井眼清潔工具作用下巖屑顆粒運動規(guī)律研究

閆 鐵 邵 帥 孫曉峰 鄭力銘 袁振宇 欒石柱

（1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318；2.遼河油田公司淺海石油開發(fā)公司，遼寧盤錦 124010；3.中國石油集團海洋工程有限公司天津分公司，天津 300459）

井眼清潔工具作用下巖屑顆粒運動規(guī)律研究

閆 鐵1邵 帥1孫曉峰1鄭力銘2袁振宇3欒石柱1

（1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318；2.遼河油田公司淺海石油開發(fā)公司，遼寧盤錦 124010；3.中國石油集團海洋工程有限公司天津分公司，天津 300459）

在復雜結構井鉆井過程中常有巖屑成床現(xiàn)象發(fā)生，容易造成一系列井下復雜問題，嚴重影響施工效率。目前一種螺旋式工具已被用于解決井眼清潔問題，應用效果較好。針對這種工具的基本結構，通過研究巖屑顆粒在螺旋式工具葉片上的運動，建立數(shù)學模型，得出這種工具螺旋角在不同井斜角條件下對巖屑顆粒通過該工具后的軸向、切向速度影響關系。研究結果表明：該螺旋式工具對巖屑顆粒運移有明顯的加速作用，利于清除巖屑床；螺旋角作為清除巖屑床螺旋式工具的可控參數(shù)對工具性能產生重要影響；隨著螺旋角增大，經過螺旋工具作用的巖屑顆粒切向速度逐漸增大，軸向速度逐漸減小，調整螺旋角可以使巖屑顆粒產生所需的速度以提高工具清屑效率。

巖屑床；復雜結構井；巖屑顆粒運動；螺旋式工具；螺旋角

水平井、大位移井鉆井過程中大斜度井段易形成巖屑床，造成摩阻增大、卡鉆等井下事故，同時影響后續(xù)作業(yè)如固井質量差等，因此如何高效地清除巖屑床是水平井、大位移井鉆井的關鍵技術問題［1-2］。用于復雜結構井的常規(guī)巖屑床清除方法均具有一定的局限性，很難達到理想效果［3］。針對這種情況，國內外學者研究并應用螺旋式工具清除巖屑床，取得了較好的效果［4-6］。這類工具在管體坯料上加工一定形狀的螺旋葉片，通常葉片直徑與鉆桿接頭接近，通過API標準絲扣與鉆桿連接使用，利用鉆桿帶動其旋轉破壞和清除巖屑床。其基本工作原理一方面是產生特殊的環(huán)空流場以利于清除巖屑，另一方面是葉片對巖屑床的機械破壞作用和對巖屑顆粒的推動加速作用。目前對這種工具的研究均采用流體力學軟件模擬研究工具旋轉對鉆井液流動的影響，從而推測其清巖效果［7-8］。筆者從工具葉片對巖屑顆粒的推動作用角度出發(fā)，對井眼清潔工具清巖作用效果進行分析，得出了巖屑顆粒在工具葉片上的運動方程，通過數(shù)值模擬分析巖屑顆粒在這類工具上的運動特征，為工具設計提供一定參考依據(jù)。

1 巖屑顆粒在螺旋葉片上的受力和運動方程

1.1 垂直井眼巖屑顆粒運動方程

在垂直井眼中螺旋工具基本結構及工作示意圖如圖1、圖2。在研究過程中對與螺旋葉片接觸的巖屑顆粒作如下假設：巖屑顆粒之間互不影響，只受鉆井液和螺旋葉片的作用力；顆粒形狀簡化為球形。

圖1 垂直井眼螺旋工具工作示意圖

圖2 巖屑顆粒在葉片上的分布

如圖3取螺旋面上1個巖屑顆粒作為研究對象，該顆粒在流動的鉆井液中與螺旋葉片接觸，其質量為m，T=0時位于M0點，T=t時移動到M點，螺旋面上的點M0則轉到M0'。巖屑顆粒的絕對運動軌跡為Sa，絕對速度為Va，相對運動軌跡為Sr，相對運動速度為Vr，牽連速度為Ve。巖屑顆粒受力分析如下。

