孫曉峰，紀(jì)國(guó)棟，王克林，曲從鋒，蔣天洪

(1. 中國(guó)石油大學(xué)，北京 102200；2.中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100000；3.中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

?

大斜度井偏心環(huán)空鉆柱旋轉(zhuǎn)對(duì)巖屑運(yùn)移的影響

孫曉峰1，紀(jì)國(guó)棟2，王克林3，曲從鋒2，蔣天洪3

(1. 中國(guó)石油大學(xué)，北京 102200；2.中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100000；3.中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

在鉆井過(guò)程中，當(dāng)液流速度小于巖屑懸浮運(yùn)移速度時(shí)，巖屑容易在大斜度井段沉降并形成巖屑床，導(dǎo)致鉆柱卡鉆、高摩阻和扭矩、低機(jī)械鉆速等問(wèn)題。建立大斜度偏心環(huán)空三維物理模型，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分環(huán)空流體域，用滑移網(wǎng)格模擬鉆柱旋轉(zhuǎn)。基于歐拉固液兩相流模型和Realizablek-ε紊流模型，考慮鉆井液對(duì)巖屑的舉升力、巖屑加速產(chǎn)生的虛質(zhì)量力以及固液間的動(dòng)量交換，模擬了鉆柱旋轉(zhuǎn)條件下井斜角、巖屑注入濃度、鉆井液速度和黏度對(duì)巖屑運(yùn)移的影響。研究表明：鉆柱旋轉(zhuǎn)使得巖屑床床面沿旋轉(zhuǎn)方向傾斜，沿井眼呈不對(duì)稱分布狀態(tài)，并能夠顯著減小環(huán)空巖屑濃度，其變化幅度受鉆井液入口流速、井斜角、鉆井液黏度和巖屑注入濃度的影響，但當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一臨界值后，旋轉(zhuǎn)作用效果將減弱。研究結(jié)果可為采取合理措施提高巖屑運(yùn)移效率提供參考。

偏心環(huán)空；大斜度井；鉆柱旋轉(zhuǎn)；巖屑運(yùn)移；巖屑體積濃度

0 引 言

在大斜度和水平井段鉆進(jìn)過(guò)程中，由于鉆井液攜帶巖屑效率較低，容易形成巖屑床，并引發(fā)鉆井事故，為此，有必要開(kāi)展大斜度井段和水平井段巖屑運(yùn)移規(guī)律研究，而鑒于影響巖屑運(yùn)移的因素眾多[1]，應(yīng)重點(diǎn)研究與實(shí)際鉆井工況接近的鉆柱旋轉(zhuǎn)條件下巖屑運(yùn)移規(guī)律問(wèn)題。針對(duì)鉆柱旋轉(zhuǎn)條件下的巖屑運(yùn)移問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[2-12]。此次研究將利用CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬大斜度偏心環(huán)空鉆柱旋轉(zhuǎn)條件下井斜角、巖屑注入濃度、鉆井液黏度等參數(shù)對(duì)巖屑運(yùn)移規(guī)律的影響，為采取合理措施提高巖屑運(yùn)移效率提供參考。

1 數(shù)值模擬物理模型

為了模擬環(huán)空巖屑運(yùn)移過(guò)程，建立了大斜度偏心環(huán)空三維物理模型(圖1)。環(huán)空結(jié)構(gòu)為215.9 mm×127.0 mm，偏心度為0.5，環(huán)空長(zhǎng)度為12 m。利用滑移網(wǎng)格模擬鉆柱旋轉(zhuǎn)，CFD數(shù)值模擬邊界條件為速度入口和壓力出口。壁面附近低雷諾數(shù)區(qū)域選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，且鉆柱壁面和井壁采用不可滑移邊界。模擬參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 大斜度偏心環(huán)空物理模型

2 數(shù)值模擬控制方程

以鉆井液和巖屑的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒為基礎(chǔ)，考慮上舉力、固液間動(dòng)量交換等因素，結(jié)合Realizableκ-ε紊流模型，采用壓力耦合方程的半隱式

表1 CFD模擬參數(shù)

算法SIMPLE求解封閉方程。

鉆井液質(zhì)量方程：

(1)

巖屑質(zhì)量方程：

(2)

式中：αf、αs為鉆井液和巖屑體積分?jǐn)?shù)，αf+αs=1；vf、vs為鉆井液和巖屑運(yùn)動(dòng)速度，m/s；ρf、ρs為鉆井液和巖屑密度，kg/m3；▽為哈密頓算子。

鉆井液動(dòng)量方程：

(3)

巖屑動(dòng)量方程：

(4)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 鉆柱轉(zhuǎn)速對(duì)巖屑運(yùn)移的影響

