紀(jì)國棟 汪海閣 黃洪春 孟 昭 崔 柳 郭衛(wèi)紅

1.中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司 2.中國石油勘探開發(fā)研究院

0 引言

在水平井、大位移井、多分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井作業(yè)過程中，其水平井段巖屑容易堆積形成巖屑床，進而出現(xiàn)井眼不清潔的問題[1-2]。如果不能及時將井眼環(huán)空內(nèi)的巖屑除去，巖屑將逐漸堆積在井眼環(huán)空低邊，導(dǎo)致鉆柱摩阻扭矩大、托壓嚴(yán)重，致使長水平段水平井鉆井速度慢、周期長、成本高，嚴(yán)重時甚至造成卡鉆、鉆具斷落等井下安全事故[3-4]。因此提高水平井段井眼清潔效率、抑制巖屑床生成，是確保鉆井作業(yè)高效平穩(wěn)運行的重要手段之一。

國內(nèi)外學(xué)者針對環(huán)空井筒內(nèi)的巖屑運移問題開展了大量的實驗和數(shù)值模擬研究[5-7]。Sorgun[8]對鉆桿旋轉(zhuǎn)下巖屑運移對壓力損失的影響進行了試驗研究，結(jié)果表明巖屑的堆積現(xiàn)象會引起環(huán)空內(nèi)壓力的下降，鉆桿的旋轉(zhuǎn)作用可以顯著減少井筒環(huán)空內(nèi)鉆井液的摩擦壓力損失，提高井筒環(huán)空內(nèi)巖屑的清潔效率；WANG 等[9]使用CFD 軟件對井筒環(huán)空內(nèi)液固兩相流進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，準(zhǔn)螺旋流是水平環(huán)空內(nèi)液固運移的主要流型，鉆桿的旋轉(zhuǎn)增加了環(huán)空內(nèi)固體顆粒和液體的擾動；SUN 等[10]使用CFD 軟件采用歐拉多相流模型模擬了鉆桿旋轉(zhuǎn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖屑運移行為的影響，結(jié)果表明鉆桿旋轉(zhuǎn)作用會顯著影響井筒環(huán)空內(nèi)巖屑分布狀態(tài)。鉆桿旋轉(zhuǎn)作用對巖屑運移具有重要影響，因為它可以在環(huán)空內(nèi)誘導(dǎo)螺旋流，促進巖屑顆粒的運移。近年來，閆鐵等[11-13]提出了一種螺旋葉片式巖屑床清潔工具，該工具在鉆桿管體上加工若干螺旋形狀的葉片，通常葉片直徑與鉆桿接頭接近并與鉆桿連接使用。Puymbroeck 等[14-16]介紹了一種帶有雙螺旋葉片短節(jié)的復(fù)合井眼清潔工具，室內(nèi)實驗和現(xiàn)場測試表明該工具具有極好的巖屑床破壞能力，提高井眼清潔程度超過60%，鉆具摩阻減少30%。Rodman 等[17]研制了一種葉片式巖屑清潔工具，現(xiàn)場試驗表明其可有效解決井眼凈化和井眼質(zhì)量差的問題。Heitmann等[18]研制了一種在鉆桿上放置多簇“V”形葉片的巖屑清潔工具，現(xiàn)場應(yīng)用表明可有效地節(jié)省鉆井時間，并減少了套管和鉆頭的磨損問題。這一領(lǐng)域現(xiàn)有研究成果表明，“V”形葉片巖屑床清潔工具可以在環(huán)空內(nèi)誘導(dǎo)強烈的螺旋流動現(xiàn)象，有效地促進了巖屑運移，在工業(yè)應(yīng)用中的取得良好效果，但仍有一些問題需要進一步探討，如葉片旋轉(zhuǎn)速度和螺旋角等參數(shù)對巖屑床清除效果的影響尚不明確，而這些對于該巖屑床清潔工具的優(yōu)化和設(shè)計具有重要的意義。

“V”形葉片旋轉(zhuǎn)作用后的環(huán)空固液流動十分復(fù)雜，固相和液相間存在復(fù)雜的動量交換，暫時還沒有求解固液兩相納維—斯托克斯方程（N-S 方程）解析解的方法，近些年計算流體數(shù)值模擬技術(shù)（CFD）通過求解N-S 方程得到了廣泛的應(yīng)用，通過模擬可以觀察到葉片作用后環(huán)空流場的固液流動細節(jié)，作為實驗研究的有益補充。為此，筆者應(yīng)用CFD 數(shù)值模擬方法，采用歐拉—歐拉雙流體模型對“V”形葉片巖屑床清潔工具的葉片旋轉(zhuǎn)速度和螺旋角進行了優(yōu)化，分析了不同條件下的環(huán)空內(nèi)巖屑體積分?jǐn)?shù)分布情況，并將優(yōu)化后的參數(shù)應(yīng)用于巖屑床清潔工具設(shè)計與加工，現(xiàn)場實施應(yīng)用取得了較好的井眼清潔效果。