巖屑顆粒受到重力與浮力的合力作用即浮重W，其方向沿鉛垂線向下

螺旋葉片旋轉提供推力N，其方向與葉片斜面垂直

圖3 螺旋面上巖屑顆粒的運動和受力

巖屑顆粒與螺旋葉片間存在摩擦力F

由于流體與巖屑顆粒速度不同產生拖拽力FD

巖屑顆粒隨螺旋葉片轉動受到離心力D作用

該運動過程處于非慣性系中，因此假設巖屑顆粒受到哥式慣性力K的作用

假定巖屑顆粒沿螺旋面的相對運動為等速直線運動，則相對運動慣性力為 0［9］。

式中，ρS為巖屑密度，kg/m3；ρ 為鉆井液密度，kg/m3；R為巖屑顆粒半徑，m；r為螺旋葉片外緣半徑，m；α為螺旋角，（°）；f為摩擦因數(shù)；CD為阻力系數(shù)；s為球形大圓面積，m2；uf為鉆進液返速，m/s；V為巖屑顆粒的運動速度，m/s；ω為鉆桿轉動角速度，rad/s。

假定巖屑顆粒不發(fā)生自轉，利用力的平衡方程可求得巖屑顆粒沿螺旋面切向相對速度和軸向相對速度

運用速度合成定理，求得巖屑顆粒的絕對運動速度

式中，Vrx為顆粒切向速度，m/s；Vrz為顆粒軸向速度，m/s；Vx為絕對運動速度，m/s；Vz為軸向速度，m/s；n為轉盤轉速，rad/s；φ為截面葉片切角，（°）。

1.2 傾斜井眼巖屑顆粒運動方程

在傾斜井眼中，當工具經過巖屑成床井段會將巖屑顆粒從井壁附近挖掘起來，通過加速作用使巖屑脫離巖屑床運出井眼。在垂直井眼工作的基礎上加入井斜角的影響，從而得到在傾斜井眼中巖屑顆粒經過螺旋工具作用后的運動方程。

如圖4，當螺旋工具在井斜角為β的傾斜井眼工作時，螺旋葉片對顆粒的推力為

巖屑顆粒沿螺旋面切向相對速度和軸向相對速度為

通過式（12）、（13）可求得傾斜井眼中巖屑顆粒在螺旋工具作用下的速度。

圖4 傾斜井眼螺旋工具工作示意圖

2 巖屑顆粒運動狀態(tài)的模擬分析

2.1 模擬條件

應用上述數(shù)學模型對顆粒在工具作用下的實際運動情況進行模擬分析，模擬條件如下。

模擬螺旋工具橫截面形狀如圖5，螺旋葉片外緣半徑85 mm，截面葉片切角為50°，鉆井液密度為1.2 g/cm3，巖屑顆粒密度為2.5 g/cm3，巖屑顆粒半徑為0.2 mm。將螺旋角、鉆桿轉速、鉆井液平均返速、井斜角作為變量進行分析，取值如表1。

圖5 螺旋體橫截面

螺旋角 /（°） 25，30，35，40，45，50，55，60，65，70鉆井液返速 /m·s-1 1.2，1.5，2鉆桿轉速/rad·s-1 （r·min-1）8.39 （80），10.47 （100），12.57 （120）井斜角 /（°） 60，70，80

2.2 模擬結果及分析

井斜角60°的情況下井眼容易出現(xiàn)巖屑床［10-11］，因此在井斜角60°條件下，分析螺旋角、鉆桿轉速、鉆井液返速對巖屑顆粒的加速效果，如圖6～圖8。

圖6 鉆桿轉速80 r/min時螺旋角對顆粒速度的影響

從圖6可看出，隨著螺旋角度的增加，巖屑顆粒的切向速度逐漸增加，而軸向速度逐漸減小。當螺旋角度達到70°時，軸向速度接近0。

圖7 鉆井液返速1.2 m/s時不同鉆桿轉速對巖屑顆粒速度的影響

從圖7可看出，隨著鉆桿轉速的提高，螺旋工具對巖屑顆粒的加速效果逐漸增大。從能量傳遞角度考慮，螺旋工具轉速的提高使其對巖屑顆粒所做的功增加，體現(xiàn)在巖屑顆粒速度的增加。

