趙佳樂 任連城 王圣林 譚智勇 王 博 楊杰文 鄧銀江 胡興新

(重慶科技學(xué)院機(jī)械與動力工程學(xué)院， 重慶 401331)

水平井眼在鉆進(jìn)過程中，由于巖屑顆粒所受重力方向與鉆井液作用力方向相垂直，致使巖屑在水平段極易發(fā)生沉積而形成巖屑床。巖屑床的存在將會造成鉆柱摩阻增加、扭矩增大、起下鉆困難等狀況，嚴(yán)重的還將造成卡鉆甚至鉆桿斷裂，及大增加了鉆井作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，威脅著鉆井安全。特別是長水平段工況，其井眼凈化要求更高，難度更大。

井眼凈化問題制約著鉆井效率的提升，并且一直受到人們的廣泛關(guān)注。而為了解決水平井眼的清潔問題[1]，王鐵臣提出了一種專用的井眼凈化工具結(jié)構(gòu)，并且在現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)證明，工具體的使用使得井口返砂量明顯增加，同時鉆井摩阻降低了20%[2]。孫愛生采用數(shù)值模擬的方式探究了粒徑、鉆桿轉(zhuǎn)速、偏心距等因素對運(yùn)移性能的影響規(guī)律[3]。吳百川等人用數(shù)值模擬的方式證明了螺旋型巖屑清理工具的攜巖能力低于V型巖屑清理工具[4]。閆園園等人對HydroClean井眼凈化工具的使用效果進(jìn)行了調(diào)研，調(diào)研結(jié)果表明，工具體的使用對井眼清潔有一定效果[5]。綜上可見，學(xué)者對井眼凈化工具的研究，主要集中在機(jī)械式井眼凈化工具上，該類型的工具在低轉(zhuǎn)速下起旋效果并不是很好，對沉積巖屑的擾動能力有限。所以為了強(qiáng)化井眼凈化效果，需要對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

為了提高水平井段的井眼凈化能力，擬將旋流機(jī)理應(yīng)用于水平井段的巖屑清理，并提出一種內(nèi)外螺旋組合的復(fù)合旋流式井眼凈化方案。該方案主要以螺旋流來緩解巖屑顆粒的沉積，使巖屑保持懸浮態(tài)，進(jìn)而提高巖屑的運(yùn)移效率。通過CFD-EDEM相耦合的方式來對旋流式井眼凈化工具的性能進(jìn)行模擬和分析。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型建立

以現(xiàn)有的旋流扶正器結(jié)構(gòu)參數(shù)為參考。建立旋流式井眼凈化工具(簡稱“工具體”)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：工作區(qū)域長度為500 mm，工具體后端井筒環(huán)空的長度為2 500 mm，模擬井眼直徑為215.9 mm，鉆桿外徑為127 mm，水眼直徑為70 mm。

工具體外螺旋葉片軸向長度為500 mm，徑向厚度為10 mm，寬度為90 mm；內(nèi)螺旋槽軸向長度為470 mm，徑向厚度為10 mm，分流孔直徑為10 mm。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)建立的旋流井眼凈化工具體結(jié)果如圖1所示，流道模型及進(jìn)出口位置如圖2所示。

圖1 旋流井眼凈化工具體結(jié)構(gòu)

圖2 流道模型及進(jìn)出口位置

1.2 數(shù)值模型建立

采用Fluent-EDEM耦合的方式進(jìn)行求解，流場中的湍流狀態(tài)通過Realizable-epsilo模型進(jìn)行描述，質(zhì)量、動量和能量控制方程的離散采用軟件默認(rèn)格式。顆粒場中顆粒的接觸和運(yùn)移情況采用Hertz-mindlin模型。流場模擬的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絕熱壁面。模擬過程中不考慮鉆桿的旋轉(zhuǎn)。整個流域的網(wǎng)格分2段劃分，工具體所在軸段空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分并進(jìn)行局部加密處理，工具體后端的井筒環(huán)空段采用全六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加至53萬之后，進(jìn)一步增加網(wǎng)格數(shù)量，出口速度值趨于平緩。因此確定后續(xù)數(shù)值模擬的網(wǎng)格數(shù)量為53萬。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