1 工具建模與數(shù)值模擬參數(shù)優(yōu)化

1.1 “V”形葉片巖屑床清潔工具建模及網(wǎng)格劃分

圖1 葉片螺旋角示意圖

邊界條件為速度入口和壓力出口，鉆桿及井筒壁面采用無滑移壁面條件。壁面邊界條件用于描述流體介質(zhì)與固體接觸區(qū)域流場變量的分布情況，考慮鉆井液的黏性，當(dāng)流體沿井筒表面運動時，兩者之間沒有相對滑移，故將壁面設(shè)置為固體壁面邊界條件。整個井筒環(huán)空流場及清潔工具附近流場進行六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。采用滑移網(wǎng)格法解決靜止域和轉(zhuǎn)動域之間相對運動的問題。整個流場由鉆桿、清潔工具和靜止環(huán)空3 部分組成。清潔工具計算區(qū)域包含轉(zhuǎn)動的螺旋葉片，網(wǎng)格全部采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，近壁面采取加密的方式，總體網(wǎng)格數(shù)量為554 600 個，環(huán)空流域及局部網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖2 環(huán)空流域及巖屑床清潔工具附近網(wǎng)格劃分圖

1.2 CFD 模擬數(shù)值求解方程

由于本文巖屑床清潔工具的旋轉(zhuǎn)作用下的數(shù)值模擬研究，需要考慮到環(huán)空內(nèi)流體流動為湍流，且流動中存在高速旋轉(zhuǎn)情況，為了更好地處理流場中高應(yīng)變率和流線彎曲程度較大的流動，湍流模型選擇的是可實現(xiàn)的 k-ε 模型[19]。歐拉—歐拉雙流體模型中所采用的控制方程如下所示：

連續(xù)性方程：

對于鉆井液與巖屑固液兩相流動系統(tǒng)來說，相間曳力是鉆井液與巖屑顆粒相間耦合作用力，對巖屑保持懸浮和沖蝕巖屑床起到?jīng)Q定性作用。固液曳力研究主要有Syamlal-O' Brien 模型[20]、Wen & Yu模型[21]、Gidaspow 模型[22]等，其中以Gidaspow 模型的應(yīng)用最為廣泛，并且具有較好的預(yù)測精度[23-24]。Gidaspow 模型是將Ergun 模型[25]和Wen & Yu 模型相結(jié)合。Huilin 等[26]提出了一種改進后的Gidaspow模型，用以修正曳力函數(shù)的不連續(xù)現(xiàn)象，在該模型下，用于計算相間曳力的液固相間動量交換系數(shù)有如下形式：

當(dāng)αl≤0.8 時，液固相間交換系數(shù)可以用Ergun方程表示為：

當(dāng)αl＞0.8 時，液固相間交換系數(shù)可以用Wen & Yu 方程表示為：

拖拽系數(shù)CD可表示為：

巖屑的顆粒雷諾數(shù)定義為：

式中ds表示巖屑粒徑。

各相的應(yīng)力—應(yīng)變張量可表示為：

k-ε 模型中的湍動能（k）、耗散率（ε）為：

CFD 可由6 個步驟進行求解：初值設(shè)定、求解控制、求解監(jiān)視、CFD 計算、收斂檢查、停止。

1.3 模擬結(jié)果與分析

模擬時采用與實際鉆井參數(shù)接近的工況，重點考察工具轉(zhuǎn)速和螺旋角兩個參數(shù)對環(huán)空流動和巖屑分布的影響規(guī)律。鉆井液密度1 500 kg/m3，黏度30 mPa·s，排量30 L/s 巖屑顆粒密度2 500 kg/m3，粒徑5 mm，井斜角90°，清潔工具環(huán)空偏心度0.5。模擬轉(zhuǎn)速（n）和螺旋角（α）參數(shù)組合如表1 所示。

表1 模擬中采用的參數(shù)變化表

葉片旋轉(zhuǎn)過程中可以將葉片的機械能傳遞給流體，葉片轉(zhuǎn)速的提高可以使流體獲得更多的切向動能。圖3 所示為螺旋角（α）為20°時，不同轉(zhuǎn)速下葉片后端0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m 處的環(huán)空內(nèi)巖屑體積分?jǐn)?shù)分布云圖。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下的環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)分布云圖（α=20°）

