余萬順，汪海閣，紀國棟

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院研究生部，北京 100083；2.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102206）

葉片形狀對巖屑床清除工具作用效果的影響規(guī)律

余萬順1，2，汪海閣2，紀國棟2

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院研究生部，北京 100083；2.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102206）

近年來出現(xiàn)的多種不同結(jié)構(gòu)形狀的巖屑床清除工具，能有效提高復(fù)雜井的巖屑清除效率，彌補傳統(tǒng)巖屑清除方法的不足?，F(xiàn)有研究對不同類型巖屑床清除工具作用機理的認識并不完全，制約了其進一步的開發(fā)與應(yīng)用。為了分析不同葉片形狀對巖屑床清除工具作用效果的影響規(guī)律，采用CFD（計算流體動力學(xué)）軟件，對3種形狀（螺旋形葉片、V形葉片、直棱形葉片）的巖屑床清除工具環(huán)空流場的流動特性進行了仿真模擬。結(jié)果表明：3種工具都有助于巖屑床的破壞和巖屑在環(huán)空中的運移，但不同巖屑床清除工具在井筒流場的壓力、速度、渦流特征、巖屑分布方面具有各自的作用特點；在巖屑床清除效果方面，螺旋形和V形巖屑床清除工具強于直棱形。這些都為工具的使用選型和研制優(yōu)化提供了重要的參考價值。

巖屑床；水平井；葉片；多相流；數(shù)值模擬

0 引言

與直井相比，水平井在鉆進過程中，巖屑易沉向下井壁且不易清除，形成巖屑床［1-3］。有效破壞并清除巖屑床對于提高水平井鉆完井效率至關(guān)重要。傳統(tǒng)巖屑床清除方法已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)在的巖屑清除要求［4］。近年來，巖屑床清除工具作為一種新型提高巖屑運移效率的工具，不僅能夠防止巖屑床的形成，而且能夠從水力和機械方面對已形成的巖屑床及時破壞和清除［5-10］。

在巖屑運移這類復(fù)雜流動問題的典型2種研究方法中，CFD（計算流體動力學(xué)）方法比實驗方法節(jié)約時間和經(jīng)濟成本，具有更強的可操作性，并且能夠提供更加細致全面的可視結(jié)果信息［11-12］。故本文利用CFD軟件對巖屑床清除工具及鉆柱周圍的環(huán)空流場進行了精細且合理的網(wǎng)格劃分，模擬了3種典型形狀巖屑床清除工具環(huán)空流場的流動特性，從水平井環(huán)空壓降、流場軸向及切向速度分布、渦流特征，巖屑沿井眼軸向及切面方向分布等方面對結(jié)果進行了對比。

1 工具作用原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

典型的巖屑床清除工具結(jié)構(gòu)設(shè)計有直棱形、螺旋形、V形，以及它們之間的組合設(shè)計（見圖1a—1c）。

一般認為，3種類型巖屑床清除工具均能夠使鉆井液產(chǎn)生徑向的圓周流場。其中，徑向流速不僅有利于減緩巖屑顆粒的沉降速度，而且能促使巖屑顆粒之間發(fā)生碰撞，相互擾動。工具機械旋轉(zhuǎn)會增大環(huán)空流場的紊流強度，攪動已經(jīng)形成的巖屑床，使其破壞。對于螺旋形巖屑床清除工具，槽道結(jié)構(gòu)可以促使巖屑在其內(nèi)部形成較為穩(wěn)定的循環(huán)滑動，有助于提高巖屑的傳輸效率；對于V形巖屑床清除工具，反轉(zhuǎn)葉片的存在，會阻礙局部環(huán)空流場流動，但這種結(jié)構(gòu)葉片在旋轉(zhuǎn)時，會對周圍流場產(chǎn)生強烈的擾動，形成大量的漩渦，沖蝕已經(jīng)形成的巖屑床［13］。

3種巖屑床清除工具均適用于215.9 mm井眼，葉片外徑均為188 mm，內(nèi)徑70 mm；葉片長度300 mm，數(shù)量6個，軸向均布。直棱形葉片平行于鉆桿軸線；螺旋形及V形前后葉片螺距1 500 mm。V形葉片開口方向與鉆桿旋轉(zhuǎn)方向相反，以葉片軸線中點為折轉(zhuǎn)點。為避免葉片過流面積變化對周圍流場形成干擾，準確地對3種工具的作用效果進行比較，葉片部分徑向切面的形狀完全相同（見圖1d）。

