清除巖屑床鉆桿接頭設(shè)計與數(shù)值模擬研究

屈文濤， 郭怡瀟， 李桂變， 胡海燕

(1西安石油大學機械工程學院 2中國石油集團測井有限公司隨鉆測井中心 3中國兵器一機集團山西風雷鉆具有限公司)

研究表明，井斜角大于40°時容易形成巖屑床，影響鉆井液的正常循環(huán)，導致蹩泵、蹩鉆甚至出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象[1]。改進鉆井液性能、提高環(huán)空返速、提高鉆具轉(zhuǎn)速及短起下等控制方法具有一定的清除效果[2-3]，但受到鉆井泵功率、鉆井作業(yè)設(shè)計參數(shù)及物資成本等影響，巖屑床清除效果并不理想。

近年來，井眼清除工具在歐美鉆井服務(wù)公司中已經(jīng)進入到商業(yè)化應(yīng)用階段，如VAM公司開發(fā)的Hydro CleanTM系列鉆桿[4-6]，DBS公司研發(fā)的Cuttings Bed Impeller 等清除工具[7-8]。國內(nèi)也開展了相關(guān)研究，如海隆石油管材研究所研發(fā)的EHCDP巖屑床清除鉆桿[9]、勝利石油管理局的V型流道清除工具[2]。本文為評價市場在用的2種清除巖屑床鉆桿接頭螺旋槽結(jié)構(gòu)對流場的擾動效果，通過計算流體動力學(CFD)技術(shù)進行了環(huán)空流場數(shù)值模擬研究。

一、清除鉆桿結(jié)構(gòu)及工作原理

1. 結(jié)構(gòu)特性

兩種巖屑床清除鉆桿結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，A型清除鉆桿在加重鉆桿外壁均布3組變螺距變截面螺旋槽，組成上部的扶正支撐區(qū)和下部的流動清洗區(qū)，上部螺旋槽具有更大的螺旋角并嵌有硬質(zhì)合金耐磨片，與井壁接觸起到扶正所用，下部螺旋槽主要為鉆井液提升動力和導向；B型清除鉆桿在加重鉆桿外壁均布3組雙螺旋槽流道，設(shè)計有環(huán)形耐磨帶，上部螺旋槽流道螺旋角大于下部螺旋槽，兩者交錯分布。

圖1 A型巖屑床清除鉆桿及螺旋槽結(jié)構(gòu)

圖2 B型巖屑床清除鉆桿及螺旋槽結(jié)構(gòu)

兩種清除鉆桿規(guī)格參數(shù)如表1所示，通過新型熱處理工藝提升材料特性，使清除鉆桿具有高強度和高韌性，既確保井壁不被破壞，又能保證清除巖屑效果。

表1 清除鉆桿規(guī)格參數(shù)

2. 工作原理

兩種巖屑床清除鉆桿的工作原理基本相同，如圖1所示，通過設(shè)計不同螺旋角的螺旋槽，首先對巖屑床產(chǎn)生主動挖掘破壞作用，其次鉆井液通過下部螺旋槽時，在周圍環(huán)空產(chǎn)生擾動，正邊緣角處壓力高，負邊緣角處壓力低，產(chǎn)生的壓力差會將巖屑吸至螺旋槽內(nèi)側(cè)而脫離井底巖屑床，實現(xiàn)巖屑床清除。

二、流場模型建立及數(shù)值模擬

1. 邊界條件

為了明確對比兩種流道對環(huán)空鉆井液流動特性的影響，各提取其中一個螺旋段進行數(shù)值模擬，分別建立流場計算模型，選用?140 mm規(guī)格清除鉆桿，鉆具偏心度0.5，井斜角為45°，井眼直徑為245 mm。定義邊界條件如圖3中a和b所示，設(shè)置流場入口為速度入口，出口為壓力出口，井壁為固定墻壁，鉆桿及螺旋槽表面為軸向旋轉(zhuǎn)，攜帶巖屑的鉆井液由底部進入計算流域，經(jīng)過清除鉆桿與井壁環(huán)空由頂部排出。

圖 3 兩種清除鉆桿物理模型

2. 湍流模型

在湍流的工程計算中，雙方程模型以其計算經(jīng)濟性及一定的精度被廣為使用[10]。計算選用Realizable k-e湍流模型，該模型考慮了兩個獨立湍流量的對流、擴散及其隨時間的變化，對強旋流動的計算具有較高的精度，按照Standard wall function標準壁面處理。湍動能k和耗散率e輸運方程如下：

(1)

(2)

C2=1.9。

式中：ρ—鉆井液密度，kg/m3；

μt—動力黏度系數(shù)，kg/(m·s)；

υ—運動黏度系數(shù)，m2/s；

Gk—由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；

Gb—由浮力引起的湍動能產(chǎn)生；

YM—可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；

Sk、Sε—平均變化率；

C1ε、C3ε—計算常數(shù)；

σk、σε—分別表示湍動能和耗散率湍流普朗特數(shù)。

3. 網(wǎng)格劃分

針對此類非定常流動，本文采用滑移網(wǎng)格方法對計算模型進行劃分，如圖4所示，將螺旋槽表面的流體和外圍的流體劃分為兩個計算域，令內(nèi)部計算域進行旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動部分與流體之間的相對運動引發(fā)瞬間交互效應(yīng)，能夠把瞬態(tài)作用考慮到計算中，因此更加接近流場的真實情況。網(wǎng)格采用四面體以及五面體混合單元，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，設(shè)置5層邊界網(wǎng)格，更有效的實現(xiàn)滑移動網(wǎng)格功能，提高計算精度同時減少計算時間。

