水平井巖屑床清潔工具的設計與試驗

紀國棟 汪海閣 黃洪春 孟 昭 崔 柳 郭衛紅

1.中國石油集團工程技術研究院有限公司 2.中國石油勘探開發研究院

0 引言

在水平井、大位移井、多分支井等復雜結構井鉆井作業過程中，其水平井段巖屑容易堆積形成巖屑床，進而出現井眼不清潔的問題[1-2]。如果不能及時將井眼環空內的巖屑除去，巖屑將逐漸堆積在井眼環空低邊，導致鉆柱摩阻扭矩大、托壓嚴重，致使長水平段水平井鉆井速度慢、周期長、成本高，嚴重時甚至造成卡鉆、鉆具斷落等井下安全事故[3-4]。因此提高水平井段井眼清潔效率、抑制巖屑床生成，是確保鉆井作業高效平穩運行的重要手段之一。

國內外學者針對環空井筒內的巖屑運移問題開展了大量的實驗和數值模擬研究[5-7]。Sorgun[8]對鉆桿旋轉下巖屑運移對壓力損失的影響進行了試驗研究，結果表明巖屑的堆積現象會引起環空內壓力的下降，鉆桿的旋轉作用可以顯著減少井筒環空內鉆井液的摩擦壓力損失，提高井筒環空內巖屑的清潔效率；WANG 等[9]使用CFD 軟件對井筒環空內液固兩相流進行了數值模擬，結果表明，準螺旋流是水平環空內液固運移的主要流型，鉆桿的旋轉增加了環空內固體顆粒和液體的擾動；SUN 等[10]使用CFD 軟件采用歐拉多相流模型模擬了鉆桿旋轉對復雜結構巖屑運移行為的影響，結果表明鉆桿旋轉作用會顯著影響井筒環空內巖屑分布狀態。鉆桿旋轉作用對巖屑運移具有重要影響，因為它可以在環空內誘導螺旋流，促進巖屑顆粒的運移。近年來，閆鐵等[11-13]提出了一種螺旋葉片式巖屑床清潔工具，該工具在鉆桿管體上加工若干螺旋形狀的葉片，通常葉片直徑與鉆桿接頭接近并與鉆桿連接使用。Puymbroeck 等[14-16]介紹了一種帶有雙螺旋葉片短節的復合井眼清潔工具，室內實驗和現場測試表明該工具具有極好的巖屑床破壞能力，提高井眼清潔程度超過60%，鉆具摩阻減少30%。Rodman 等[17]研制了一種葉片式巖屑清潔工具，現場試驗表明其可有效解決井眼凈化和井眼質量差的問題。Heitmann等[18]研制了一種在鉆桿上放置多簇“V”形葉片的巖屑清潔工具，現場應用表明可有效地節省鉆井時間，并減少了套管和鉆頭的磨損問題。這一領域現有研究成果表明，“V”形葉片巖屑床清潔工具可以在環空內誘導強烈的螺旋流動現象，有效地促進了巖屑運移，在工業應用中的取得良好效果，但仍有一些問題需要進一步探討，如葉片旋轉速度和螺旋角等參數對巖屑床清除效果的影響尚不明確，而這些對于該巖屑床清潔工具的優化和設計具有重要的意義。

“V”形葉片旋轉作用后的環空固液流動十分復雜，固相和液相間存在復雜的動量交換，暫時還沒有求解固液兩相納維—斯托克斯方程（N-S 方程）解析解的方法，近些年計算流體數值模擬技術（CFD）通過求解N-S 方程得到了廣泛的應用，通過模擬可以觀察到葉片作用后環空流場的固液流動細節，作為實驗研究的有益補充。為此，筆者應用CFD 數值模擬方法，采用歐拉—歐拉雙流體模型對“V”形葉片巖屑床清潔工具的葉片旋轉速度和螺旋角進行了優化，分析了不同條件下的環空內巖屑體積分數分布情況，并將優化后的參數應用于巖屑床清潔工具設計與加工，現場實施應用取得了較好的井眼清潔效果。

1 工具建模與數值模擬參數優化

1.1 “V”形葉片巖屑床清潔工具建模及網格劃分

圖1 葉片螺旋角示意圖

邊界條件為速度入口和壓力出口，鉆桿及井筒壁面采用無滑移壁面條件。壁面邊界條件用于描述流體介質與固體接觸區域流場變量的分布情況，考慮鉆井液的黏性，當流體沿井筒表面運動時，兩者之間沒有相對滑移，故將壁面設置為固體壁面邊界條件。整個井筒環空流場及清潔工具附近流場進行六面體結構網格劃分。采用滑移網格法解決靜止域和轉動域之間相對運動的問題。整個流場由鉆桿、清潔工具和靜止環空3 部分組成。清潔工具計算區域包含轉動的螺旋葉片，網格全部采用六面體結構網格劃分，近壁面采取加密的方式，總體網格數量為554 600 個，環空流域及局部網格劃分如圖2 所示。

