井眼清潔工具流場(chǎng)及巖屑運(yùn)移數(shù)值模擬分析

吳欣袁，張恒，王建龍，楊文領(lǐng)，柳鶴

（渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津大港300280）

井眼清潔工具流場(chǎng)及巖屑運(yùn)移數(shù)值模擬分析

吳欣袁，張恒，王建龍，楊文領(lǐng)，柳鶴

（渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津大港300280）

在大位移井、水平井鉆井過程中，常有巖屑運(yùn)移不暢，形成巖屑床的現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致摩阻增大、蹩鉆等復(fù)雜問題，嚴(yán)重時(shí)甚至影響鉆井安全。本文分析了一種短節(jié)式的井眼清潔工具，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)其偏心旋轉(zhuǎn)工況下的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，通過特征截面流線圖、速度云圖等分析了工具對(duì)該井段的流場(chǎng)擾動(dòng)作用機(jī)理；通過多相流計(jì)算，得出了巖屑顆粒運(yùn)動(dòng)情況。分析表明，工具對(duì)流場(chǎng)具有導(dǎo)流和攪拌的作用，加速巖屑顆粒運(yùn)動(dòng)；隨著工具轉(zhuǎn)速增大，工具對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)作用加大，巖屑顆粒離開模型的最終速度增大，因此顆粒滑落距離增加，有利于巖屑攜帶。在某油田1603井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示，合理安放多個(gè)井眼清潔工具后振動(dòng)篩返屑量明顯增加，后兩次收集巖屑體積分別是使用前的3.75倍和1.6倍。

井眼清潔；巖屑運(yùn)移；大位移井；水平井；數(shù)值模擬

隨著國內(nèi)外油氣田勘探開發(fā)的不斷深入，大位移井、水平井應(yīng)用越來越廣泛。井眼中巖屑運(yùn)移不暢，不斷沉積在環(huán)空的底邊形成越來越厚的巖屑床，導(dǎo)致摩阻增大、蹩鉆、卡鉆等現(xiàn)象產(chǎn)生，嚴(yán)重時(shí)甚至影響鉆井安全和鉆進(jìn)效率。因此，提高井眼清潔效率，防止和清除巖屑床是亟待解決的問題。目前主要有以下幾種提高井眼清潔的方法：加大排量提高環(huán)空返速，增加鉆桿轉(zhuǎn)速，改善鉆井液攜巖性能，機(jī)械清除巖屑床等。其中，加大排量受到現(xiàn)場(chǎng)泵功率的限制，而且返速過快會(huì)過度沖刷井壁；增加鉆桿轉(zhuǎn)速在一定程度上可以提高井眼清潔效率，但會(huì)增加鉆具風(fēng)險(xiǎn)；改善鉆井液性能對(duì)攜巖能力的提高有限；機(jī)械清除法包括短起下和使用井眼清潔工具。頻繁的短起下鉆具，會(huì)增加司鉆工作量，減少純鉆時(shí)間，影響鉆井效率。就現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況來看，使用井眼清潔工具是一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又有效的方法。這類工具的代表性產(chǎn)品有國外VAM公司的HydroClean高效清潔鉆桿[1]，DBS公司的CBI（Cutting Bed Impeller）工具，OILSCO公司的HCS（Hole Cleaning Sub）工具[2]。本文研究了一種短節(jié)式井眼清潔工具，采用流體動(dòng)力學(xué)對(duì)其流場(chǎng)和巖屑顆粒運(yùn)移進(jìn)行了數(shù)值模擬，并根據(jù)結(jié)果分析了其工作機(jī)理，為工具的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1 工具的流體力學(xué)模型