圖4 螺旋槽部分網(wǎng)格劃分

4. 數(shù)值模擬計算

設(shè)置流場初始化參數(shù)如表2所示。紊流采用1階迎風格式和SIMPLIC算法，SIMPLEC算法是SIMPLE算法的一種衍生算法，壓力修正值更合適，而且能夠有效地加速收斂[11]。兩相流采用Eulerian模型，忽略各相密度脈動變化、顆粒相的質(zhì)量脈動變化，Eulerian模型中顆粒相和液相的控制方程可以統(tǒng)一表達為：

(3)

式中：k—液相g和顆粒相p；

φ—物理量，如速度、溫度、體積分數(shù)流體相湍流動能等；

Ψφk—各相自身的源相以及不同相之間的質(zhì)量、動量的相互交換。

表2 流場參數(shù)設(shè)置

圖5 軸向速度計算結(jié)果對比

三、結(jié)果分析

1. 軸向速度對比

根據(jù)模型初始坐標系定義，軸向速度為X向速度，兩種螺旋槽軸向速度對比結(jié)果如圖5所示，鉆井液在兩種螺旋槽部位軸向速度均有所提升，且在螺旋槽周圍均產(chǎn)生渦流，但是A型螺旋槽流域最大軸向速度達到3.61 m/s，截面處速度矢量方向一致性較好，鉆井液通過螺旋槽后在上方仍保持約2.5 m/s 的軸向平均流速；B型螺旋槽截面的速度矢量比較發(fā)散，最大軸向速度3.12 m/s，通過螺旋槽后軸向速度衰減較大。

為了更加準確的比較鉆井液在兩種螺旋槽處的流動特性，將速度采集截面設(shè)置在上部螺旋槽流出面，在環(huán)空流域偏心段大環(huán)空區(qū)域和小環(huán)空區(qū)域自上而下依次取1～10個點作為數(shù)據(jù)采集點，如圖6所示。

圖6 螺旋截面采樣點示意圖

圖7 軸向速度采樣對比

提取鉆井液軸向速度變化對比曲線如圖7所示。可以看出鉆井液在A型螺旋槽周圍的軸向速度整體大于B型螺旋槽，且在大環(huán)空中部(采樣點2)軸向速度最大；B型螺旋槽在井眼壁面(采樣點1、10)處鉆井液受流體黏性作用，軸向速度有所降低，而通過A型螺旋槽的鉆井液在小環(huán)空壁面(采樣點10)速度增大，說明對井壁巖屑沖刷效果更好。

2. 切向速度對比

分別對Z向和Y向10個采樣點取速度合成得到切向速度采集對比，如圖8所示。可以看出，A型螺旋槽的切向速度波動比較大，在6～10點(下井壁)的絕對速度達到最大，這對于沉積在井眼低邊的巖屑能夠形成有效的沖刷；B型螺旋槽的速度波動幅度相對較小，原因主要是鉆井液經(jīng)過螺旋槽后的渦流受耐磨帶干涉，影響了渦流的一致性。

圖8 切向速度采樣對比

3. 動壓力對比

動壓力是鉆井液在螺旋槽處產(chǎn)生動能的體現(xiàn)，提取螺旋槽截面10個采樣點的動壓力對比曲線，如圖9所示，兩種結(jié)構(gòu)在環(huán)空低邊(采樣點6)壓力損失最大，且均形成低壓區(qū)，有利于巖屑卷入螺旋槽道。A型螺旋槽在靠近井壁處(1、10采樣點)鉆井液的動壓力較大，鉆井液在井眼環(huán)空壁面附近具有更大的動能，能夠更有效的對巖屑床進行攜帶清除。

圖9 動壓力采樣對比

四、結(jié)論

(1)兩種清除巖屑床鉆桿接頭的螺旋槽流道結(jié)構(gòu)在鉆具旋轉(zhuǎn)時，均能對鉆井液產(chǎn)生強烈的造渦作用，改變了偏心環(huán)空流體的流動特性，增大了流場的湍流強度，使鉆井液從小環(huán)空往大環(huán)空運動時，將巖屑卷入螺旋槽道中，利用鉆桿轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的離心力將巖屑旋入速度較高的大環(huán)空，實現(xiàn)高效清除巖屑床的作用。

(2)計算結(jié)果表明，受螺旋槽流道結(jié)構(gòu)影響，環(huán)空流場速度矢量均呈現(xiàn)旋流分布。A型螺旋槽附近能夠產(chǎn)生更大的渦流，使鉆井液通過螺旋槽后仍保持近2倍入口速度的軸向速度；同時A型螺旋槽造成的切向速度波動量及平均動壓力均大于B型螺旋槽結(jié)構(gòu)，認為A型清除鉆桿相比于B型清除鉆桿能夠更有效對井眼環(huán)空的沉積巖屑進行沖刷、攜帶；但設(shè)計有環(huán)形耐磨帶的B型清除鉆桿能夠?qū)诤吐菪郾倔w起到更好的保護。

(3)在定向井清除巖屑床問題中，合理使用井眼清除工具相比與常規(guī)的鉆井工藝參數(shù)調(diào)整方式，具有更好的清除效果和靈活的操控性，有效減少了開發(fā)成本，提高開采效率。