李 斐 魏 來(lái) 郝英狀 劉禹銘 郝宙正 路飛飛 鄒書(shū)強(qiáng)

1. 中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院, 新疆 烏魯木齊 830011;2. 中國(guó)石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 烏魯木齊 830011;3. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司, 天津 300452

0 前言

因巖屑攜帶困難,不斷沉積形成的巖屑床是大斜度、大位移定向井和水平井鉆井施工過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題,巖屑床造成的憋泵、蹩鉆等復(fù)雜情況會(huì)嚴(yán)重影響鉆井安全和鉆進(jìn)效果,可能帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失[1-6],必須及時(shí)、有效地清除巖屑床。傳統(tǒng)巖屑清除方法主要有:提高鉆桿轉(zhuǎn)速、環(huán)空鉆井液流動(dòng)速度和改善鉆井液性能及機(jī)械清除等[7-13]。但是,受鉆井工具的限制,提高鉆桿轉(zhuǎn)速可能會(huì)造成鉆具失效;提高環(huán)空鉆井液流動(dòng)速度不僅受到鉆井泵功率限制,還會(huì)造成對(duì)井壁的過(guò)度沖刷;改善鉆井液性能需要較高費(fèi)用,且對(duì)巖屑床清除效果的提升很有限;機(jī)械清除會(huì)加大起下鉆工作量,降低工作效率。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出在鉆桿上增設(shè)螺旋槽道結(jié)構(gòu)的新型水力機(jī)械井眼凈化裝置[14-17],槽道結(jié)構(gòu)對(duì)鉆井液具有攪動(dòng)作用,可提高巖屑攜帶能力。陳鋒等人[18]通過(guò)在鉆桿外表面布置特殊的螺旋槽道結(jié)構(gòu),研發(fā)了一種高效巖屑床清除工具,并通過(guò)數(shù)值仿真揭示了此種結(jié)構(gòu)鉆桿實(shí)現(xiàn)巖屑清除的工作原理。余萬(wàn)順等人[19-20]以三種不同螺旋槽道葉片形狀(螺旋形葉片、V形葉片、直棱形葉片)的巖屑床清除工具為研究對(duì)象,研究了不同的葉片形狀對(duì)巖屑床清除工具作用效果的影響規(guī)律。結(jié)果表明:三種螺旋槽道葉片形狀均能有效地提高巖屑床的清除效果,但它們的流場(chǎng)特征卻不同,在巖屑床清除效果方面,螺旋形和V形巖屑床清除工具強(qiáng)于直棱形。該作者通過(guò)設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋形巖屑床清除工具,進(jìn)一步研究了葉片長(zhǎng)度、高度和葉片數(shù)對(duì)巖屑床清除工具作用效果的影響規(guī)律。

對(duì)巖屑床清除工具的研究仍處于起步階段,針對(duì)螺旋葉片相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)(螺旋槽道長(zhǎng)度、螺旋葉片螺距等)的研究較少。本文采用流體動(dòng)力學(xué)的方法,進(jìn)一步研究了巖屑床清除工具螺旋槽道相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其清除性能的影響和規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型

流體運(yùn)動(dòng)控制方程主要包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及能量方程,其通用控制方程為[21]:

(1)

式中:t為時(shí)間變量,s;ρ為密度,kg/m3;φ為通用變量,可以代表速度分量u、v、w等求解變量,m/s;V為速度矢量,m/s;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為廣義源項(xiàng)。式(1)各項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)于瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。

Reynolds平均法是目前使用最為廣泛的湍流數(shù)值模擬方法,由于Realizable k-ε湍流模型對(duì)強(qiáng)旋流動(dòng)計(jì)算相較于其他幾種湍流模型有較高的精度,本文選用Realizable k-ε湍流模型。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 幾何模型

巖屑床清除器最為主要的特征之一就是它的螺旋槽道結(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)生更有力的沖刷效果,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。圖1給出了巖屑床清除工具螺旋槽道的結(jié)構(gòu)示意圖,L1代表第一段螺旋槽道的長(zhǎng)度,L2代表第二段螺旋槽道的長(zhǎng)度,P代表螺距。螺旋槽道的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為:巖屑床清除工具的鉆桿直徑89 mm,葉片數(shù)5,螺旋槽道段最大外徑120 mm,旋轉(zhuǎn)速度60 r/min。此外,井眼直徑165 mm。