葉片旋轉(zhuǎn)后誘導(dǎo)螺旋流沿流動方向逐漸衰減，傳遞給顆粒的切向動能逐漸減小，直至螺旋流動耗散消失。隨著葉片轉(zhuǎn)速的增加，同一截面處巖屑顆粒的沉積現(xiàn)象開始逐漸得到緩解。轉(zhuǎn)速分別為80 r/min、100 r/min，120 r/min、160 r/min 和200 r/min 時，環(huán)空底部的巖屑沉積發(fā)生了一定程度的偏轉(zhuǎn)，并且轉(zhuǎn)速越大這種偏轉(zhuǎn)越明顯。這正是螺旋流的旋流效應(yīng)改變了巖屑顆粒在環(huán)空底部的沉積分布濃度。

從表2 中可以看出，環(huán)空壓降損失隨著螺旋角和轉(zhuǎn)速的增加而增大，在螺旋角較大時這種現(xiàn)象更為明顯。這是由于“V”形葉片誘導(dǎo)螺旋流主要是依靠流體慣性引起的脫流造成相對負(fù)壓引起的。當(dāng)螺旋角較小時，葉片的脫流效應(yīng)減弱，而第一段逆時針葉片的強制引流效應(yīng)更強，超過流體脫流所引起的相對負(fù)壓的影響，當(dāng)螺旋角增大后，相對負(fù)壓效應(yīng)迅速增大。這說明螺旋角增加到一定程度會造成很大的環(huán)空壓力損失，會給鉆井作業(yè)帶來風(fēng)險。

表2 不同轉(zhuǎn)速下環(huán)空壓降損失計算結(jié)果表

圖4 所示為不同轉(zhuǎn)速下環(huán)空低邊處的巖屑切向速度分布曲線。清潔工具的旋轉(zhuǎn)作用會顯著提高附近區(qū)域鉆井液的湍流強度，在局部區(qū)域形成強制渦流，提高附近區(qū)域鉆井液的擾動現(xiàn)象，從而起到對巖屑床的沖刷作用，促使更多的巖屑顆?？梢詰腋≡诃h(huán)空內(nèi)，有利于巖屑從井眼環(huán)空攜帶上返。由于葉片誘導(dǎo)的螺旋流均具有較高的切向動能，更易于克服重力的負(fù)面影響，顆粒的切向速度值隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。隨著轉(zhuǎn)速的增大，環(huán)空內(nèi)巖屑床清除效果逐漸增強，巖屑床清潔工具的有效作用距離長度都超過2 m。

綜合考慮不同螺旋角下的模擬結(jié)果，認(rèn)為螺旋角為20°時的“V”形葉片滿足工程上的設(shè)計需求。這是因為，隨著螺旋角的增大，環(huán)空內(nèi)的巖屑沉積現(xiàn)象逐漸得到緩減，但這種效應(yīng)隨著螺旋角的增加而顯著降低。同時，隨著螺旋角的增加，環(huán)空內(nèi)的壓力損耗顯著增大，增加螺旋角帶來的井眼清潔效果并不能抵消其所造成的環(huán)空壓力損失，環(huán)空壓力損失增大會增加泵壓，增加運行成本，甚至造成井底漏失等安全事故。

2 工具結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工

基于數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果，考慮現(xiàn)場實際工況以及保徑、井眼修復(fù)需要，同時滿足具有強烈的螺旋流誘導(dǎo)能力和降低的壓降損失的需求，設(shè)計加工了實體工具。工具隨鉆柱旋轉(zhuǎn)過程中，通過前端的流體變速截面對環(huán)空固液兩相流體一次擾流，隨后“V”形螺旋葉片攪動誘導(dǎo)產(chǎn)生螺旋流可將擾動后的巖屑床顆粒重新懸浮，并通過葉片刮削作用清除巖屑床，實現(xiàn)井眼凈化，有效降低摩阻扭矩，保證起下鉆、電測、下套管等作業(yè)安全。工具除水力旋流、機械刮削作用清除巖屑床、凈化井眼之外，保徑結(jié)構(gòu)還可以修復(fù)井眼，減輕或消除微狗腿，提高井眼質(zhì)量和規(guī)則程度。優(yōu)化后的巖屑床清潔工具的主要技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

根據(jù)優(yōu)化的參數(shù)完成了巖屑床清潔工具樣機加工如圖5 所示，主要由公接頭、本體、流體變速截面、“V”形反螺旋葉片、硬質(zhì)合金片、母接頭等幾部分組成。