1.1 物理模型

井眼清潔工具安裝在鉆桿上，其外形特征在于外表面布置了V型或螺旋型溝槽結(jié)構(gòu)[3]。在鉆具旋轉(zhuǎn)過程中這些結(jié)構(gòu)將作用于井筒內(nèi)部環(huán)空流場(chǎng)，改善流動(dòng)性能[4]。本文所研究的井眼清潔工具簡化物理模型（見圖1），工具中段有葉輪型結(jié)構(gòu)，起到擾流作用，工具左右兩側(cè)具有對(duì)稱的螺旋溝槽結(jié)構(gòu)，起到導(dǎo)流作用。模型的基本幾何參數(shù)如下：模型整體水平放置，工具最大外徑172 mm，工具長度1 600 mm，井筒內(nèi)徑為215.9 mm。由于重力的作用，鉆具與井筒不同軸，而是位于環(huán)空下方，設(shè)在x和y方向偏心距為10 mm。為了觀察不同階段井筒中流體狀態(tài)，分別在x=30 mm，x=500 mm，x= 680 mm，x=875 mm處設(shè)置特征截面。

1.2 邊界條件

入口處采用體積流量邊界條件，速度為30 L/s（0.03 m3/s），鉆井液密度為1.2 g/cm3；出口采用壓力邊界條件與環(huán)境壓力保持一致；井筒內(nèi)表面設(shè)為真實(shí)壁面，固定且具有粗糙度；工具轉(zhuǎn)速設(shè)為0 r/min、30 r/min、60 r/min、90 r/min四種情況，具體邊界條件設(shè)定（見表1）[5，6]。

圖1 井眼清潔工具簡化物理模型及剖面圖Fig.1 Hole cleaning tools simplify physical model and sectional view

1.3 巖屑顆粒分析條件

設(shè)巖屑直徑為1 mm的球形固體顆粒[7，8]，密度為2 500 kg/m3，質(zhì)量流量為0.2 kg/s，初始速度為Vz= 0.2 m/s；入口處注入巖屑顆粒，在入口環(huán)形面積上均勻分布30個(gè)巖屑顆粒；出口處邊界條件設(shè)為吸收，即巖屑顆粒在出口處消失；井筒內(nèi)表面與工具外表面設(shè)為反射壁面，即巖屑顆粒在撞擊這些表面后發(fā)生反彈，速度與方向發(fā)生變化[9]。

表1 邊界條件Tab.1 Boundary conditions

圖2 特征截面處流線圖Fig.2 Streamlines at feature cross sections

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 流場(chǎng)分析

同一時(shí)刻四個(gè)特征截面上的流線分布（見圖2）。其中，圖2a為入口處（x=30 mm）流線圖，圖2a中流線分布比較均勻，幾乎沒有彎曲，屬于層流流動(dòng)狀態(tài)，只在環(huán)空底部由于流道變窄而出現(xiàn)了壓力梯度；圖2b為前部螺旋槽處（x=500 mm）流線圖，由于螺旋槽的擾動(dòng)作用，流線出現(xiàn)彎曲，底部以及左側(cè)出現(xiàn)渦流先兆；圖2c為中部葉輪結(jié)構(gòu)處（x=680 mm）流線圖，圖中出現(xiàn)了明顯的渦流，并且可以看到工具旋轉(zhuǎn)將流體拋向上側(cè)井壁；圖2d為后部螺旋槽處（x=875 mm）流線圖，此處渦流得到充分發(fā)展，在旋轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生較大位移，產(chǎn)生旋流，提高巖屑運(yùn)移效率。

在螺旋槽道的作用下，環(huán)空流體明顯地呈現(xiàn)出從小環(huán)空流向大環(huán)空的趨勢(shì)。根據(jù)偏心環(huán)空流體流動(dòng)特征可知，大環(huán)空處流體的軸向速度大于小環(huán)空處的軸向速度，巖屑從小環(huán)空甩到大環(huán)空之后，更容易被鉆井液帶走[10，11]。

