脈沖射流式巖屑床清理工具的研究

韓雪瑩，李衡，王漢卿，劉丹婷，張海超，夏成宇

(1.長江大學機械工程學院，湖北荊州 434023；2.中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川德陽 618000;3.中石化西南石油工程有限公司鉆井一分公司，四川成都 610000；4.山東威瑪裝備科技股份有限公司，山東東營 257000)

0 前言

隨著深層油氣資源開發，大位移及水平井被廣泛開發應用，由于該井段處于巖屑堆積嚴重井段，難以被鉆井液的反循環作用運移到井口，隨著巖屑床厚度不斷增加，甚至埋沒鉆桿，進而導致高摩阻、高扭矩、固井質量差等一系列問題，嚴重時造成卡鉆、鉆具斷裂等井下事故，造成嚴重經濟損失。

為了解決此類問題，提高巖屑運移方法與巖屑床破壞器得到廣泛應用，國內外針對巖屑床破壞器的研究主要為機械式葉片巖屑清理工具。RODMAN等研究了一種葉片結構井眼清潔工具，AHMED等通過實驗方法研究了不同葉片結構巖屑清理效率，PUYMBROECK等提出了一種復合型葉片井眼清潔工具，并通過實驗驗證了該工具能有效提高巖屑運移效率。孫浩玉應用CFD軟件對巖屑床清除器流場速度、壓力及液流運動跡線進行數值模擬研究，發現V形槽可加快進口軸向速度,增強周圍流場的湍流強度,有利于井筒巖屑的運移和清除。程玉生通過建立大斜度井巖屑運移三層模型，開發井眼清潔狀況分析軟件，發現提高鉆井液密度、排量、轉速等都會對井眼清潔狀況有所改善。孫曉峰等針對復雜結構井在大斜度和水平井段易出現井眼清潔問題，系統地研究了巖屑清理工具以及優化。吳欣袁等采用計算流體動力學分析了井眼清潔工具在大位移及水平井段流場擾動作用機制，發現該工具對流場具有導流和攪拌的作用，并且加速巖屑顆粒運動，有利于巖屑攜帶。吳百川等應用有限元軟件對比分析了“V”形和螺旋型巖屑床清潔工具性能和安全系數，認為螺旋型工具的巖屑清理效能比“V”形工具低。景帥等人通過建立井眼清潔數學模型，分析了不同鉆井參數對環空壓耗和井眼清潔程度的影響。

因此，本文作者根據環空巖屑運移機制和兩相流理論，參考文獻[11]設計一種射流式巖屑床清潔工具，分析了該工具的噴嘴噴射角度、噴嘴流速、巖屑粒徑、鉆井液排量對巖屑質量的影響，得出最優的噴射角度，指導現場作業。

1 結構與原理

射流式巖屑床清理工具主要由母接頭、外套管、公接頭、軸承、中心管、密封橡膠圈組成，如圖1所示。鉆井液流向為箭頭所指方向，該工具重力塊結構在自身的重力作用下，使得中間脈沖射流噴嘴在徑向方向上產生一股脈沖高速流體，由于中心管兩端沒有與母接頭、公接頭進行螺紋連接，不會與外套管一起旋轉，從而使主流道與噴嘴產生間斷式的脈沖射流。

圖1 脈沖射流式巖屑床清潔工具

脈沖射流噴嘴的結構如圖2所示，從圖中可以看出：噴嘴位于靜止的中心管，并且始終指向環空下部，外套管上的流道口均勻分布3個，并且與噴嘴出口形狀相同，中間圓形流道口始終處于接觸狀態。鉆桿帶動外套管旋轉，從而使噴嘴出口的連通面積發生周期性變化，在環空內外壓差作用下產生周期性脈沖射流。

圖2 脈沖射流式噴嘴結構

2 關鍵參數分析

2.1 噴射時間

根據實際工況，設定該工具的鉆桿轉速為=80 r/min，鉆桿旋轉一周所需時間為0.75 s，為了增加噴嘴噴射時間，故在外套管設置3個均布環槽，每個環槽角度=40°，故在一個周期內的噴射時間為0.25 s,計算公式如下。由于環槽邊界與噴嘴接觸時間短，不考慮環槽與噴嘴初始接觸和分離時的過流面積變化，通過Fluent中Profile文件實現噴嘴周期性脈沖射流。

(1)

