劉小剛，范白濤，2，楊　進，崔志軍，趙　靜，李長林，岳文凱，鄧　賀

(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點試驗室，天津 300452；3.中國石油大學(北京)，北京 102200)①

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大斜度井巖屑床清除工具安放位置計算

劉小剛1，范白濤1，2，楊進3，崔志軍1，趙靜3，李長林3，岳文凱3，鄧賀3

(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點試驗室，天津 300452；3.中國石油大學(北京)，北京 102200)①

摘要：鉆井過程中保證井眼清潔有利于安全高效地鉆進，鉆進時加放巖屑床清除器能有效保證井眼的清潔。通過對Moore滑落末速公式的修正引用及巖屑床清除器的流場分析，得出巖屑床清除器的加放間距的簡單計算方法，對現(xiàn)場施工具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：大斜度井；巖屑床清除器；Moore滑落末速；流場分析

巖屑攜帶困難是大斜度、大位移定向井和水平井鉆井普遍存在的問題，嚴重影響鉆井安全和鉆進效果。在鉆進時加放巖屑床清除器是清潔井眼的有效方法，同時結(jié)合提高鉆井液環(huán)空返速、改善鉆井液攜巖性能可以達到高效安全清潔井眼的目的。巖屑床清除器的工作原理主要是攪動巖屑床，改變環(huán)空流線，使巖屑不在上返過程中沉積形成巖屑床[1-2]。但過多的使用巖屑床清除器也會增加摩阻轉(zhuǎn)矩，所以確定經(jīng)濟適用的安裝間距尤為重要。國內(nèi)學者黃麗萍提出的鉆進時每3個單根放1個屑床清除器，通井時每4～5個單根放1個巖屑床清除器。國外DBS公司開發(fā)的巖屑清除工具“CBI”鉆柱中的安裝間距一般為91～152 m。在實際操作中，更多的是按經(jīng)驗來加放。本文通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬對巖屑床清除器的安放距離給出了簡單的計算方法。

1巖屑床清除器安放位置

1.1理論推導(dǎo)

Moore依據(jù)大量的鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)，提出了一個將靜止液體中的自由滑落末速通用表達式應(yīng)用于鉆井過程中巖屑顆粒在環(huán)空內(nèi)滑落速度的計算方法。

當顆粒雷諾數(shù)Rep>2 000時，阻力系數(shù)基本不隨顆粒雷諾數(shù)變化，約等于1.5，顆粒周圍的鉆井液處于紊流狀態(tài)，顆?；淠┧贋?/p>

(1)

當顆粒雷諾數(shù)Rep≤1時，阻力系數(shù)曲線是一條直線，可以認為顆粒周圍的流態(tài)為層流，巖屑滑落速度為

(2)

當顆粒雷諾數(shù)1

(3)

式中：vs為顆?；淠┧伲琺/s；ds為巖屑顆粒直徑，m；ρs為巖屑顆粒密度，g/cm3；ρ為鉆井液密度，g/cm3；μa為鉆井液黏度，Pa·s。

Moore總結(jié)出的求鉆井過程中巖屑顆粒在環(huán)空內(nèi)滑落速度的方法是以直井中巖屑顆粒為模型的。本文中研究水平井筒環(huán)空中巖屑顆粒垂直方向上的滑落速度，借用Moore的滑落速度計算方法。但由于水平井筒和垂直井筒的差異，需對滑落速度公式進行修正。

在垂直井筒中，巖屑顆粒沿垂直方向相當于是自由空間不會產(chǎn)生碰撞和交換。但在水平井筒的環(huán)空中，巖屑顆粒垂向空間很小，在滑落過程中不斷受到鉆柱、井壁和其他固體顆粒的影響，不斷地發(fā)生碰撞和交換，所以在水平井環(huán)空中巖屑顆粒的滑脫末速較直井中的滑落速度小。通過試驗得到修正參數(shù)為Δ=10。即水平井筒修正后的滑落末速為

(4)

在實際鉆井過程中，假定環(huán)空中流體過流斷面為勻速的，巖屑顆粒沿流體運動方向速度與流體一致。顆粒在鉆井液中以滑脫末速勻速下沉，直至井筒下部。巖屑顆粒的運動軌跡如圖1。

圖1　巖屑顆粒在勻速流體中的運動軌跡示意

設(shè)顆粒從初始位置到結(jié)束位置的水平位移為

(5)