圖1 巖屑床清除工具模型圖Fig.1 Cuttings bed remover tool model

2.2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

巖屑床清除工具在高速旋轉(zhuǎn)下會(huì)帶動(dòng)螺旋槽道中的流體一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此,計(jì)算區(qū)域劃分為旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域,見(jiàn)圖2。對(duì)于旋轉(zhuǎn)區(qū)域的流動(dòng),采用多參考系模型(MRF)進(jìn)行模擬。旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域的流場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

邊界條件設(shè)置如下:入口設(shè)為速度入口邊界,大小為0.972 m/s(對(duì)應(yīng)的環(huán)空流量為15 L/s,環(huán)空截面面積為 0.015 429 m2);出口設(shè)為壓力出口,表壓為0 Pa;井壁(外壁面)采用無(wú)滑移固定壁面條件;鉆桿外表面(內(nèi)壁面)采用旋轉(zhuǎn)壁面邊界,旋轉(zhuǎn)速度為60 r/min。

圖2 計(jì)算區(qū)域圖Fig.2 Computational domain

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用四面體及六面體的混合網(wǎng)格類型,表面網(wǎng)格最大尺寸4 mm,最小尺寸0.5 mm。為了準(zhǔn)確模擬隨鉆堵漏工具旋流噴嘴壁面附近的附面層流動(dòng),劃分了邊界層,其第一層高度為0.1 mm,增長(zhǎng)率為1.1,共計(jì)12層,網(wǎng)格數(shù)量為 1 200 萬(wàn),見(jiàn)圖3。

a)表面網(wǎng)格a)Surface mesh

b)邊界層網(wǎng)格b)Boundary layer mesh

3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果將從截面速度場(chǎng)、環(huán)空流場(chǎng)兩個(gè)方面來(lái)闡述清除器周圍的流場(chǎng)。首先,對(duì)螺旋槽段的形狀進(jìn)行了設(shè)計(jì)以及比選,之后研究了螺旋槽道段的長(zhǎng)度比例以及螺距對(duì)巖屑清除器性能的影響。

3.1 螺旋槽道形狀

圖4給出了三種不同螺旋槽道形狀的巖屑床清除工具的結(jié)構(gòu)外形示意圖,分別記為A型-簡(jiǎn)單螺旋,B型-雙段螺旋,C型-直楞型螺旋。

圖4 不同巖屑床清除工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of different structuresof cutting bed remover tool

圖5給出了不同巖屑床清除工具不同橫截面的速度分布情況,截面位置見(jiàn)圖1,截面1位于入口端,截面2位于第一段螺旋槽段區(qū)域內(nèi),截面3位于第二段螺旋槽道范圍內(nèi),截面4位于出口端。由圖5可知，來(lái)流經(jīng)過(guò)螺旋槽段后氣流速度均得到不同程度的增大。

通過(guò)對(duì)比截面1可知，在相同來(lái)流條件下,三種巖屑床清除器入口端的流場(chǎng)分布一致,表明了三種工況計(jì)算參數(shù)設(shè)置的一致性。在截面2,B型清除工具的截面流速比A、C型清除工具截面流速低。原因在于:A型結(jié)構(gòu)的第一段螺旋葉片螺距與B型相比更小,對(duì)氣流的加速作用更強(qiáng);而C型結(jié)構(gòu)的螺旋槽道形狀的截面積較小且對(duì)流體的阻礙作用小于B型,使得截面的流速更大。對(duì)于截面3而言,B型清除工具的截面流速更大,這是由于氣流經(jīng)過(guò)第一段螺旋槽道加速,到達(dá)第二段螺旋槽道后氣流通過(guò)的截面面積改變且受到第二段螺旋葉片的引導(dǎo)作用,速度得到進(jìn)一步的增大;而A、C型結(jié)構(gòu)由于第一段與第二段螺旋槽道結(jié)構(gòu)相同,截面2與截面3的流速分布一致。對(duì)比截面4可知，由于氣流通過(guò)面積增大,氣流速度會(huì)有一定程度的減小。由于B型結(jié)構(gòu)在截面3處的流速更大,因此在出口端截面4,B型清除工具的截面速度場(chǎng)分布更大。綜上所述,B型-雙段螺旋結(jié)構(gòu)的巖屑床清除工具的性能優(yōu)于A型-簡(jiǎn)單螺旋和C型-直楞型螺旋結(jié)構(gòu)的巖屑床清除工具的性能。