圖1 巖屑床清除工具結(jié)構(gòu)示意

2 CFD模擬計算模型

2.1 物理模型

前人采用數(shù)值模擬方法對巖屑床清除工具進行過大量研究［7-9，13-14］，但存在一些不足：假設(shè)環(huán)空中流體為單相；僅對葉片及附近環(huán)空流場進行了模擬計算；不能完全判斷工具的影響范圍。

本文假設(shè)鉆井液、巖屑在環(huán)空中流動為兩相流，并擴大計算模型中工具周圍的流場范圍，更加真實、綜合地模擬巖屑床清除工具對井底流場及巖屑分布方面的影響。設(shè)計物理模型如圖2所示。流場中，鉆柱與工具葉片角速度相同。

圖2 巖屑床清除工具物理模型示意

2.2 網(wǎng)格劃分

考慮到計算流體動力學(xué)中細長管道模型模擬結(jié)果的穩(wěn)定性和準確性，本文選取了滑移網(wǎng)格方法模擬工具與鉆柱的旋轉(zhuǎn)過程［15］：環(huán)空被劃分為內(nèi)外2個計算區(qū)域，靠近鉆柱表面的流體區(qū)域以一恒定角速度剛性旋轉(zhuǎn)，交界面上使用通量差值傳遞的方法進行壓力、速度、巖屑體積分數(shù)等參數(shù)信息交換。采用結(jié)構(gòu)型六面體對計算域進行網(wǎng)格劃分，并對工具葉片兩邊、槽道區(qū)域和近壁面區(qū)域網(wǎng)格進行加密，網(wǎng)格總個數(shù)為2.4×106（見圖3）。

圖3 螺旋形巖屑床清除工具計算域的結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)格特征

2.3 數(shù)學(xué)計算模型及求解方法

本文選用Realiable κ-ε模型模擬湍流充分發(fā)展區(qū)域，歐拉模型模擬固-液兩相之間的相互作用［16］?？刂品匠探M采用有限體積法一階迎風(fēng)格式進行離散；采用Phrase Coupled SIMPLE算法進行相間壓力-速度耦合計算［17］。

2.4 邊界條件與初始條件

入口邊界定義為速度入口條件，速度方向垂直于入口邊界，固液混合流體流入鉆桿環(huán)空時速度均為1.2 m/s，鉆井液流量30 L/s。葉片壁面及鉆柱壁面按旋轉(zhuǎn)壁面處理，其轉(zhuǎn)速、方向與鉆具相同，轉(zhuǎn)速120 r/min。鉆井液密度為1 200 kg/m3，黏度為30 mPa·s；巖屑顆粒設(shè)置為球形，密度為2 600 kg/m3，粒徑為2 mm，入口巖屑體積分數(shù)為5.0%。模擬井筒井斜角為90°。出口邊界定義為壓力出口條件，壓力為101 325 Pa。

3 壓降分析

環(huán)空巖屑的總壓力變化規(guī)律基本相同，整體呈線性降低趨勢，工具的存在不會導(dǎo)致環(huán)空井筒流體壓力場大規(guī)模紊亂（見圖4）。其中，藍色陰影部分為工具葉片所在位置，以下同。

3種葉片附近水頭總壓力都有明顯下降?？v向坐標Z為0～3.000m處，螺旋形葉片產(chǎn)生的總壓降為5233 Pa，V形為5 408 Pa，直棱形為3 220 Pa。這說明3種工具都會產(chǎn)生壓降，但壓降不大，V形壓降基本與螺旋形相當(dāng)，二者均大于直棱形。Z為0～0.300 m處，流體經(jīng)過螺旋形葉片總壓降為2 428 Pa，V形為3 125 Pa，直棱形為1 672 Pa。螺旋形壓降大于直棱形，二者均小于V形，說明在巖屑床清除工具葉片流道范圍內(nèi)，V形葉片比另外2種類型葉片產(chǎn)生了更高的壓降。

圖4 環(huán)空水頭總壓力沿軸線方向變化

4 環(huán)空速度場分布規(guī)律

4.1 軸向速度

圖5為從入口到葉片后8 m處環(huán)空巖屑軸向速度徑向平均值沿軸線的變化。

圖5 環(huán)空巖屑軸向速度徑向平均值沿軸線變化

由圖5可見：葉片附近巖屑軸向速度明顯增加，3種葉片增加幅度基本相等；巖屑流出葉片槽道后，軸向速度均迅速降低，但根據(jù)Z為0～3.000 m環(huán)空巖屑軸向速度分布情況，螺旋形葉片對其后方巖屑軸向速度的保持能力大于另外2種葉片。