1.3 計(jì)算模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模型的正確性，利用上述模擬方法及文獻(xiàn)[6]中的工況參數(shù)對文獻(xiàn)[6]中的巖屑清理工具結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。模擬數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[6]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢相同，且數(shù)據(jù)之間誤差最大值為10.25%，該誤差值在工程允許范圍內(nèi)。說明本次建立的數(shù)值模型能夠較為準(zhǔn)確地反映井眼凈化工具作用下井眼環(huán)空的流場分布，其模擬結(jié)果是可靠的。

圖4 數(shù)值模型驗(yàn)證結(jié)果

2 模擬結(jié)果與分析

模擬過程中的物性參數(shù)及假設(shè)如下：鉆井液密度為1 200 kg/m3，黏度為30 mPa·s，排量為30 L/s；巖屑顆粒密度為2 600 kg/m3，粒徑為4 mm[7]。研究對象主要針對水平井，不考慮鉆桿旋轉(zhuǎn)。在上述基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究螺旋葉片數(shù)量、鉆井液排量以及巖屑顆粒直徑對環(huán)空巖屑運(yùn)移效果的影響規(guī)律。模擬參數(shù)如表1所示。

表1 模擬參數(shù)

2.1 螺旋葉片數(shù)量對攜巖性能的影響

2.1.1 螺旋葉片數(shù)量對巖屑顆粒速度的影響

內(nèi)外螺旋流道可以將鉆井液的部分軸向動能轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)動能，使巖屑獲得更大的旋轉(zhuǎn)角速度，角速度越大，緩解巖屑沉積的性能越優(yōu)越[8]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)螺旋葉片數(shù)量對于旋流強(qiáng)度有著極大的影響，為了進(jìn)一步量化螺旋葉片數(shù)量對攜巖效率的影響規(guī)律，將計(jì)算收斂后的巖屑顆粒速度分布云圖進(jìn)行整理，如圖5所示。

圖5 不同螺旋葉片數(shù)量下巖屑顆粒速度分布云圖

可以看出，隨著螺旋葉片數(shù)量的增加，井眼環(huán)空中的巖屑堆積現(xiàn)象逐漸緩和，旋流現(xiàn)象更加明顯，井筒中的巖屑分布更加的均勻。當(dāng)螺旋葉片數(shù)量增加后，旋流能力進(jìn)一步加強(qiáng)，井筒底部的巖屑在螺旋流的帶動下開始具有角速度，并且螺旋葉片數(shù)量越多巖屑角速度越大[8]。當(dāng)巖屑的角速度產(chǎn)生的切向動能足以對抗巖屑重力時，井筒環(huán)空中的巖屑呈現(xiàn)出懸浮態(tài)，運(yùn)移性能得到顯著提升。

2.1.2 螺旋葉片數(shù)量對攜巖效率的影響

統(tǒng)計(jì)8 s內(nèi)進(jìn)出口巖屑顆粒質(zhì)量，得到不同螺旋葉片數(shù)量下的攜巖效率，見表2。

表2 不同螺旋葉片數(shù)量下的攜巖效率

攜巖效率值隨著螺旋葉片數(shù)量的增加而增大，螺旋葉片數(shù)量較多時，螺旋流的覆蓋面更廣，井眼的凈化效果更好。當(dāng)螺旋葉片數(shù)量為1時，單個螺旋流難以覆蓋整個井筒底部，并且單個螺旋流的流型沒有制約性，衰減和發(fā)散速度比較快，攜巖效率只有68.68%；當(dāng)螺旋葉片數(shù)量分別為2、3、4時，攜巖效率均在90%以上，受到相鄰螺旋流的制約，螺旋葉片數(shù)量越多，螺旋流導(dǎo)程越小，對井筒底部的覆蓋率越高，懸浮巖屑的分布更加均勻，井眼凈化效果越明顯。

