大斜度井巖屑床清除工具安放位置計(jì)算

劉小剛，范白濤，2，楊　進(jìn)，崔志軍，趙　靜，李長(zhǎng)林，岳文凱，鄧　賀

(1.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300452；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102200)①

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大斜度井巖屑床清除工具安放位置計(jì)算

劉小剛1，范白濤1，2，楊進(jìn)3，崔志軍1，趙靜3，李長(zhǎng)林3，岳文凱3，鄧賀3

(1.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300452；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102200)①

摘要：鉆井過(guò)程中保證井眼清潔有利于安全高效地鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時(shí)加放巖屑床清除器能有效保證井眼的清潔。通過(guò)對(duì)Moore滑落末速公式的修正引用及巖屑床清除器的流場(chǎng)分析，得出巖屑床清除器的加放間距的簡(jiǎn)單計(jì)算方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：大斜度井；巖屑床清除器；Moore滑落末速；流場(chǎng)分析

巖屑攜帶困難是大斜度、大位移定向井和水平井鉆井普遍存在的問(wèn)題，嚴(yán)重影響鉆井安全和鉆進(jìn)效果。在鉆進(jìn)時(shí)加放巖屑床清除器是清潔井眼的有效方法，同時(shí)結(jié)合提高鉆井液環(huán)空返速、改善鉆井液攜巖性能可以達(dá)到高效安全清潔井眼的目的。巖屑床清除器的工作原理主要是攪動(dòng)巖屑床，改變環(huán)空流線，使巖屑不在上返過(guò)程中沉積形成巖屑床[1-2]。但過(guò)多的使用巖屑床清除器也會(huì)增加摩阻轉(zhuǎn)矩，所以確定經(jīng)濟(jì)適用的安裝間距尤為重要。國(guó)內(nèi)學(xué)者黃麗萍提出的鉆進(jìn)時(shí)每3個(gè)單根放1個(gè)屑床清除器，通井時(shí)每4～5個(gè)單根放1個(gè)巖屑床清除器。國(guó)外DBS公司開(kāi)發(fā)的巖屑清除工具“CBI”鉆柱中的安裝間距一般為91～152 m。在實(shí)際操作中，更多的是按經(jīng)驗(yàn)來(lái)加放。本文通過(guò)理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬對(duì)巖屑床清除器的安放距離給出了簡(jiǎn)單的計(jì)算方法。

1巖屑床清除器安放位置

1.1理論推導(dǎo)

Moore依據(jù)大量的鉆井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，提出了一個(gè)將靜止液體中的自由滑落末速通用表達(dá)式應(yīng)用于鉆井過(guò)程中巖屑顆粒在環(huán)空內(nèi)滑落速度的計(jì)算方法。

當(dāng)顆粒雷諾數(shù)Rep>2 000時(shí)，阻力系數(shù)基本不隨顆粒雷諾數(shù)變化，約等于1.5，顆粒周圍的鉆井液處于紊流狀態(tài)，顆粒滑落末速為

(1)

當(dāng)顆粒雷諾數(shù)Rep≤1時(shí)，阻力系數(shù)曲線是一條直線，可以認(rèn)為顆粒周圍的流態(tài)為層流，巖屑滑落速度為

(2)

當(dāng)顆粒雷諾數(shù)1

(3)

式中：vs為顆粒滑落末速，m/s；ds為巖屑顆粒直徑，m；ρs為巖屑顆粒密度，g/cm3；ρ為鉆井液密度，g/cm3；μa為鉆井液黏度，Pa·s。

Moore總結(jié)出的求鉆井過(guò)程中巖屑顆粒在環(huán)空內(nèi)滑落速度的方法是以直井中巖屑顆粒為模型的。本文中研究水平井筒環(huán)空中巖屑顆粒垂直方向上的滑落速度，借用Moore的滑落速度計(jì)算方法。但由于水平井筒和垂直井筒的差異，需對(duì)滑落速度公式進(jìn)行修正。

在垂直井筒中，巖屑顆粒沿垂直方向相當(dāng)于是自由空間不會(huì)產(chǎn)生碰撞和交換。但在水平井筒的環(huán)空中，巖屑顆粒垂向空間很小，在滑落過(guò)程中不斷受到鉆柱、井壁和其他固體顆粒的影響，不斷地發(fā)生碰撞和交換，所以在水平井環(huán)空中巖屑顆粒的滑脫末速較直井中的滑落速度小。通過(guò)試驗(yàn)得到修正參數(shù)為Δ=10。即水平井筒修正后的滑落末速為

(4)

在實(shí)際鉆井過(guò)程中，假定環(huán)空中流體過(guò)流斷面為勻速的，巖屑顆粒沿流體運(yùn)動(dòng)方向速度與流體一致。顆粒在鉆井液中以滑脫末速勻速下沉，直至井筒下部。巖屑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1。

圖1　巖屑顆粒在勻速流體中的運(yùn)動(dòng)軌跡示意

設(shè)顆粒從初始位置到結(jié)束位置的水平位移為

(5)

