基于流體仿真超深井鉆井液攪拌設(shè)備的優(yōu)化

張璐陽(yáng) 胡麗春 吳天琪

（西南石油大學(xué) 成都）

在石油鉆井工程中，鉆井液被譽(yù)為“鉆井的血液”是鉆井過(guò)程正常運(yùn)行不可缺少的物質(zhì)[1]。而鉆井液系統(tǒng)的正常運(yùn)作與鉆井液攪拌器的工作效率有著極大的關(guān)系。鉆井液攪拌器對(duì)鉆井液進(jìn)行連續(xù)可靠的攪拌，使鉆井液內(nèi)固相顆粒懸浮，防止其在循環(huán)系統(tǒng)中沉積，保證循環(huán)鉆井液性能穩(wěn)定、混合均勻、密度適合[2][3]。然而，通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)某油田的7000～9000 m的6口超深井發(fā)現(xiàn)，油田現(xiàn)場(chǎng)鉆井液有效利用率較低，造成此問(wèn)題的原因在于鉆井液攪拌器設(shè)計(jì)不合理。提出基于流體仿真對(duì)鉆井液攪拌器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，提高了鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的效率。

一、問(wèn)題分析

目前國(guó)內(nèi)石油鉆井過(guò)程中，經(jīng)常使用高密度聚合物鉆井液和絮凝鉆井液[4]。鉆井液的黏度高，液體流動(dòng)的阻力大，被攪拌時(shí)能量損失大，很難形成湍流，而處于層流狀態(tài)。這種層流狀態(tài)只出現(xiàn)在攪拌葉輪附近，較遠(yuǎn)處的液體仍為靜止?fàn)顟B(tài)[5]。高黏度下攪拌葉輪排出流量很少，即使轉(zhuǎn)數(shù)高時(shí)，稍遠(yuǎn)處高黏度液仍為死區(qū)，其結(jié)果是鉆井液中固體顆粒大部分沉淀于罐底，各級(jí)固控設(shè)備不能有效地工作，鉆井液中各種化學(xué)添加劑不能充分發(fā)揮作用，最終導(dǎo)致鉆井液性能達(dá)不到要求，使鉆井液維護(hù)費(fèi)用升高[6]。解決液體對(duì)流問(wèn)題，不能單靠提高攪拌葉輪的轉(zhuǎn)數(shù)和循環(huán)流量。提出的優(yōu)化方法主要是根據(jù)超深井鉆井液成分及黏度，選擇合適的葉輪形式進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出符合流動(dòng)狀態(tài)特性的最佳攪拌器結(jié)構(gòu)。

二、葉輪優(yōu)化分析

根據(jù)鉆井液罐尺寸和鉆井液的黏度，選擇合適的葉輪形式，使鉆井液的上升速度大于固相沉降速度，從而讓固體顆粒懸浮起來(lái)。由于超深井高密度鉆井液對(duì)攪拌器的性能要求較高，且渦輪式葉片有較強(qiáng)的流循環(huán)能力、湍流擴(kuò)散能力和剪切力，故采用渦輪式直平葉片，葉片傾角 一般為45°或60°。攪拌器臺(tái)數(shù)也將對(duì)攪拌效果產(chǎn)生很大的影響。由于要評(píng)估攪拌器啟動(dòng)時(shí)葉片的受力狀況，因此結(jié)合鉆井液密度為2.5 g/cm3時(shí)的攪拌器進(jìn)行流場(chǎng)分析。

1.不同葉片組合流場(chǎng)分析

選取3種組合，上下層傾斜角均為90°、上下層均為60°及上層為60°、下層為90°。通過(guò)觀察計(jì)算速度云圖中0～0.2 m/s的結(jié)果（以下分析相同），可看出死角部位速度是否＞0.2 m/s，進(jìn)而比較3種葉片組合的優(yōu)劣，結(jié)果見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 上下層均為90°