環(huán)空鉆井液攜巖效率受鉆井液流速影響較大，其切向和軸向速度分量在鉆井液攜巖過(guò)程中起不同作用。軸向速度主要是在環(huán)空寬間隙處形成流核區(qū)，將進(jìn)入該區(qū)域的巖屑攜帶至井口，其受鉆柱轉(zhuǎn)速等參數(shù)的影響，隨著鉆柱轉(zhuǎn)速增加，在寬間隙處鉆井液軸向速度減小，而窄間隙處速度增加，且鉆井液流速越大，軸向速度越大；當(dāng)轉(zhuǎn)速增至160 r/min后，軸向速度變化并不明顯。鉆井液切向速度主要由鉆柱旋轉(zhuǎn)作用產(chǎn)生，但由于鉆井液的黏性，切向速度沿井眼徑向呈指數(shù)衰減。因此，在窄間隙井壁附近處巖屑更易聚集形成巖屑床，而在鉆柱壁面附近不易成床。

由鉆柱轉(zhuǎn)速對(duì)環(huán)空巖屑濃度分布的影響(圖2)可知，鉆柱旋轉(zhuǎn)會(huì)使巖屑分布沿井眼呈不對(duì)稱分布狀態(tài)，且?guī)r屑床面極其不規(guī)則，此次研究選擇巖屑體積濃度來(lái)衡量井眼清潔狀況，在低鉆柱轉(zhuǎn)速下，環(huán)空巖屑處于懸浮層、移動(dòng)巖屑床和靜止巖屑床3層流動(dòng)狀態(tài)，增加鉆柱轉(zhuǎn)速會(huì)使靜止巖屑床逐漸消失。

圖2 鉆柱轉(zhuǎn)速對(duì)環(huán)空巖屑濃度分布的影響

圖3為鉆井液在不同入口流速條件下，鉆桿轉(zhuǎn)速對(duì)環(huán)空巖屑濃度影響的對(duì)比曲線，隨著鉆柱轉(zhuǎn)速的增加，巖屑體積近似線性減小，當(dāng)增至160 r/min后，鉆柱轉(zhuǎn)速對(duì)改善巖屑運(yùn)移效率的作用不再顯著，環(huán)空巖屑濃度降低幅度減小。

3.2 井斜角對(duì)巖屑運(yùn)移的影響

圖4為巖屑注入濃度為1.0%、鉆井液入口速度為1.67 m/s和黏度為30 mPa·s時(shí)，井斜角為60～90 °的大斜度和水平井段巖屑體積濃度分布情況。大斜度井段中巖屑主要以翻滾形式向井口方向運(yùn)移。當(dāng)鉆柱轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，增大井斜角，會(huì)使得巖屑運(yùn)移速度增大，環(huán)空巖屑體積濃度減??；隨著鉆桿轉(zhuǎn)速增加，不同井斜角井段巖屑體積濃度均近似線性減小，這與Ali等[13]實(shí)驗(yàn)指出在大斜度井段增加井斜角有助于提高鉆井液攜巖能力的結(jié)論一致。

圖3 鉆井液入口流速對(duì)巖屑體積濃度的影響

圖4 井斜角對(duì)巖屑體積濃度的影響

3.3 巖屑注入速度對(duì)巖屑運(yùn)移的影響

圖5為井斜角為75 °、鉆井液入口速度為1.67 m/s和黏度為30 mPa·s時(shí)不同巖屑注入濃度對(duì)環(huán)空巖屑體積濃度的影響。隨著巖屑注入濃度增加，進(jìn)入環(huán)空巖屑濃度增大，在保持其他參數(shù)不變時(shí)，最終滯留在環(huán)空中的巖屑體積濃度將增加。低巖屑注入濃度時(shí)，鉆桿轉(zhuǎn)速增加到160 r/min后，鉆柱轉(zhuǎn)速對(duì)改善巖屑運(yùn)移效率的作用不再顯著，而高巖屑注入濃度時(shí)，環(huán)空巖屑濃度隨著鉆桿轉(zhuǎn)速增加呈線性減小。

圖5 巖屑注入濃度對(duì)巖屑體積濃度的影響

3.4 鉆井液黏度對(duì)巖屑運(yùn)移的影響

圖6為巖屑注入濃度為1.0%、井斜角為75 °和鉆井液入口速度為1.67 m/s時(shí)鉆井液黏度對(duì)環(huán)空巖屑體積濃度的影響。隨著鉆井液黏度增加，鉆井液攜帶巖屑能力增強(qiáng)，環(huán)空巖屑體積濃度減小，有利于保持井眼清潔，同時(shí)隨著鉆桿轉(zhuǎn)速增加，巖屑體積濃度線性減小，這與Ford等[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和Li等[15]的理論計(jì)算結(jié)果一致。