式中：l為巖屑顆粒的水平位移；Dh為井筒直徑；vh為環(huán)空返速；vsx為修正后巖屑顆粒的滑落末速。

1.2水平井中巖屑床工具安放位置

巖屑床清除器具是一種有效的斜井巖屑床破壞工具，具有水力和機(jī)械雙作用破壞、清除巖屑床的特點(diǎn)。在鉆進(jìn)時(shí)加放巖屑床清除器可以改善巖屑顆粒的運(yùn)移狀態(tài)[3-5]。

螺旋形葉片和V形葉片基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，該類型葉片螺旋面螺旋線形一般為阿基米德螺線、拋物線或其他規(guī)則曲線，V形葉片則存在一段適當(dāng)長(zhǎng)度的逆向反轉(zhuǎn)葉片，螺旋形葉片和V形葉片一般由整體坯料銑削加工獲得。

a　螺旋形葉片

b　V形葉片

1.2.1螺旋形葉片和V 形葉片對(duì)巖屑的攜帶作用

1)壓力吸附作用 。由于過(guò)流面積減小，葉片附近軸線流速增加而壓力減小(文丘里效應(yīng))，會(huì)將工具附近的巖屑吸至葉片附近；螺旋形葉片和V形葉片排屑槽寬度變化會(huì)導(dǎo)致壓力差，排屑槽外側(cè)寬壓力高，內(nèi)側(cè)窄壓力低，這樣的排屑槽結(jié)構(gòu)有利于將井底的巖屑吸附至排屑槽內(nèi)側(cè)而脫離井底巖屑床，從而有機(jī)會(huì)使巖屑滯留在排屑槽里，隨著工具旋轉(zhuǎn)而被舉升至高邊高速主流區(qū)。如圖3所示。

圖3　螺旋形葉片前緣負(fù)角設(shè)計(jì)

2)螺旋形葉片機(jī)械挖掘和破壞作用。 螺旋形葉片的銳角前緣依靠純機(jī)械作用將巖屑從巖屑床面挖掘起來(lái)并留在排屑槽里，隨著工具旋轉(zhuǎn)而帶離環(huán)空低邊。 V形葉片與螺旋形葉片相比較，因存在一段長(zhǎng)度逆向反轉(zhuǎn)葉片，在葉片局部對(duì)鉆井液環(huán)空流動(dòng)有阻礙作用，而葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，將對(duì)鉆井液產(chǎn)生強(qiáng)烈的造渦作用，大量漩渦會(huì)對(duì)環(huán)空巖屑床不斷侵蝕。

通過(guò)巖屑床清除器對(duì)巖屑床的破壞和對(duì)巖屑顆粒的攜帶作用，使巖屑顆粒從井壁底部被拋離到環(huán)空上部，進(jìn)入高流速區(qū)，增大了巖屑顆粒的運(yùn)移距離。定義巖屑床清除器對(duì)巖屑顆粒的影響為“攜帶因子”。

1.2.2螺旋形葉片和 V形葉片對(duì)鉆井液的加速作用

1)螺旋形葉片和V形葉片對(duì)鉆井液的切向加速作用。 螺旋形葉片和V形葉片井眼清潔工具通常在切向布置多個(gè)葉片，一般 5～9 個(gè)不等，而且葉片直徑大于鉆桿，井眼清潔工具在隨鉆桿旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將對(duì)鉆井液起到切向加速和軸向加速作用，給井眼低邊的巖屑補(bǔ)充懸浮動(dòng)能。其中切向加速作用使工具葉片附近鉆井液近似剛性旋轉(zhuǎn)，但由于鉆井液的黏性，這種對(duì)鉆井液的切向加速作用隨著鉆井液遠(yuǎn)離工具葉片而逐漸衰減。

2)螺旋形葉片和V形葉片對(duì)鉆井液的軸向加速作用。 對(duì)鉆井液的軸向加速作用則體現(xiàn)為在螺旋形葉片和V形葉片附近，一定質(zhì)量鉆井液軸向速度增加，根據(jù)連續(xù)性方程，附近必然有相同質(zhì)量流體減速，這樣就會(huì)在局部造成更高剪切速率，從而對(duì)巖屑床產(chǎn)生侵蝕作用。

3)螺旋形葉片對(duì)巖屑的循環(huán)推動(dòng)作用。 巖屑顆粒在排屑槽內(nèi)部向井口運(yùn)送的過(guò)程中會(huì)沿順時(shí)針(視線方向?yàn)閺木谥赶蜚@頭)滑動(dòng)，形成了循環(huán)往復(fù)。在循環(huán)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)作用使巖屑顆粒的切向和軸向速度增加，提高巖屑傳輸效率。巖屑循環(huán)推動(dòng)作用如圖4。

圖4　循環(huán)推動(dòng)巖屑作用示意

1.2.3巖屑床清除器流場(chǎng)分析

a　單個(gè)120 r/min時(shí)

b　單個(gè)80 r/min時(shí)

c　整體120 r/min時(shí)

a　單個(gè)120 r/min時(shí)

b　單個(gè)80 r/min時(shí)

c　整體120 r/min時(shí)