3.2 螺旋槽道長(zhǎng)度比例

針對(duì)性能較好的B型-雙段螺旋結(jié)構(gòu),進(jìn)一步研究雙段螺旋槽段長(zhǎng)度比例對(duì)巖屑床清除工具性能的影響。為對(duì)比兩段螺旋槽道長(zhǎng)度比例對(duì)巖屑清除器性能的影響,建立了四種不同長(zhǎng)度比例的計(jì)算模型,見(jiàn)圖6。最關(guān)注的指標(biāo)是截面速度場(chǎng)分布,由于截面1與截面2速度場(chǎng)分布的對(duì)比性較弱,圖7僅給出了截面3與截面4的速度場(chǎng)對(duì)比結(jié)果。由圖7可知，在螺旋槽道總長(zhǎng)不變的情況下,增大第二段螺旋槽道的長(zhǎng)度,出口端截面4的速度有所增大,當(dāng)繼續(xù)增大時(shí),出口端截面的速度變化很小。在第二段螺旋槽道長(zhǎng)度對(duì)出口截面的影響較小的范圍內(nèi),考慮整體螺旋段旋轉(zhuǎn)摩阻越小越好,優(yōu)選L1/L2=1.4的工況。

圖5 不同巖屑床清除工具的截面速度場(chǎng)分布圖Fig.5 Cross section velocity field distribution of different cuttings bed remover tools

圖6 不同螺旋槽道長(zhǎng)度比例模型圖Fig.6 Different proportions of spiral channel length

圖7 螺旋槽道長(zhǎng)度比例對(duì)速度場(chǎng)的影響圖Fig.7 Effect of spiral channel length ratio on velocity field

3.3 第一段螺旋槽道葉片螺距

下面研究螺旋槽段的葉片螺距對(duì)雙段螺旋型清除工具性能的影響,設(shè)計(jì)了四種第一段螺旋葉片螺距不同的清除工具進(jìn)行對(duì)比分析,見(jiàn)圖8。圖9給出了不同工況下,計(jì)算區(qū)域截面2與截面4的速度分布。由圖9可知，第一段螺旋槽道的葉片螺距對(duì)巖屑床清除工具的性能影響較小。

圖8 第一段螺旋槽道不同葉片螺距的清除工具對(duì)比圖Fig.8 Removers of different pitch of the first spiral channel

3.4 第二段螺旋槽道葉片螺距

圖10給出了四種第二段葉片螺距不同的清除工具結(jié)構(gòu)。其速度場(chǎng)分布見(jiàn)圖11。由圖11可知，第二段螺旋槽道的螺旋型葉片螺距的影響大于第一段。在螺旋葉片數(shù)以及螺旋槽道長(zhǎng)度不變的情況下,第二段螺旋槽道的葉片螺距越小,出口截面的速度更大,更有利于巖屑床清除工具的巖屑清除。

圖9 第一段螺旋槽道葉片螺距對(duì)速度場(chǎng)的影響圖Fig.9 Effect of different pitch of the first spiral channel on velocity field

圖10 第二段螺旋槽道不同葉片螺距的清除工具結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Removers of different pitch of the second spiral channel

圖11 第二段螺旋槽道葉片螺距對(duì)速度場(chǎng)的影響圖Fig.11 Effect of different pitch of the second spiral channel on velocity field

圖12進(jìn)一步給出了基于Q準(zhǔn)則以速度著色的環(huán)空流場(chǎng)的渦量等值面圖。由圖12可知，第二段螺旋槽道的葉片螺距為50 mm時(shí)與其他工況對(duì)比,鉆桿以及環(huán)空流場(chǎng)產(chǎn)生的渦量更大,更有利于帶動(dòng)巖屑做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)把巖屑導(dǎo)向井眼上方。

圖12 基于Q-準(zhǔn)則的渦量等值面圖Fig.12 Vorticity isosurface map based on Q-criterion

4 結(jié)論

1)螺旋槽道形狀對(duì)巖屑清除工具的性能有很大的影響,通過(guò)對(duì)三種不同螺旋槽道形狀的巖屑清除工具的流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:雙段螺旋型結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)于簡(jiǎn)單螺旋和直楞型結(jié)構(gòu)的巖屑清除工具。

2)雙段螺旋槽道結(jié)構(gòu)的巖屑清除工具的性能受兩段螺旋槽道長(zhǎng)度比例、第一段以及第二段螺旋葉片的螺距影響。在螺旋槽道總長(zhǎng)不變的情況下,適當(dāng)增大第二段螺旋槽道的長(zhǎng)度,有利于提高其性能;第一段螺旋葉片的螺距對(duì)巖屑床清除工具的性能影響較小;第二段螺旋葉片的螺距對(duì)巖屑床清除工具的性能影響較大,在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下,螺距越小性能越好。