圖2 上層60°+下層90°

通過(guò)比較3種組合方式的云圖，可知上層為60°+下層為90°的葉輪布置方式形成的流態(tài)較好。再對(duì)3種組合在不同鉆井液黏度下的速度進(jìn)向分析。為了更好的描述攪拌效果，在鉆井液罐角落取一點(diǎn)（該點(diǎn)距離鉆井液罐底和兩個(gè)側(cè)壁的距離都為10 cm），分析該點(diǎn)的速度情況，得到不同的黏度下分析該點(diǎn)的絕對(duì)值速度。鉆井液罐內(nèi)特征點(diǎn)速度隨鉆井液黏度變化情況如圖4所示。

圖3 上下層均為60°

圖4 特征點(diǎn)速度隨鉆井液黏度變化曲線圖

綜上所述，在不同的鉆井液黏度下，上下層均為60°的攪拌效果最差，死角部位＜0.2 m/s的速度占較大比例，上下層傾斜角均為90°的攪拌組合效果一般，上層為60°+下層為90°的攪拌組合效果最佳。

2.葉片傾角影響分析

通過(guò)以上分析，已確定攪拌器的最佳組合應(yīng)該為下直葉片+上傾斜葉片。現(xiàn)調(diào)整上葉片傾斜角度，以得到不同傾角下的攪拌器攪拌效果，如圖 5～圖8所示。

由速度分析云圖5～圖8可知，葉片傾角為45°及60°時(shí)攪拌效果最佳。

三、鉆井液槍組合分析

鉆井液槍是液體通過(guò)一個(gè)噴嘴產(chǎn)生高速流來(lái)達(dá)到攪拌鉆井液的目的。當(dāng)沉積的固相顆粒埋沒(méi)靜止的攪拌器葉輪時(shí)，需要鉆井液槍來(lái)保證攪拌器順利啟動(dòng)。因此在加料和吸入環(huán)節(jié)使用鉆井液槍，有利于鉆井液的混合均勻。

通過(guò)對(duì)單獨(dú)使用攪拌器及攪拌器、鉆井液槍組合分別進(jìn)行流場(chǎng)分析，比較兩種攪拌效果對(duì)死角的影響，結(jié)果如圖 9～圖12所示。

由以上速度云圖可明顯看出死角部位速度是否＞0.2 m/s，證明了鉆井液槍的作用效果明顯。因此攪拌器、鉆井液槍組合，比單獨(dú)使用攪拌器更有利于鉆井液的混合。

圖5 上葉片傾角30°

圖6 上葉片傾角45°

圖7 上葉片傾角60°

四、結(jié)論

在對(duì)攪拌器設(shè)備的仿真分析后，發(fā)現(xiàn)采用下直葉片+上傾葉片組合，上葉片傾角為45°及60°效果最佳，采用攪拌器及鉆井液槍組合，能更有效地清除鉆井液罐內(nèi)部顆粒沉淀的死角。通過(guò)對(duì)鉆井液攪拌器的改進(jìn)及鉆井液槍的使用，可有效地控制鉆井液內(nèi)固控顆粒的含量，以保證超深井循環(huán)系統(tǒng)高效運(yùn)行。

圖8 上葉片傾角75°

圖9 單獨(dú)使用攪拌器罐內(nèi)鉆井液攪拌速度云圖

圖10 單獨(dú)使用攪拌器鉆井液速度＜0.2 m/s

1 呂榮潔，劉緒全，張松杰，郭建華.再造鉆井“血液”[J].中國(guó)石油化工，2011

2 任翔.對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有固控設(shè)備性能的初步評(píng)價(jià)[J].鉆采工藝，2004

3 陳世春，張曉東，梁紅軍.塔里木地區(qū)超深井鉆機(jī)配置[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010

4 江興林，朱法銀，朱仁宏.油氣勘探與開(kāi)發(fā)[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2002

圖11 攪拌器、鉆井液槍組合罐內(nèi)攪拌速度云圖

5 孫廣同.鉆井液固控中存在的問(wèn)題[J].鉆井液與完井液，1996

圖12 攪拌器、鉆井液槍組合鉆井液速度＜0.2 m/s

6 龔偉安.鉆井液固相控制技術(shù)與設(shè)備[M].北京：石油工業(yè)出版社，1995