不同旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下巖屑床清除器的進(jìn)出口速度對(duì)比如表1。

表1　不同旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下巖屑床清除器進(jìn)出口速度對(duì)比

從表1可以看出，同種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，A型巖屑床清除器優(yōu)于B型，旋轉(zhuǎn)速度越快巖屑清除器加速效果越好；旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下單個(gè)巖屑床清除器的加速效果明顯低于組合管柱型。

通過(guò)流場(chǎng)分析可知巖屑床清除器對(duì)井筒中流體產(chǎn)生很大的加速效果。清除器的加放可明顯提高鉆井液流速，改善攜巖效果，達(dá)到巖屑床防治的目的。

1.2.4安放位置計(jì)算

通過(guò)分析可知，水平井筒中巖屑顆粒在不受干擾的情況下在水平運(yùn)移的距離L=vh×t。清除器的安放位置若超出L，巖屑顆粒就會(huì)滑落到井壁下側(cè)形成巖屑床，故巖屑床清除器的安放位置為

式中：α為巖屑床清除器的攜帶因子，α=1～2；β為巖屑床清除器的加速因子，β=流場(chǎng)速度增加倍率。

2現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某JZ25-1-A37井，井筒內(nèi)徑311.15mm，鉆柱外徑127mm，巖屑密度2.25g/cm3，粒徑4.20mm，鉆井液密度為1.25g/cm3，排量3.80L/min。在井深1 841m至2 040m處，井斜角為61.99及65.67時(shí)達(dá)到穩(wěn)斜，在此段加B型巖屑床清除器。

用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)得的鉆井液相關(guān)數(shù)據(jù)如表2。

表2　鉆井液數(shù)據(jù)

環(huán)空面積S=0.063 338 m2

流量Q=3.8/60=0.063 333 m3/s

使用Moore公式求巖屑顆粒的滑脫速度：

則環(huán)空返速為0.999 926 m/s時(shí)的鉆井液黏度為

假設(shè)為中等顆粒雷諾數(shù)1

反算顆粒雷諾數(shù)為

說(shuō)明假定的顆粒雷諾數(shù)范圍是合適的，使用中等顆粒雷諾數(shù)的Moore公式計(jì)算巖屑滑落速度時(shí)合理的。

水平井筒滑落速度修正結(jié)果為

考慮巖屑床清除器的影響，取巖屑床清除器的攜帶因子α=1.12，經(jīng)數(shù)值模擬取巖屑床清除器的加速因子β=1.28。則巖屑床清除器的安裝距離為

故建議井深1 841 m至2 040 m井段需安裝2個(gè)巖屑床清除器，間距約為68 m。

JZ25-1-A37井按照設(shè)計(jì)加放了2個(gè)巖屑床清除器，間距為72 m。鉆井過(guò)程中憋、卡鉆情況明顯減少，巖屑返出正常。

3結(jié)論

1)同種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，使用巖屑床清除器優(yōu)于未使用清除器，旋轉(zhuǎn)速度越快巖屑清除器加速效果越好；旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下單個(gè)巖屑床清除器的加速效果明顯低于組合管柱型。

2)在大斜度井鉆進(jìn)時(shí)巖屑床清除器安放在大斜度井的巖屑床多發(fā)部位，破壞巖屑床和提高鉆井液流速。水平井筒中巖屑顆粒在不受干擾的情況下在水平運(yùn)移的距離為l，巖屑床清除器安放位置超出l時(shí)，巖屑顆粒就會(huì)滑落的井壁下側(cè)形成巖屑床。

3)用本計(jì)算方法下入的巖屑床清除器，有效地減小了井下復(fù)雜情況的發(fā)生。通過(guò)巖屑的上返情況判斷井眼得到了很好的清潔，為大斜度井巖屑床清除器的加放提供了理論依據(jù)。

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Calculating Spacing for Cutting-bed-remover in Highly Deviated Wells

LIU Xiaogang1，F(xiàn)AN Baitao1，2，YANG Jin3，CUI Zhijun1，ZHAO Jing3，LI Changlin3，YUE Wenkai3，DENG He3

(1.TianjinLtd.，CNOOC，Tianjin300452，China；2.NationalMajorLaboratoryofMarinePetroleumExploitationinHighEfficiency，Tianjin300452，China；3.ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102200，China)

Abstract：In the process of drilling，keeping the hole cleaning is important for drilling safely and efficiently.Cutting-bed-remover is added when drilling can effectively guarantee the wellbore cleaning.Quotes from Moore particle slip velocity formula and flow field analysis of cutting-bed-remover is amended，a simple method of calculating spacing for cutting-bed-remover in highly deviated well simple calculation method is given to guide the construction in this article.

Keywords：highly deviated wells；cutting-bed-remover；moore particle slip velocity；the flow field analysis；calculating spacing

中圖分類號(hào)：TE926

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.010

作者簡(jiǎn)介：劉小剛(1978-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事海洋石油鉆完井技術(shù)研究，E-mail：haigongzhaojing@163.com。

收稿日期：①2015-09-22

文章編號(hào)：1001-3482(2016)03-0046-05