2.1.3 螺旋葉片數(shù)量對巖屑速度的影響

不同螺旋葉片數(shù)量下出口位置的巖屑軸向速度和角速度變化曲線如圖6所示。隨著螺旋葉片數(shù)量的增加，出口位置巖屑軸向速度先減小后趨于平穩(wěn)，而出口的角速度基本上呈現(xiàn)出相反的變化趨勢。這是由于螺旋葉片數(shù)量的增加會提高工具體出口端鉆井液的湍流強(qiáng)度和旋流強(qiáng)度，對巖屑的擾動能力增強(qiáng)，從而起到?jīng)_刷巖屑床和緩解巖屑沉積的作用，有利于攜巖效率的提高。

圖6 螺旋葉片數(shù)量對巖屑速度的影響曲線

綜合來看，螺旋葉片數(shù)量為3和4時，井眼環(huán)空中的巖屑分布比較均勻，攜巖效率分別為93.96%和96.14%，出口巖屑的軸向速度和角速度趨于穩(wěn)定，可見螺旋葉片數(shù)量的最佳值是3和4。

2.2 鉆井液排量對攜巖性能的影響

2.2.1 鉆井液排量對巖屑顆粒速度的影響

鉆井液排量直接關(guān)系到井眼環(huán)空中的鉆井液流速[9]，而流速對于巖屑的運(yùn)移具有至關(guān)重要的作用。圖7所示為不同鉆井液排量下巖屑顆粒速度分布云圖。

圖7 不同鉆井液排量下巖屑顆粒速度分布云圖

2.2.2 鉆井液排量對攜巖效率的影響

不同鉆井液排量下的攜巖效率見表3。

表3 不同鉆井液排量下的攜巖效率

鉆井液排量在10 L/s和15 L/s時，由于鉆井液排量較小，井眼環(huán)空中的流速未達(dá)到巖屑運(yùn)移的啟動速度，巖屑在工具體所在軸段堆積嚴(yán)重。因?yàn)楣ぞ唧w右端為內(nèi)螺旋射流噴嘴的出口，該位置鉆井液流速較高，沉積巖屑被高速鉆井液拋到井眼環(huán)空中形成懸浮態(tài)被鉆井液運(yùn)移，但由于鉆井液排量較少，射流速度不高，旋流能力有限，螺旋流延續(xù)能力也受到極大的影響。所以巖屑被懸浮運(yùn)移不超過2 m又開始向井底沉積，巖屑二次沉積現(xiàn)象如圖7中15 L/s排量的顆粒速度分布云圖所示。鉆井液排量在 20～30 L/s時，巖屑在井筒中分布均勻，工具體所在軸段沒有巖屑沉積，井眼凈化效果良好。

2.2.3 鉆井液排量對巖屑速度的影響

提取出口位置巖屑的軸向速度和角速度，并繪制成曲線，如圖8所示。

圖8 鉆井液排量對巖屑速度的影響曲線

巖屑軸向速度和角速度值隨著鉆井液排量的增加而增加。這是由于鉆井液排量增加后，由于通流面積不變，因此環(huán)空的軸向返速會提高[10]。同理鉆井液排量提高后，內(nèi)螺旋分流孔的分流量也會隨之增加，在分流孔數(shù)量和直徑不變的情況下，分流孔內(nèi)流速得到提高，因此旋流能力增強(qiáng)。而軸向速度和旋流強(qiáng)度都增強(qiáng)后，井眼環(huán)空中的巖屑分布更加的均勻，巖屑運(yùn)移速度更快速，井眼凈化效果更好。而結(jié)合圖7和圖8可以得出，旋流井眼凈化工具體的臨界啟動排量在15～20 L/s[11]，臨界軸向運(yùn)移速度為0.8 m/s左右，巖屑不沉積的臨界角速度為250 rad/s左右。

2.3 巖屑粒徑對攜巖性能的影響

2.3.1 巖屑粒徑對其運(yùn)移效果的影響

鉆井施工過程中，巖屑顆粒的大小受到巖層性質(zhì)、鉆壓、轉(zhuǎn)速等因素的影響[12]。地層條件、施工參數(shù)不同，則破碎的巖屑顆粒直徑也不一樣；而巖屑粒徑的大小對其運(yùn)移效果影響極大[13-14]。圖9所示為不同巖屑粒徑下巖屑顆粒速度分布云圖。