4.2 切向速度

3種巖屑床清除工具都對環(huán)空流體切向速度場有較大的擾動，螺旋形與V形工具的切向速度徑向平均值大小基本相當(dāng)，分別為1.2，1.1 m/s，都大于直棱形的0.6 m/s（見圖6）。在巖屑經(jīng)過螺旋形葉片時，切向速度大小迅速增加，之后維持在0.8～1.2 m/s；在V形葉片的流道中，巖屑速度大小先升后降，在葉片區(qū)域末端，巖屑切向速度低于螺旋形與直棱形；在直棱形葉片的流道中，巖屑速度穩(wěn)定增加，在葉片區(qū)域末端速度達到最大值。通過葉片區(qū)域后，三者切向速度的衰減速率從大到小依次為螺旋形、直棱形、V形。切向速度影響范圍方面，螺旋形略大于直棱形，二者均大于V形；在Z為5.000 m后，三者切向速度徑向平均值大小不再減小，保持穩(wěn)定。

圖6 環(huán)空巖屑切向速度徑向平均值沿軸線變化

選取Z為－0.050，0.001，0.100，0.150，0.200，0.299，0.400 m等7個典型切面，分析3種工具對巖屑切向速度分布特征的影響。其規(guī)律如下：1）巖屑在進入螺旋形工具流道后，在0.100 m處已加速至速度最大值。之后，切向速度最大值基本保持穩(wěn)定，在出口處開始有所減小；螺旋形切向速度最大值為1.85 m/s。2）巖屑在進入V形葉片流道后，同樣在0.100 m處達到切向速度最大值，大小略小于螺旋形，但從V形葉片拐角處至葉片末端，切向速度大小持續(xù)減小。實際上，V形工具后段葉片流道對巖屑切向速度具有明顯的反向加速作用，當(dāng)環(huán)空入口流速增加到5 m/s時，巖屑切向速度徑向平均值會反向加速到正值（見圖7）。3）巖屑在進入直棱形葉片流道后，同樣在Z為0.100 m處達到切向速度最大值，大小介于螺旋形與V形最大切向速度之間，并在Z為0.100～0.300 m流道內(nèi)保持穩(wěn)定；出葉片后，切向速度大小開始降低。

圖7 V型工具巖屑切向速度徑向平均值變化

4.3 造渦效果

3種工具對井筒流場的造渦特征和紊流效果各不相同。如圖8所示：1）在螺旋形葉片槽道內(nèi)，流場中形成了比較穩(wěn)定的單向渦流，槽道之后環(huán)空流場中存在穩(wěn)定的扁平狀渦流，Z為0.700 m處扁平狀渦流仍然清晰可見，在Z為1.500 m處基本消失。2）V形葉片槽道內(nèi)，Z為0～0.150 m段環(huán)空流場中形成了穩(wěn)定的渦流，在葉片轉(zhuǎn)折處（Z為0.150 m），槽道內(nèi)部有2層反向渦流。之后，Z為0.200 m處流場混亂，不能夠形成規(guī)律流動。在Z為0.300 m處，巖屑顆粒通過葉片之后，渦流已經(jīng)基本趨向穩(wěn)定。3）直棱形葉片整個槽道內(nèi)形成了比較穩(wěn)定的單向渦流，但渦流強度明顯低于螺旋形，出槽道后，在Z為0.500 m處渦流已經(jīng)比較微弱，Z為0.700 m處渦流基本消失。

圖8 巖屑床清除工具環(huán)空軸向剖面流線

5 環(huán)空巖屑分布規(guī)律

5.1 巖屑沿環(huán)空整體分布特征

巖屑進入流場后迅速開始沉降，巖屑體積分數(shù)由均勻分布狀態(tài)迅速向0～0.2%，0.8%～1.0%的區(qū)間聚集；巖屑在經(jīng)過葉片流道時，受到葉片的作用，巖屑體積分數(shù)為0.8%～1.0%的點迅速減小至消失，通過葉片作用區(qū)域環(huán)空流場后，巖屑體積分數(shù)重新向0～0.2%，0.8%～1.0%的區(qū)間聚集；從巖屑體積分數(shù)方面而言，3種形狀工具作用范圍從大到小依次為螺旋形、直棱形、V形（見圖9）。