圖6 鉆井液黏度對(duì)巖屑體積濃度的影響

4 結(jié)論與建議

(1) 建立了大斜度井偏心環(huán)空三維物理模型，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分環(huán)空流體域，用滑移網(wǎng)格模擬鉆柱旋轉(zhuǎn)?；跉W拉固液兩相流模型和Realizablek-ε紊流模型，考慮鉆井液對(duì)巖屑的舉升力、巖屑加速產(chǎn)生的虛質(zhì)量力以及固液間的動(dòng)量交換，建立了數(shù)字模擬模型。

(2) 鉆柱旋轉(zhuǎn)使得巖屑床床面沿旋轉(zhuǎn)方向傾斜，呈不對(duì)稱分布，當(dāng)鉆柱轉(zhuǎn)速較小時(shí)，環(huán)空巖屑處于3層流動(dòng)狀態(tài)，且隨著鉆柱轉(zhuǎn)速增大，靜止巖屑床逐漸消失，巖屑體積濃度減小，而當(dāng)增至160 r/min后，旋轉(zhuǎn)作用效果減弱。

(3) 鉆井液入口流速、黏度或井斜角越大，巖屑運(yùn)移速度越大，環(huán)空體積濃度越小，有利于保持井眼清潔，但增加巖屑注入濃度，會(huì)使得環(huán)空巖屑體積濃度增大。

[1] 孫曉峰，閆鐵，王克林，等. 復(fù)雜結(jié)構(gòu)井井眼清潔技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 斷塊油氣田，2013，20(1)：1-4.

[2] Yu M J，Takach N E，Nakamura D R，et al. An experimental study of hole cleaning under simulated downhole conditions[C].SPE Annual Technical Conference and Exhibition， Anaheim，California，2007.

[3] Duan M Q，Miska S，Yu M J，et al. Transport of small cuttings in extended reach drilling[J]. SPE Drilling & Completion，2008，23(3)：258-265.

[4] Sorgun M. Modeling of newtonian fluids and cuttings transport analysis in high inclination wellbores with pipe rotation[D].Ankara：Middle East Technical University，2010.

[5] Sorgun M. Simple correlations and analysis of cuttings transport with newtonian and non-newtonian fluids in horizontal and deviated wells[J]. Journal of Energy Resources Technology，2013，135(3)：1-6.

[6] Han S M，Kim Y J，Woo N S，et al. A study on the solid-liquid 2 phase helical flow in an inclined annulus[J].Journal of Mechanical Science and Technology， 2008，22(10)：1914-1920.

[7] Han S M，Woo N S，Hwang Y K.Solid-liquid mixture flow through a slim hole annulus with rotating inner cylinder[J].Journal of Mechanical Science and Technology， 2009，23(2)：569-577.

[8] 汪海閣，劉希圣，丁崗.水平井段巖屑床厚度模式的建立[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1993，17(3)：25-32.

[9] Naganawa S，Jogmec T N.Simulating transient behavior of cuttings transport over whole trajectory of extended-reach well[C].IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition，Thailand，2006.

[10] 郭曉樂(lè)，汪志明，龍芝輝.大位移井全井段巖屑動(dòng)態(tài)運(yùn)移規(guī)律[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，35(1)：72-76.

[11] 孫曉峰，閆鐵，崔世銘，等. 鉆桿旋轉(zhuǎn)影響大斜度井段巖屑分布的數(shù)值模擬[J].斷塊油氣田，2014，21(1)：92-96.

[12] Akhshik S，Behzad M，Rajabi M.CFD-DEM approach to investigate the effect of drill pipe rotation on cuttings transport behavior[J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2015(127)：229-244.

[13] Ali P，Issham I，Zulkefli Y，et al.Impact of drilling fluid viscosity，velocity and hole inclination on cuttings transport in horizontal and highly deviated wells[J]. Journal of Petroleum Exploration Production and Technology，2012，2(3)：149-156.

[14] Ford J T，Peden J M，Oyeneyin M B，et al.Experimental investigation of drilled cuttings transport in inclined boreholes[C].SPE annual technical conference and exhibition，New Orleans，Louisiana，1990.

[15] Li Y，Bjorndalen N，Kuru E O.Numerical modelling of cuttings transport in horizontal wells using conventional drilling fluids[C].Canadian International Petroleum Conference，Calgary，Alberta，2004.

編輯 孟凡勤

20150718；改回日期：20150923

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“鉆柱旋轉(zhuǎn)作用的大位移井環(huán)空巖屑運(yùn)移機(jī)制研究”(51204056)；中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“鉆井新裝備新工具研制”(2014B-4314)

孫曉峰(1980-)，男，講師，2005年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，2014年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣鉆井井眼清潔技術(shù)和井控工藝科研工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.031

TE24

A

1006-6535(2015)06-0133-04