式中：l為巖屑顆粒的水平位移；Dh為井筒直徑；vh為環(huán)空返速；vsx為修正后巖屑顆粒的滑落末速。

1.2水平井中巖屑床工具安放位置

巖屑床清除器具是一種有效的斜井巖屑床破壞工具，具有水力和機械雙作用破壞、清除巖屑床的特點。在鉆進時加放巖屑床清除器可以改善巖屑顆粒的運移狀態(tài)[3-5]。

螺旋形葉片和V形葉片基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，該類型葉片螺旋面螺旋線形一般為阿基米德螺線、拋物線或其他規(guī)則曲線，V形葉片則存在一段適當長度的逆向反轉(zhuǎn)葉片，螺旋形葉片和V形葉片一般由整體坯料銑削加工獲得。

a　螺旋形葉片

b　V形葉片

1.2.1螺旋形葉片和V 形葉片對巖屑的攜帶作用

1)壓力吸附作用 。由于過流面積減小，葉片附近軸線流速增加而壓力減小(文丘里效應(yīng))，會將工具附近的巖屑吸至葉片附近；螺旋形葉片和V形葉片排屑槽寬度變化會導(dǎo)致壓力差，排屑槽外側(cè)寬壓力高，內(nèi)側(cè)窄壓力低，這樣的排屑槽結(jié)構(gòu)有利于將井底的巖屑吸附至排屑槽內(nèi)側(cè)而脫離井底巖屑床，從而有機會使巖屑滯留在排屑槽里，隨著工具旋轉(zhuǎn)而被舉升至高邊高速主流區(qū)。如圖3所示。

圖3　螺旋形葉片前緣負角設(shè)計

2)螺旋形葉片機械挖掘和破壞作用。 螺旋形葉片的銳角前緣依靠純機械作用將巖屑從巖屑床面挖掘起來并留在排屑槽里，隨著工具旋轉(zhuǎn)而帶離環(huán)空低邊。 V形葉片與螺旋形葉片相比較，因存在一段長度逆向反轉(zhuǎn)葉片，在葉片局部對鉆井液環(huán)空流動有阻礙作用，而葉片旋轉(zhuǎn)時，將對鉆井液產(chǎn)生強烈的造渦作用，大量漩渦會對環(huán)空巖屑床不斷侵蝕。

通過巖屑床清除器對巖屑床的破壞和對巖屑顆粒的攜帶作用，使巖屑顆粒從井壁底部被拋離到環(huán)空上部，進入高流速區(qū)，增大了巖屑顆粒的運移距離。定義巖屑床清除器對巖屑顆粒的影響為“攜帶因子”。

1.2.2螺旋形葉片和 V形葉片對鉆井液的加速作用

1)螺旋形葉片和V形葉片對鉆井液的切向加速作用。 螺旋形葉片和V形葉片井眼清潔工具通常在切向布置多個葉片，一般 5～9 個不等，而且葉片直徑大于鉆桿，井眼清潔工具在隨鉆桿旋轉(zhuǎn)過程中將對鉆井液起到切向加速和軸向加速作用，給井眼低邊的巖屑補充懸浮動能。其中切向加速作用使工具葉片附近鉆井液近似剛性旋轉(zhuǎn)，但由于鉆井液的黏性，這種對鉆井液的切向加速作用隨著鉆井液遠離工具葉片而逐漸衰減。

2)螺旋形葉片和V形葉片對鉆井液的軸向加速作用。 對鉆井液的軸向加速作用則體現(xiàn)為在螺旋形葉片和V形葉片附近，一定質(zhì)量鉆井液軸向速度增加，根據(jù)連續(xù)性方程，附近必然有相同質(zhì)量流體減速，這樣就會在局部造成更高剪切速率，從而對巖屑床產(chǎn)生侵蝕作用。

3)螺旋形葉片對巖屑的循環(huán)推動作用。 巖屑顆粒在排屑槽內(nèi)部向井口運送的過程中會沿順時針(視線方向為從井口指向鉆頭)滑動，形成了循環(huán)往復(fù)。在循環(huán)過程中旋轉(zhuǎn)作用使巖屑顆粒的切向和軸向速度增加，提高巖屑傳輸效率。巖屑循環(huán)推動作用如圖4。

圖4　循環(huán)推動巖屑作用示意

1.2.3巖屑床清除器流場分析

a　單個120 r/min時

b　單個80 r/min時

c　整體120 r/min時

a　單個120 r/min時

b　單個80 r/min時

c　整體120 r/min時

不同旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下巖屑床清除器的進出口速度對比如表1。

表1　不同旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下巖屑床清除器進出口速度對比

從表1可以看出，同種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，A型巖屑床清除器優(yōu)于B型，旋轉(zhuǎn)速度越快巖屑清除器加速效果越好；旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下單個巖屑床清除器的加速效果明顯低于組合管柱型。