圖9 不同巖屑粒徑下巖屑顆粒速度分布云圖

當(dāng)巖屑粒徑在3 mm以下時，巖屑質(zhì)量較小，可攜帶性增強(qiáng)，因此巖屑的顆粒分布云圖呈現(xiàn)出明顯的螺旋狀態(tài)，并且隨著粒徑的增大螺旋狀態(tài)逐漸弱化[15]。粒徑為2 mm和1 mm時，在工具體的末端出現(xiàn)了一段低速區(qū)，該低速區(qū)是由于工具體內(nèi)螺旋流道的高速流體與外螺旋流道的低速流體之間存在速度梯度而形成的回流區(qū)域，回流的存在會將質(zhì)量較小的顆粒卷吸進(jìn)入漩渦中造成巖屑滯留現(xiàn)象，巖屑顆粒直徑越小，滯留現(xiàn)象越嚴(yán)重[16]。當(dāng)巖屑粒徑大于等于3 mm時，低速區(qū)域消失。而當(dāng)巖屑粒徑增加到5 mm和6 mm時，由于巖屑體積和質(zhì)量較大，極易在工具體所在軸段發(fā)生堵塞現(xiàn)象，并且粒徑越大，堵塞現(xiàn)象越嚴(yán)重。

2.3.2 巖屑粒徑對攜巖效率的影響

不同巖屑粒徑下的攜巖效率見表4。

表4 不同巖屑粒徑下的攜巖效率

隨著粒徑的逐漸增大，攜巖效率呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，總體來看變化趨勢可以分為3段：粒徑為1～2 mm時，攜巖效率在85%左右；粒徑為3～4 mm時，攜巖效率在90%以上；粒徑為5～6 mm時，攜巖效率在60%左右，并呈現(xiàn)持續(xù)降低的變化趨勢。結(jié)合上述的巖屑顆粒速度云圖分析可以發(fā)現(xiàn)，1～2 mm粒徑范圍內(nèi)攜巖效率較低是由工具體末端回流區(qū)域所致；5～6 mm粒徑范圍內(nèi)攜巖效率大幅下降是由工具體所在軸段的堵塞和巖屑滯留造成的；而4～5 mm粒徑范圍內(nèi)不存在上述的缺陷，因此攜巖效率較高。

2.3.3 巖屑粒徑對巖屑速度的影響

提取出口位置巖屑的軸向速度和角速度值，并繪制曲線如圖10所示。

圖10 巖屑粒徑對巖屑速度的影響曲線

隨著巖屑粒徑的增加，出口巖屑的軸向速度和角速度呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢，峰值速度出現(xiàn)在粒徑為4 mm時。出現(xiàn)上述變化趨勢的原因在于，粒徑在1～4 mm范圍內(nèi)遞增時，工具體末端回流區(qū)域的面積逐漸減小，回流面積越大，消耗的動能越大，出口位置巖屑的速度(軸向速度、角速度)越小。4～6 mm粒徑范圍內(nèi)巖屑軸向速度和角速度遞減的原因是由于工具體所在軸段巖屑堵塞導(dǎo)致。流道被堵塞后旋流能力將大幅衰減，因此就出現(xiàn)軸向速度下降不大，角速度下降劇烈的變化趨勢。

3 結(jié) 語

通過Fluent-EDEM耦合計(jì)算方法，再結(jié)合旋流理論，研究了螺旋葉片數(shù)量、鉆井液排量以及巖屑粒徑對井眼凈化效果的影響規(guī)律，得知：

(1) 螺旋葉片數(shù)量對井眼凈化效果存在較大的影響，葉片數(shù)量為3和4時井眼凈化效果較好，最大攜巖效率出現(xiàn)在4葉片位置，攜巖效率值可以達(dá)到96.14%，與單葉片工具體相比效率提升了近30%。

(2) 旋流井眼凈化工具體的臨界啟動排量為15～20 L/s，臨界軸向運(yùn)移速度為0.8 m/s左右，巖屑不沉積的臨界角速度為250 rad/s左右。

(3) 從攜巖效率來看，巖屑粒徑并非越小越好，粒徑與攜巖效率之間呈現(xiàn)波峰變化，最佳攜巖粒徑為3～4 mm。