式中：為噴射時間；為噴嘴總角度；為一個周期的時間。

2.2 噴射速度

脈沖射流巖屑床清理工具示意如圖3所示，該工具通常安裝在水平井段。周期性脈沖鉆井液是鉆井液流經該工具形成的，如圖2所示，為了得到噴嘴的噴射速度，需要對鉆桿內和環空的反循環流體壓差進行分析。由于鉆井液的壓力損失主要由螺桿總成和鉆頭造成，通過前人的研究，該壓差大小為2～6 MPa，文中設計的噴嘴直徑為25 mm，由公式(2)得噴嘴的噴射速度。結合以上噴射時間和噴射速度，通過Fluent讀取Profile文件產生周期性的脈沖射流。

圖3 脈沖射流式噴嘴結構

(2)

式中：Δ為壓降，Pa;為流量，m/s；為過流總面積,m；為流體密度，kg/m;為小孔流量系數，一般取=0.82。

2.3 湍流模型

由于脈沖射流式巖屑床破壞器內部流場復雜，并且環空內屬于兩相流流動。為了提高流場的計算精度，故采用RNG-湍流模型，該模型在旋轉流場中應用效果良好，其輸運方程為

(3)

式中：為鉆井液密度，kg/m；為湍動能，m/s；為湍動耗散率，m/s；為動力黏度系數，kg/(m·s)；為時均速度，m/s；為由層流速度梯度而產生的湍流動能，J；為由浮力而產生的湍流動能，J；1、2、3為常量，1=142，2=168，3=13；和分別為方程和方程的湍流普朗特數；和為用戶定義的源項。

考慮到該旋轉流場中的流體滿足非牛頓流變特性，故滿足冪律流體模型，其冪律流體的流變方程為

=

(4)

式中：為剪切應力，Pa；為稠度系數，Pa·s；為剪切應變率，s；為流性指數。

3 仿真模型

3.1 幾何模型

根據現場實際水平井組合參數建立脈沖射流工具與傳統攜巖鋼鉆桿三維模型，如圖4所示。實際水平井段很長，為了研究方便取模型長12 m，考慮井壁和鉆桿表面光滑。將帶噴嘴的三維環空井眼模型處于模型的中間位置，采用六面體單元對所建立模型進行網格劃分。

圖4 環空幾何模型

3.2 邊界條件

考慮模擬運算中的收斂性和穩定性，湍流流場的計算采用二階迎風格式和Simple算法。根據實際工況對模型入口邊界條件定義為：鉆井液速度入口和巖屑顆粒為質量入口；出口邊界條件定義為Outflow；壁面邊界條件定義為：將井壁設為Stationary Wall，鉆桿表面為Moving Wall；噴嘴入口為周期性速度入口，具體模擬參數見表1。表2為直讀式旋轉黏度計在不同轉速下測試的密度分別為1.92、2.28 g/cm時鉆井液的讀數值。文中鉆井液的密度為1.92 g/cm，在轉速為600、300 r/min時旋轉黏度計讀數分別117 mPa·s和67 mPa·s，由公式(5)可以算出為0.8，為0.23。

表1 基本參數

表2 鉆井液參數

(5)

式中：為鉆具內鉆井液流變指數，無因次；為鉆具內鉆井液稠度系數，Pa·s；為鉆井液轉速為600 r/min的讀數；為鉆井液轉速為300 r/min的讀數。

4 數值計算

4.1 脈沖工具使用前后井眼環空內巖屑質量對比分析

通過對水平井環空內巖屑質量數值仿真研究，圖5為使用脈沖射流式巖屑床清潔工具的前后環空內巖屑質量隨時間變化的曲線。可知：隨著時間的推移，巖屑沉降逐漸趨于穩定，未使用射流巖屑床清潔工具時沉降的環空內巖屑質量最多時達到了7.5 kg左右，容易造成巖屑堆積；相較于使用射流巖屑床清潔工具前，工具使用后的巖屑質量有了明顯的降低，環空內巖屑質量降低了30%左右。由此可見，脈沖射流式巖屑床清潔工具沖擊巖屑的效果非常明顯。其原理為在重力作用下，脈沖射流噴嘴在徑向方向上產生一股脈沖高速流體來沖擊沉積在管壁下方的巖屑，使巖屑床發生破壞。由于該工具不會隨著外套管一起旋轉，因此會在主流道與噴嘴之間產生間斷式的脈沖射流，阻止巖屑床的產生，使環空井眼內低速區的巖屑更易進入上部高速區，便于巖屑在環空內的橫向運移，提升了井筒清潔效率。