圖2 環空流域及巖屑床清潔工具附近網格劃分圖

1.2 CFD 模擬數值求解方程

由于本文巖屑床清潔工具的旋轉作用下的數值模擬研究，需要考慮到環空內流體流動為湍流，且流動中存在高速旋轉情況，為了更好地處理流場中高應變率和流線彎曲程度較大的流動，湍流模型選擇的是可實現的 k-ε 模型[19]。歐拉—歐拉雙流體模型中所采用的控制方程如下所示：

連續性方程：

對于鉆井液與巖屑固液兩相流動系統來說，相間曳力是鉆井液與巖屑顆粒相間耦合作用力，對巖屑保持懸浮和沖蝕巖屑床起到決定性作用。固液曳力研究主要有Syamlal-O' Brien 模型[20]、Wen & Yu模型[21]、Gidaspow 模型[22]等，其中以Gidaspow 模型的應用最為廣泛，并且具有較好的預測精度[23-24]。Gidaspow 模型是將Ergun 模型[25]和Wen & Yu 模型相結合。Huilin 等[26]提出了一種改進后的Gidaspow模型，用以修正曳力函數的不連續現象，在該模型下，用于計算相間曳力的液固相間動量交換系數有如下形式：

當αl≤0.8 時，液固相間交換系數可以用Ergun方程表示為：

當αl＞0.8 時，液固相間交換系數可以用Wen & Yu 方程表示為：

拖拽系數CD可表示為：

巖屑的顆粒雷諾數定義為：

式中ds表示巖屑粒徑。

各相的應力—應變張量可表示為：

k-ε 模型中的湍動能（k）、耗散率（ε）為：

CFD 可由6 個步驟進行求解：初值設定、求解控制、求解監視、CFD 計算、收斂檢查、停止。

1.3 模擬結果與分析

模擬時采用與實際鉆井參數接近的工況，重點考察工具轉速和螺旋角兩個參數對環空流動和巖屑分布的影響規律。鉆井液密度1 500 kg/m3，黏度30 mPa·s，排量30 L/s 巖屑顆粒密度2 500 kg/m3，粒徑5 mm，井斜角90°，清潔工具環空偏心度0.5。模擬轉速（n）和螺旋角（α）參數組合如表1 所示。

表1 模擬中采用的參數變化表

葉片旋轉過程中可以將葉片的機械能傳遞給流體，葉片轉速的提高可以使流體獲得更多的切向動能。圖3 所示為螺旋角（α）為20°時，不同轉速下葉片后端0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m 處的環空內巖屑體積分數分布云圖。

圖3 不同轉速下的環空巖屑體積分數分布云圖（α=20°）

葉片旋轉后誘導螺旋流沿流動方向逐漸衰減，傳遞給顆粒的切向動能逐漸減小，直至螺旋流動耗散消失。隨著葉片轉速的增加，同一截面處巖屑顆粒的沉積現象開始逐漸得到緩解。轉速分別為80 r/min、100 r/min，120 r/min、160 r/min 和200 r/min 時，環空底部的巖屑沉積發生了一定程度的偏轉，并且轉速越大這種偏轉越明顯。這正是螺旋流的旋流效應改變了巖屑顆粒在環空底部的沉積分布濃度。

從表2 中可以看出，環空壓降損失隨著螺旋角和轉速的增加而增大，在螺旋角較大時這種現象更為明顯。這是由于“V”形葉片誘導螺旋流主要是依靠流體慣性引起的脫流造成相對負壓引起的。當螺旋角較小時，葉片的脫流效應減弱，而第一段逆時針葉片的強制引流效應更強，超過流體脫流所引起的相對負壓的影響，當螺旋角增大后，相對負壓效應迅速增大。這說明螺旋角增加到一定程度會造成很大的環空壓力損失，會給鉆井作業帶來風險。

表2 不同轉速下環空壓降損失計算結果表

圖4 所示為不同轉速下環空低邊處的巖屑切向速度分布曲線。清潔工具的旋轉作用會顯著提高附近區域鉆井液的湍流強度，在局部區域形成強制渦流，提高附近區域鉆井液的擾動現象，從而起到對巖屑床的沖刷作用，促使更多的巖屑顆粒可以懸浮在環空內，有利于巖屑從井眼環空攜帶上返。由于葉片誘導的螺旋流均具有較高的切向動能，更易于克服重力的負面影響，顆粒的切向速度值隨著轉速的增加而增大。隨著轉速的增大，環空內巖屑床清除效果逐漸增強，巖屑床清潔工具的有效作用距離長度都超過2 m。

綜合考慮不同螺旋角下的模擬結果，認為螺旋角為20°時的“V”形葉片滿足工程上的設計需求。這是因為，隨著螺旋角的增大，環空內的巖屑沉積現象逐漸得到緩減，但這種效應隨著螺旋角的增加而顯著降低。同時，隨著螺旋角的增加，環空內的壓力損耗顯著增大，增加螺旋角帶來的井眼清潔效果并不能抵消其所造成的環空壓力損失，環空壓力損失增大會增加泵壓，增加運行成本，甚至造成井底漏失等安全事故。