通過流場分析可知巖屑床清除器對井筒中流體產(chǎn)生很大的加速效果。清除器的加放可明顯提高鉆井液流速，改善攜巖效果，達到巖屑床防治的目的。

1.2.4安放位置計算

通過分析可知，水平井筒中巖屑顆粒在不受干擾的情況下在水平運移的距離L=vh×t。清除器的安放位置若超出L，巖屑顆粒就會滑落到井壁下側(cè)形成巖屑床，故巖屑床清除器的安放位置為

式中：α為巖屑床清除器的攜帶因子，α=1～2；β為巖屑床清除器的加速因子，β=流場速度增加倍率。

2現(xiàn)場應(yīng)用

某JZ25-1-A37井，井筒內(nèi)徑311.15mm，鉆柱外徑127mm，巖屑密度2.25g/cm3，粒徑4.20mm，鉆井液密度為1.25g/cm3，排量3.80L/min。在井深1 841m至2 040m處，井斜角為61.99及65.67時達到穩(wěn)斜，在此段加B型巖屑床清除器。

用旋轉(zhuǎn)黏度計測得的鉆井液相關(guān)數(shù)據(jù)如表2。

表2　鉆井液數(shù)據(jù)

環(huán)空面積S=0.063 338 m2

流量Q=3.8/60=0.063 333 m3/s

使用Moore公式求巖屑顆粒的滑脫速度：

則環(huán)空返速為0.999 926 m/s時的鉆井液黏度為

假設(shè)為中等顆粒雷諾數(shù)1

反算顆粒雷諾數(shù)為

說明假定的顆粒雷諾數(shù)范圍是合適的，使用中等顆粒雷諾數(shù)的Moore公式計算巖屑滑落速度時合理的。

水平井筒滑落速度修正結(jié)果為

考慮巖屑床清除器的影響，取巖屑床清除器的攜帶因子α=1.12，經(jīng)數(shù)值模擬取巖屑床清除器的加速因子β=1.28。則巖屑床清除器的安裝距離為

故建議井深1 841 m至2 040 m井段需安裝2個巖屑床清除器，間距約為68 m。

JZ25-1-A37井按照設(shè)計加放了2個巖屑床清除器，間距為72 m。鉆井過程中憋、卡鉆情況明顯減少，巖屑返出正常。

3結(jié)論

1)同種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，使用巖屑床清除器優(yōu)于未使用清除器，旋轉(zhuǎn)速度越快巖屑清除器加速效果越好；旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下單個巖屑床清除器的加速效果明顯低于組合管柱型。

2)在大斜度井鉆進時巖屑床清除器安放在大斜度井的巖屑床多發(fā)部位，破壞巖屑床和提高鉆井液流速。水平井筒中巖屑顆粒在不受干擾的情況下在水平運移的距離為l，巖屑床清除器安放位置超出l時，巖屑顆粒就會滑落的井壁下側(cè)形成巖屑床。

3)用本計算方法下入的巖屑床清除器，有效地減小了井下復(fù)雜情況的發(fā)生。通過巖屑的上返情況判斷井眼得到了很好的清潔，為大斜度井巖屑床清除器的加放提供了理論依據(jù)。

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Calculating Spacing for Cutting-bed-remover in Highly Deviated Wells

LIU Xiaogang1，F(xiàn)AN Baitao1，2，YANG Jin3，CUI Zhijun1，ZHAO Jing3，LI Changlin3，YUE Wenkai3，DENG He3

(1.TianjinLtd.，CNOOC，Tianjin300452，China；2.NationalMajorLaboratoryofMarinePetroleumExploitationinHighEfficiency，Tianjin300452，China；3.ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102200，China)

Abstract：In the process of drilling，keeping the hole cleaning is important for drilling safely and efficiently.Cutting-bed-remover is added when drilling can effectively guarantee the wellbore cleaning.Quotes from Moore particle slip velocity formula and flow field analysis of cutting-bed-remover is amended，a simple method of calculating spacing for cutting-bed-remover in highly deviated well simple calculation method is given to guide the construction in this article.

Keywords：highly deviated wells；cutting-bed-remover；moore particle slip velocity；the flow field analysis；calculating spacing

中圖分類號：TE926

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.010

作者簡介：劉小剛(1978-)，男，高級工程師，碩士，主要從事海洋石油鉆完井技術(shù)研究，E-mail：haigongzhaojing@163.com。

收稿日期：①2015-09-22

文章編號：1001-3482(2016)03-0046-05