圖5 脈沖工具使用前后巖屑質量對比

4.2 噴嘴角度對脈沖工具攜巖能力的影響

在實際鉆井過程中，鉆桿的旋轉會使巖屑的沉積發生偏移，因此改變噴嘴與豎直方向的角度對脈沖工具進行巖屑清理及巖屑沉降影響是非常顯著的。圖6分別為無噴嘴狀態下的脈沖工具(普通攜巖鉆桿的仿真模型)與噴嘴角度在0°、30°、60°及90°之間巖屑體積分數云圖。可知：帶有噴嘴的脈沖工具的云圖中巖屑在井眼環空沉積量明顯減少，且巖屑在無噴嘴狀態下沉積量最多，噴嘴角度在90°時沉積量最少，沖擊巖屑的效果最好。說明噴嘴在90°時，噴嘴射流能有效地破壞巖屑床，巖屑所受的剪切力最大，環空中的巖屑更容易向環空上方流動，巖屑運移的效果更好。圖7為噴嘴角度分別在0°、30°、60°及90°時隨時間變化，環空中巖屑質量的對比分析圖，可以看出隨著時間的變化，噴嘴在90°時巖屑的質量遠遠低于其他角度，清潔效果更好。

圖6 不同噴嘴角度下巖屑的體積云圖

圖7 不同噴嘴角度下巖屑質量對比

4.3 噴嘴流速對脈沖工具攜巖能力的影響

脈沖工具射流噴嘴的速度由鉆桿內和環空的反循環流體壓差所決定。根據實際工況對不同的噴嘴速度進行仿真分析，在仿真模型中設置機械轉速為14 m/h、巖屑粒徑為4 mm、鉆井液排量為30 L/s、鉆井液密度為1.8 g/cm，通過上述公式設置不同壓差下的噴嘴流速，分析不同的噴嘴流速對環空井眼內巖屑質量的影響。由圖8可知：隨著噴嘴速度的增加，巖屑的質量逐漸減少，當流速達到一定數值之后，巖屑的質量逐漸趨于穩定。因此，在鉆井過程中該工具的使用不需要很大的壓差，即可以得到很好的巖屑清潔效果。

圖8 不同噴嘴速度下巖屑質量對比

4.4 巖屑粒徑對脈沖工具攜巖能力的影響

在鉆井過程中，環空內巖屑質量受巖屑粒徑的影響較大。巖屑粒徑越大，巖屑所受的重力也大大增加，更易沉積在環空底部形成巖屑床，導致巖屑難以啟動；巖屑粒徑越小，巖屑之間的附著力也會增加，所以巖屑粒徑太小也會導致巖屑粘接在一起難以運移。在仿真模型中設置機械轉速為14 m/h、鉆井液排量為30 L/s、鉆井液密度為1.8 g/cm，通過改變巖屑粒徑的大小，分析脈沖工具使用前后對環空內巖屑質量的影響。如圖9所示，使用工具后，隨著巖屑粒徑的變大，環空井眼內巖屑的沉積質量增加；相同粒徑時，使用脈沖工具后巖屑質量大幅度降低，可見脈沖工具能有效地破壞巖屑床，極大地提高巖屑運移效率。

圖9 不同粒徑下巖屑質量對比

4.5 鉆井液排量對脈沖工具攜巖能力的影響

巖屑在井筒運動的過程中分為固定層、擴散層和懸浮層。為使井眼達到更好的清潔效果，應使更多的巖屑處于懸浮層。鉆井液的排量決定了環空井眼內鉆井液的速度，而鉆井液速度的增加，巖屑所受的舉升力和拖曳力也會增加，也會加快巖屑向井眼運移。在仿真模型中設置機械轉速為14 m/h、巖屑粒徑為3 mm、鉆井液密度為1.8 g/cm，通過改變鉆井液排量的大小，分析脈沖工具使用前后對環空內巖屑質量的影響。如圖10所示，在不同的排量下，脈沖工具的使用也能達到好的效果，可見巖屑清理工具能提高井眼清潔效率。

圖10 不同排量下巖屑質量對比

5 結論

通過環空巖屑運移機制和兩相流理論的研究，設計出一種脈沖射流式巖屑床清理工具。脈沖工具通過射流破壞沉積在底部的巖屑床，使巖屑由環空內的低速區更易進入高速區，可提高巖屑運移的效率。通過Fluent對脈沖工具噴嘴角度和射流速度的研究，得出在鉆桿轉速為80 r/min時，最佳的噴嘴角度為90°。而當射流速度逐漸增大時，環空內巖屑質量趨于穩定。此外，對比分析了脈沖工具使用前后在不同鉆井液排量、巖屑粒徑下的巖屑運移能力，得出巖屑床破壞工具可極大提高巖屑運移效率并預防鉆井時由于巖屑堆積造成的卡鉆事故。