2 工具結構設計與加工

基于數值模擬優化結果，考慮現場實際工況以及保徑、井眼修復需要，同時滿足具有強烈的螺旋流誘導能力和降低的壓降損失的需求，設計加工了實體工具。工具隨鉆柱旋轉過程中，通過前端的流體變速截面對環空固液兩相流體一次擾流，隨后“V”形螺旋葉片攪動誘導產生螺旋流可將擾動后的巖屑床顆粒重新懸浮，并通過葉片刮削作用清除巖屑床，實現井眼凈化，有效降低摩阻扭矩，保證起下鉆、電測、下套管等作業安全。工具除水力旋流、機械刮削作用清除巖屑床、凈化井眼之外，保徑結構還可以修復井眼，減輕或消除微狗腿，提高井眼質量和規則程度。優化后的巖屑床清潔工具的主要技術參數如表3 所示。

根據優化的參數完成了巖屑床清潔工具樣機加工如圖5 所示，主要由公接頭、本體、流體變速截面、“V”形反螺旋葉片、硬質合金片、母接頭等幾部分組成。

選用高標準石油鉆具鋼（屈服強度835 MPa）作為巖屑床清潔工具加工原料，利用有限元軟件對巖屑床清潔工具進行強度分析，考慮“受拉400 kN+受扭30 kN·m”和“受拉1 000 kN”兩種極端條件下的受力情況，分析結果如表4 所示，最大拉應力分別為323.2 MPa 和222.2 MPa，安全系數分別為2.88和4.18，均超過鉆柱強度安全系數標準（一般取1.30），證明該結構設計滿足工具下井工作條件。

表3 巖屑床清潔工具技術參數表

圖5 “V”形水平井巖屑床清潔工具加工實物圖

表4 有限元軟件對巖屑床清潔工具進行強度分析表

工具下井前開展了強度測試（圖6），測試受力標準高于井下鉆柱受力環境。

測試結果表明，工具在承受2 000 kN 軸向拉力、2 000 kN 軸向壓力和40 kN·m 扭力的載荷施加之后，探傷檢測結構無損傷，表明工具強度能滿足下井工作條件。

圖6 巖屑床清潔工具強度測試照片

3 巖屑床清潔工具現場試驗

長寧H25-7 井是川渝地區一口大偏移距三維頁巖氣水平井，設計井深4 922 m，水平段長1 500 m，井斜95.9°。工具出井照片如圖7 所示。

圖7 巖屑床清潔工具出井照片

該井鉆至井深4 355 m，巖屑返出量大幅減少，鉆柱摩阻高達240 kN，分析認為井內存在巖屑床堆積，導致井眼不暢通。起鉆安裝巖屑床清潔工具進行現場試驗，工具安裝位置距離鉆頭377.87 m，隨鉆應用井段4 573 m ～4 965 m，進尺392 m，下井工作時間196 h，純鉆時間85.83 h，平均機械鉆速4.57 m/h。起鉆過程中對井斜70°左右的巖屑床堆積嚴重井段進行大排量高轉速往復劃眼，之后循環洗井2 h保證破壞后的巖屑床顆粒順利返至地面，應用過程中振動篩巖屑返出明顯增加，鉆柱摩阻由之前的240 kN 下降到180 kN，摩阻降低33%，起下鉆通暢、無阻卡，工具應用過程中未發生井下復雜事故，發揮了良好的井眼清潔作用，保障了后期電測、下套管安全順利。工具出井后葉片完好，硬質合金片無損傷，最大外徑僅磨損0.8 mm，驗證了工具的強度和葉片的耐磨性能。

4 結論

通過CFD 數值模擬，采用歐拉—歐拉雙流體模型結合顆粒動力學理論，研究了螺旋角、轉速參數對巖屑床清潔工具誘導螺旋流動衰減規律及巖屑顆粒重新懸浮分布的影響。基于數值模擬結果，優化設計了巖屑床清潔工具，完成樣機加工和室內測試，并進行了現場試驗。

1）巖屑床清潔工具對井筒中巖屑顆粒的清潔效果明顯優于無葉片鉆桿，鉆桿外加清潔工具可有利于巖屑顆粒的懸浮擴散從而提高井眼清潔效率。螺旋葉片的螺旋角和轉速等都影響清潔效果，通過對比不同螺旋角的清潔效果發現螺旋角較大時清除效果好。

2）現場試驗表明巖屑床清潔工具能有效地清潔井眼，應用過程中巖屑返出明顯，與上趟鉆相比，井底鉆柱摩阻顯著降低，為后期電測、下套管創造了良好的井眼條件。使用巖屑床清潔工具期間鉆進作業正常，應用后起下鉆通暢、無阻卡，未出現任何復雜事故，證明了工具用于頁巖氣水平井隨鉆清除巖屑床、清潔井眼作業的穩定性和可靠性。

3）通過現場試驗總結了一套水平井井眼清潔作業工藝流程：①利用巖屑床監測分析軟件對巖屑床分布進行評估，優化巖屑床清潔工具安放位置；②使用巖屑床清潔工具隨鉆破壞并清除巖屑床；③起鉆過程中對巖屑床堆積重點井段進行反復劃眼作業并循環洗井，將頑固性大顆粒巖屑床破壞并循環出井，為水平井提速提效、后期下套管作業創造更有利的井筒條件。