5.2 局部巖屑沉降分布特征

螺旋形巖屑床清除工具環(huán)空巖屑床的面積低于直棱形，環(huán)空中有部分巖屑被卷攜至環(huán)空高邊；V形巖屑床清除工具環(huán)空巖屑床的面積最小，部分巖屑被卷攜脫離巖屑床，但仍在低邊運移；直棱型巖屑床清除工具巖屑體積分數(shù)分布也體現(xiàn)了工具對巖屑的卷攜作用，但效果不如另外兩者明顯（見圖10）。這說明螺旋形巖屑床清除工具對環(huán)空巖屑具有更高的卷攜作用，促使巖屑脫離環(huán)空低邊；而V形巖屑床清除工具對巖屑床具有更強的擾動能力，在破壞已形成巖屑床和抑制巖屑床形成方面具有更好的效果。

圖9 巖屑體積分數(shù)軸向分布

圖10 巖屑沿環(huán)空局部體積分數(shù)分布

6 結(jié)論

1）3種工具都會產(chǎn)生壓降，其中V形葉片巖屑床清除工具造成壓降最大，其次是螺旋形，直棱形最小。

2）由于過流面積減小以及葉片旋轉(zhuǎn)對流場擾動的影響，3種工具葉片附近局部環(huán)空軸向速度增加，增速效果基本相同。螺旋形葉片對其后環(huán)空流場軸向速度的保持能力最強。

3）巖屑進入工具葉片槽道后，切向速度都會迅速增大，螺旋形與V形工具的增速效果明顯強于直棱形；巖屑在V形葉片拐點之后槽道內(nèi)，切向速度減小，甚至反向加速。V形巖屑床清除工具具有最大的切向速度場擾動能力。

4）螺旋形葉片具有最強的造渦和保持渦流能力；V形葉片能夠形成2種轉(zhuǎn)向不同的渦流，但保持渦流的效果明顯低于螺旋形；直棱形葉片造渦能力最弱，同時，渦流離開葉片槽道后迅速消失。

5）巖屑分布規(guī)律上，螺旋形葉片巖屑床清除工具影響范圍更遠，對水平井環(huán)空下端井壁巖屑卷攜作用更強，但V形巖屑床清除工具對已經(jīng)形成大的巖屑床的破壞作用效果更強。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Analysis on function of cuttings bed remover in different shapes

YU Wanshun1，2,WANG Haige2,JI Guodong2
(1.Research Institute of Petroleum Exploration&Development,Beijing 100083,China; 2.CNPC Drilling Research Institute,Beijing 102206,China)

In recent years,cuttings bed removers in many different shapes are created to promote cuttings transport in the wellbore, which have developed the methods to break and clean cuttings bed,and are proved helpful.However vague understanding on the function of cuttings bed remover limits its further development in our research.In order to distinguish the effects of different tools, three kinds of cuttings removers are designed,including straight rhombus blade,S-shaped blade and V-shaped blade.CFD is used to numerically simulate the drill fluid flow field near cuttings removers and pipes.Simulation results were compared and analyzed in terms of pressure field,velocity field,streamline trajectories characteristics and the distribution of cuttings,thus effect features among tools with different structures are studied.On cuttings bed removal effect,spiral shaped and V shaped tool are better than straight blade,and the former two tools′effect on the distribution of debris have their own characteristics.These results provide theoretical support for the design,manufacture and field application of cuttings remover.

cuttings bed;horizontal well;blade;multiple phase flow;numerical simulation

國家科技重大專項課題“工廠化鉆井關(guān)鍵技術(shù)、裝備研究及應(yīng)用”（2016ZX05022-001）

TE21

：A

10.6056/dkyqt201701027

2016-06-25；改回日期：2016-10-26。

余萬順，男，1993年生，油氣井工程專業(yè)在讀碩士研究生。E-mail：yuwsdr@cnpc.com.cn。

余萬順，汪海閣，紀國棟.葉片形狀對巖屑床清除工具作用效果的影響規(guī)律［J］.斷塊油氣田，2017，24（1）：120-124.

YU Wanshun，WANG Haige，JI Guodong.Analysis on function of cuttings bed remover in different shapes［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（1）：120-124.