2.2 巖屑顆粒運(yùn)移分析

工具不同旋轉(zhuǎn)速度下，巖屑在該段井筒中的運(yùn)動(dòng)情況（見圖3）。圖3a為轉(zhuǎn)速0 r/min，即靜止情況下，可以看到巖屑顆粒在鉆井液的攜帶下進(jìn)入井筒，由于重力的原因，運(yùn)動(dòng)一段距離后滑落到環(huán)空的下部，并且速度越來越小，逐漸在下井壁堆積，形成巖屑床。圖3b為轉(zhuǎn)速30 r/min時(shí)，由于工具對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)作用，一部分巖屑顆粒被拋向上環(huán)空，被流速較快的鉆井液帶走，在下井壁堆積的巖屑顆粒數(shù)量明顯減少。圖3c為轉(zhuǎn)速60 r/min時(shí)，可以看到工具對(duì)整體流場(chǎng)的擾動(dòng)作用已經(jīng)非常充分，大部分巖屑顆粒在做旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)。圖3d為轉(zhuǎn)速90 r/min時(shí)，擾動(dòng)作用增強(qiáng)，在環(huán)空底部的顆粒運(yùn)動(dòng)速度也明顯增加。

隨著鉆具旋轉(zhuǎn)速度的增加，井眼清潔工具對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)加大，對(duì)巖屑顆粒運(yùn)移產(chǎn)生積極作用。取其中3個(gè)巖屑顆粒進(jìn)入模型出口表面的速度VZ，即顆粒離開模型的最終速度，繪制曲線圖（見圖4）。總體上來說在相同的初速度條件下，隨著鉆具轉(zhuǎn)速的增大，顆粒最終速度增大，巖屑從環(huán)空高邊滑落到環(huán)空低邊的距離也就越長，有利于巖屑運(yùn)移。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下巖屑運(yùn)移圖Fig.3 Cuttings migration patterns at different speeds

圖4 顆粒在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)入出口表面速度VZFig.4 The particles enter the exit surface velocity VZat different rotational speeds

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某油田1603井，為三段制井，井眼清潔工具應(yīng)用井段2 114 m～3 011 m，井眼直徑215.9 mm，井斜65°。該井段為長穩(wěn)斜段，從現(xiàn)場(chǎng)情況來看返屑不佳，井眼內(nèi)應(yīng)有一定量的巖屑堆積。根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，采用有限元模型中計(jì)算的巖屑顆粒最終速度，可計(jì)算巖屑顆粒在經(jīng)過工具作用以后沿井筒運(yùn)動(dòng)多遠(yuǎn)之后滑落到井壁下側(cè)，也就是工具安放位置的參考距離L。

其中：α-工具的攜帶因子，α=1～2；β-工具的加速因子，β=流場(chǎng)速度增加倍率；θ-井斜角；Dh-環(huán)空直徑；vh-環(huán)空返速；vsx-巖屑顆粒在井筒中的滑落速度，其計(jì)算方法在參考文獻(xiàn)[3]中有詳述。

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，井眼清潔工具共兩次入井，進(jìn)尺897 m，第一趟鉆下入井眼清潔工具5個(gè)，第二趟鉆下入井眼清潔工具6個(gè)，根據(jù)公示計(jì)算，間隔距離100 m～150 m。井眼清潔工具最直接的功能就是破壞巖屑床，防止新的巖屑床生成，因此采用最直接的方法根據(jù)返出巖屑體積來判斷工具效果。本次試驗(yàn)共三次收集巖屑，第一次為工具未入井之前1 759 m～1 789 m，第二次為工具下入第一趟鉆2 030 m～2 060 m，第三次為工具下入第二趟鉆2 955 m～2 985 m。三次分別收集巖屑體積為5.6×104cm3、2.1×104cm3、8.96×104cm3（見圖5）。

圖5 三趟鉆收集巖屑量Fig.5 The amount of cuttings collected in three trips

對(duì)比使用前后巖屑收集體積，第二次、第三次收集巖屑量為第一次的3.75倍，1.6倍。第二次巖屑量最多，是因?yàn)樯弦惶算@在井眼中沉積的巖屑較多，使用井眼清潔工具后破壞了前期形成的巖屑床，返出量隨即增大；第三次巖屑量也比第一次多，可見井眼清潔工具能預(yù)防新的巖屑床生成，保證巖屑順利返出。

