，Cheng Qiao，et al.Methods of improving the whole annulus flow field during gas drilling[J]. Natural Gas Industry，2010，30（7）：52–54.

[13]韓占忠.Fluent流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

[14]熊莉芳，林源，李世武.k–ε湍流模型及其在FLUENT軟件中的應(yīng)用[J].工業(yè)加熱，2007，36（4）：13–15. Xiong Lifang，Lin Yuan，Li Shiwu.k–ε turbulent model and its application to the FLUENT[J].Industrial Heating，2007，36（4）：13–15.

[15]朱紅鈞，林元華，李強(qiáng)，等.空氣鉆井鉆桿接頭處流場(chǎng)及失效分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29（11）：1534–1536. Zhu Hongjun，Lin Yuanhua，Li Qiang，et al.Flow properties and invalidation analysis of drill pipe joint by air drilling[J].Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2010，29（11）：1534–1536.

[16]嚴(yán)仁田，王峰，張德平，等.流場(chǎng)誘導(dǎo)API圓螺紋油管接箍失效分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40（5）：111–114. Yan Rentian，Wang Feng，Zhang Deping，et al.Failure analysis of API tubing round threaded connection induced by flow field[J].Petroleum Drilling Techniques，2012，40（5）：111–114.

[17]鄧志安，金磊，陸忠義，等.天然氣管線排液閥內(nèi)流場(chǎng)壓力特性數(shù)值模擬研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，28（3）：70–73，77. Deng Zhi′an，Jin Lei，Lu Zhongyi，et al.Numerical simulation study on flow field pressure characteristics inside the drainage valve of the natural gas pipeline[J].Journal of Xi’an Shiyou University：Natural Science Edition，2013，28（3）：70–73，77.

[18]趙金洲，張桂林.鉆井工程技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2004：321–322.

編輯：張?jiān)圃?/p>

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

Numerical Simulation of Annulus Flow Field for Under-size Stabilizer Annulus

Chen Yingjie1,Deng Chuanguang1,Chang Hongqu1,Li Xiangbi1,Ma Tianshou2
1.Exploration Business Division，CNPC Southwest Oil/Gas Field，Chengdu，Sichuan 610041，China 2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitaion，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China

The under-size stabilizer have multiple functions in the steerable drilling for shale gas，which could not only control well trajectory，but also help reduce friction/torque，reduce the risk of drilling resistance and improve hole cleaning status.While the annulus flow characteristics and mechanism of the inadequate spiral stabilizer are not perfect.To solve these problems，we stimulate the annulus fluid flow characteristics of the inadequate spiral stabilizer with the turbulent viscosity model method and Realizable k-epsilon turbulence model，and the results show that：the annulus flow around the stabilizer inlet section is more stable，beginning to appear in flow close to the position of the stabilizer；in the stabilizer annulus downstream section（lateral stabilizer and outlet section），the annulus velocity，total pressure and distribution of the dynamic pressure bears axis symmetry flow respectively.The formation，development and distribution of this section are the spiral shape，which is good to clearing borehole cuttings bed.In addition，the eddy flow amount is big and，the development of streamline is irregular，which means the spiral structure of the stabilizer leads to the fluid flowing around.The around flow forms a large number of eddy flow，accompanied by a greater dynamic pressure，and the induced exciting force by dynamic pressure will increase the vibration of drill string.

shale gas；steerable assembly；spiral stabilizer；under-size stabilizer；flow field simulation

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11885/j.issn.1674-5086.2013.06.08.03.html

陳穎杰，1984年生，男，漢族，四川成都人，助理工程師，碩士，主要從事油氣井工程生產(chǎn)技術(shù)相關(guān)研究及管理工作。E-mail：chen_yingjie@126.com

鄧傳光，1963年生，男，漢族，四川岳池人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事鉆井技術(shù)管理工作。E-mail：dcg6688@163.com

常洪渠，1963年生，男，漢族，高級(jí)工程師，主要從事鉆井工程技術(shù)管理工作。E-mail：changhongqu@petrochina.com.cn

李向碧，1963年生，男，漢族，高級(jí)工程師，主要從事鉆井工程技術(shù)管理工作。E-mail：li_xb@petrochina.com.cn

馬天壽，1987年生，男，漢族，四川綿陽人，博士研究生，主要從事頁巖氣鉆井與隨鉆測(cè)量技術(shù)方面的研究工作。E-mail：matianshou@126.com

10.11885/j.issn.1674-5086.2013.06.08.03

1674-5086（2014）03-0165-08

TE21

A

2013–06–08 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2014–05–21

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2013CB228003）。