圖8 鉆桿轉速80 r/min時鉆井液返速對顆粒速度的影響

從圖8中可以看到，當鉆井液返速增加時，顆粒切向速度隨螺旋角變化的斜率增大，軸向速度隨螺旋角變化斜率的絕對值增大，說明螺旋式工具在高鉆井液返速情況下會產生更明顯的軸向和切向速度差異。

通過圖9可知在不同井斜角井段中，隨著井斜角的增加巖屑顆粒經過螺旋式工具作用后的速度逐漸增大。從能量角度考慮，相比于大斜度井段，在井斜角較小井段螺旋式工具對巖屑顆粒所做的功會更多地轉化為勢能。

圖9 鉆桿轉速100 r/min、鉆井液返速2 m/s時不同井斜角情況下螺旋角對顆粒速度的影響

根據(jù)在不同螺旋角情況下巖屑顆粒通過螺旋式工具之后的速度對比可知，螺旋角對顆粒速度影響比較明顯。當螺旋角較小時，巖屑顆粒會有較大的軸向速度；螺旋角較大時，巖屑顆粒會有較大的切向速度。軸向和切向速度對清除巖屑床有不同的作用：較高的切向速度容易使巖屑進入高流速區(qū)，也可以對井壁附近的顆粒產生撞擊，從而被帶出井筒；較高的軸向速度使原本靜止的巖屑顆粒迅速脫離成床井段，從而達到清除巖屑床的目的。

3 結論

（1）螺旋式井眼清潔工具對巖屑顆粒能夠起到明顯的加速作用，經過加速巖屑顆粒與鉆井液速度接近，這有助于破壞巖屑床，并及時帶走巖屑，防止巖屑的再次堆積。

（2）新的數(shù)學模型可對巖屑通過螺旋式工具后的運動規(guī)律進行定量的描述，特別對軸向和切向速度進行了分別計算，為這類工具的設計提供參考依據(jù)。

（3）螺旋角對通過螺旋式工具的巖屑運動速度影響很大，設計螺旋式工具時適當調整螺旋角可使巖屑達到所需的速度，從而提高工具的工作效率。

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（修改稿收到日期 2013-03-12）

Rules study on cuttings migration through wellbore cleaning tools

YAN Tie1, SHAO Shuai1, SUN Xiaofeng1, ZHENG Liming2, YUAN Zhenyu3, LUAN Shizhu1

（1.Northeast Petroleum University,Daqing163318,China; 2. Shallow Sea Oil Development Company,Liaohe Oilf i eld,Panjin124010,China;3.Tianjin Branch,CNPC Offshore Engineering Co.,Ltd.,Tianjin300459,China）

In the process of drilling complex wells, cutting bed occurs normally, and it always causes a lot of well hole problem，and affect the work eff i ciency badly. Now a kind of spiral tool is normally used to solve this problem, with some good application effect. By studying the migration process of cuttings through the basic conf i guration blades, the paper built a mathematical model, and found the inf l uence of blade helical angle on cuttings transport velocity in tangential direction and axial direction. The results show that this kind of tool could accelerate cuttings effectively; as a controllable parameter, blade helical angle has important impact on application effect of the spiral tool; with the increase of the helical angle, cuttings tangential velocity increases and axial velocity decreases. Changing the helical angle could make the cuttings have a necessary velocity to be transported out of the hole eff i ciently.

cuttings bed; complex well; cuttings migration; spiral tool; helical angle

閆鐵，邵帥，孫曉峰，等.井眼清潔工具作用下巖屑顆粒運動規(guī)律研究［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：1-4.

TE21

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0001 – 04

國家科技重大專項“復雜結構井優(yōu)化設計與控制關鍵技術”（編號：2011ZX05009-005）和國家自然科學基金項目“氣體鉆井地層—井眼流體—旋轉管柱耦合作用下井眼凈化機理研究”（編號：51174043）聯(lián)合資助。

閆鐵，1957年生。東北石油大學教授、博士生導師。研究方向為油氣井工程理論與技術。電話：0459-6503923。E-mail：yant@nepu.edu.cn。

〔編輯

薛改珍〕