4 結(jié)論

（1）井眼清潔工具外形結(jié)構(gòu)起導(dǎo)流和攪拌作用，對(duì)該井段流場(chǎng)產(chǎn)生巨大擾動(dòng)，環(huán)空流體呈現(xiàn)從小環(huán)空向大環(huán)空流動(dòng)趨勢(shì)，對(duì)巖屑顆粒有加速作用，并可將沉積到底部的巖屑顆粒帶離環(huán)空底邊。

（2）工具旋轉(zhuǎn)速度增加，對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)作用加大，巖屑顆粒離開模型的最終速度增大，因此顆粒滑落距離增加，有利于巖屑攜帶。

（3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，使用井眼清潔工具后，返出巖屑量明顯大于使用工具之前，證明該工具可起到破壞前期生成巖屑床，并預(yù)防新的巖屑床生成的作用。

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大慶煉化開發(fā)EP300M填補(bǔ)中國石油生產(chǎn)空白

近日，大慶煉化公司成功開發(fā)出的聚丙烯新產(chǎn)品中熔抗沖共聚注塑料EP300M銷售取得階段性成功，產(chǎn)品已投入批量生產(chǎn)，填補(bǔ)了中國石油此領(lǐng)域的生產(chǎn)空白。據(jù)了解，大慶煉化EP300M產(chǎn)品現(xiàn)已成功進(jìn)入華南地區(qū)高端市場(chǎng)，客戶反映良好，產(chǎn)品需求廣泛，地區(qū)銷售公司建議大慶煉化持續(xù)排產(chǎn)，保障市場(chǎng)穩(wěn)定供應(yīng)。

據(jù)悉，中熔抗沖共聚注塑料EP300M是大慶煉化去年9月組織試生產(chǎn)的聚丙烯新產(chǎn)品，已通過國家CQC標(biāo)志認(rèn)證。此產(chǎn)品具有良好的抗沖性、高光澤度和耐應(yīng)力，適合各類家電的生產(chǎn)。目前國內(nèi)僅少數(shù)幾家廠商具備生產(chǎn)EP300M的能力。大慶煉化生產(chǎn)的EP300M在產(chǎn)品光澤度等方面質(zhì)地更優(yōu)，具備較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，已得到包括美的集團(tuán)在內(nèi)的國內(nèi)主要家電生產(chǎn)商的廣泛認(rèn)可。

此產(chǎn)品市場(chǎng)前景廣闊，僅華南地區(qū)的需求量即達(dá)18萬噸/年。截至目前，大慶煉化已累計(jì)向華南地區(qū)市場(chǎng)供應(yīng)2.79萬噸。

（摘自中國石油新聞中心2016-12-27）

Hole clean tools flow field and cuttings migration numerical simulation

WU Xinyuan，ZHANG Heng，WANG Jianlong，YANG Wenling，LIU He
（Engineering Technology Research Institute BHDC，Dagang Tianjin 300280，China）

During the drilling of the extended reach well and horizontal well,often poor cuttings transportation,forming cuttings bed.Cuttings bed will lead to increased friction,limping and other complex problems,serious and even affect the safety of drilling.This paper analyzes a short-section hole cleaning tool.The flow field under eccentric rotation is simulated by CFD.The flow field disturbance mechanism of the tool is analyzed by the characteristic cross-section flow chart,velocity cloud diagram and so on.Through the calculation of multiphase flow,the movement of cuttings particles is obtained.The analysis shows that the tool has the effect of diversion and stirring on the flow field and accelerates the movement of cuttings particles.As the tool speed increases,the disturbance effect of the tool on the flow field increases,the final velocity of the cuttings particles leaving the model increases.Therefore,the distance of particle slippage increases,which is favorable for cuttings to carry.In a field test wells 1603 proved reasonable placement of multiple hole cleaning tools,the amount of cuttings produced by shaking screen increased obviously.The volume of cuttings collected in thelast two times was 3.75 times and 1.6 times as before.

hole clean；cuttings migration；extended reach well；horizontal well；numerical simulation

TE927

A

1673-5285（2017）01-0073-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.022

2016－11-02

吳欣袁，男（1981-），四川宜賓人，博士研究生，高級(jí)工程師，主要從事井下工具研發(fā)工作，郵箱：bhzt_wxy@163.com。