選用高標(biāo)準(zhǔn)石油鉆具鋼（屈服強度835 MPa）作為巖屑床清潔工具加工原料，利用有限元軟件對巖屑床清潔工具進行強度分析，考慮“受拉400 kN+受扭30 kN·m”和“受拉1 000 kN”兩種極端條件下的受力情況，分析結(jié)果如表4 所示，最大拉應(yīng)力分別為323.2 MPa 和222.2 MPa，安全系數(shù)分別為2.88和4.18，均超過鉆柱強度安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)（一般取1.30），證明該結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足工具下井工作條件。

表3 巖屑床清潔工具技術(shù)參數(shù)表

圖5 “V”形水平井巖屑床清潔工具加工實物圖

表4 有限元軟件對巖屑床清潔工具進行強度分析表

工具下井前開展了強度測試（圖6），測試受力標(biāo)準(zhǔn)高于井下鉆柱受力環(huán)境。

測試結(jié)果表明，工具在承受2 000 kN 軸向拉力、2 000 kN 軸向壓力和40 kN·m 扭力的載荷施加之后，探傷檢測結(jié)構(gòu)無損傷，表明工具強度能滿足下井工作條件。

圖6 巖屑床清潔工具強度測試照片

3 巖屑床清潔工具現(xiàn)場試驗

長寧H25-7 井是川渝地區(qū)一口大偏移距三維頁巖氣水平井，設(shè)計井深4 922 m，水平段長1 500 m，井斜95.9°。工具出井照片如圖7 所示。

圖7 巖屑床清潔工具出井照片

該井鉆至井深4 355 m，巖屑返出量大幅減少，鉆柱摩阻高達240 kN，分析認(rèn)為井內(nèi)存在巖屑床堆積，導(dǎo)致井眼不暢通。起鉆安裝巖屑床清潔工具進行現(xiàn)場試驗，工具安裝位置距離鉆頭377.87 m，隨鉆應(yīng)用井段4 573 m ～4 965 m，進尺392 m，下井工作時間196 h，純鉆時間85.83 h，平均機械鉆速4.57 m/h。起鉆過程中對井斜70°左右的巖屑床堆積嚴(yán)重井段進行大排量高轉(zhuǎn)速往復(fù)劃眼，之后循環(huán)洗井2 h保證破壞后的巖屑床顆粒順利返至地面，應(yīng)用過程中振動篩巖屑返出明顯增加，鉆柱摩阻由之前的240 kN 下降到180 kN，摩阻降低33%，起下鉆通暢、無阻卡，工具應(yīng)用過程中未發(fā)生井下復(fù)雜事故，發(fā)揮了良好的井眼清潔作用，保障了后期電測、下套管安全順利。工具出井后葉片完好，硬質(zhì)合金片無損傷，最大外徑僅磨損0.8 mm，驗證了工具的強度和葉片的耐磨性能。

4 結(jié)論

通過CFD 數(shù)值模擬，采用歐拉—歐拉雙流體模型結(jié)合顆粒動力學(xué)理論，研究了螺旋角、轉(zhuǎn)速參數(shù)對巖屑床清潔工具誘導(dǎo)螺旋流動衰減規(guī)律及巖屑顆粒重新懸浮分布的影響?；跀?shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計了巖屑床清潔工具，完成樣機加工和室內(nèi)測試，并進行了現(xiàn)場試驗。

1）巖屑床清潔工具對井筒中巖屑顆粒的清潔效果明顯優(yōu)于無葉片鉆桿，鉆桿外加清潔工具可有利于巖屑顆粒的懸浮擴散從而提高井眼清潔效率。螺旋葉片的螺旋角和轉(zhuǎn)速等都影響清潔效果，通過對比不同螺旋角的清潔效果發(fā)現(xiàn)螺旋角較大時清除效果好。

2）現(xiàn)場試驗表明巖屑床清潔工具能有效地清潔井眼，應(yīng)用過程中巖屑返出明顯，與上趟鉆相比，井底鉆柱摩阻顯著降低，為后期電測、下套管創(chuàng)造了良好的井眼條件。使用巖屑床清潔工具期間鉆進作業(yè)正常，應(yīng)用后起下鉆通暢、無阻卡，未出現(xiàn)任何復(fù)雜事故，證明了工具用于頁巖氣水平井隨鉆清除巖屑床、清潔井眼作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性。

3）通過現(xiàn)場試驗總結(jié)了一套水平井井眼清潔作業(yè)工藝流程：①利用巖屑床監(jiān)測分析軟件對巖屑床分布進行評估，優(yōu)化巖屑床清潔工具安放位置；②使用巖屑床清潔工具隨鉆破壞并清除巖屑床；③起鉆過程中對巖屑床堆積重點井段進行反復(fù)劃眼作業(yè)并循環(huán)洗井，將頑固性大顆粒巖屑床破壞并循環(huán)出井，為水平井提速提效、后期下套管作業(yè)創(chuàng)造更有利的井筒條件。