巖屑床清除工具攜巖效率仿真分析

陳森強，王新東，蘇 濤，謝正森，武 智，朱玉鋒， 李 浪

(中國石油西部鉆探工程有限公司 工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

在水平井鉆井過程中，容易形成巖屑床。特別是在停泵期間，鉆井液停止循環，加速了巖屑在井眼低邊沉積，增加了摩阻，甚至導致卡鉆事故。為了清除巖屑床，鉆井現場普遍采用4種方法清潔井眼，即，提高鉆井液返速、改善鉆井液流變性能、短程起下鉆具和使用帶有普通切削裝置的井眼清潔工具。提高鉆井液返速的主要方式是提高鉆井液的排量。但是，隨著鉆井液排量的增加，會導致松軟地層垮塌或掉塊，增加井下作業風險。改善鉆井液流變性能，前提是調整鉆井液的配方，或者研發新的配方，這種方法對改善鉆井液攜巖和懸浮能力是有限的。另外，通過定期、定時、定井段的短程起下鉆具、倒劃眼等措施清除巖屑床，雖然有一定的效果，但影響正常的作業周期，增加了鉆井成本。使用帶有普通切削裝置的井眼清潔工具，利用邊鉆、邊旋轉的辦法，能夠有效地攪動巖屑床，改變流場，但破壞巖屑床和攜巖效果不明顯。

非線性螺旋型巖屑床清除工具的外筒設計有非線性螺旋攜巖槽，槽道設計的正負角，巧妙地通過壓力梯度形成渦流，將巖屑吸入槽道并向上推舉，可將井底巖屑有效地傳輸到井口，大幅提高巖屑返排量，高效清除巖屑床，明顯減少鉆頭的托壓現象。通過對該工具進行動力學仿真分析，計算出工具的攜巖運移分布和巖屑的滯留量等。通過對巖屑床清除工具的攜巖效率進行量化分析，并與其它巖屑床清除工具進行效果對比，證明非線性螺旋型巖屑床清除工具具有顯著的攜巖效果，大幅降低井下復雜，并提高鉆井效率。

1 非線性螺旋型巖屑床清除工具簡介

1.1 結構

以?127 mm非線性螺旋型巖屑床清除工具為例，如圖1所示，單根巖屑床清除工具由本體、上接頭、非線性螺旋槽、下接頭組成，整個工具不存在活動部件。該工具通過上、下接頭螺紋與其他鉆具連接。螺旋槽為巖屑床清除工具的核心結構，可實現對巖屑床的有效清除。每組螺旋槽分為扶正支撐區與流動清洗區，扶正支撐區螺旋槽流道的螺旋角大于流動清洗區的螺旋角。

圖1 ?127 mm 非線性螺旋型巖屑床清除工具結構示意

1.2 工作原理

非線性螺旋型巖屑床清除工具與造斜段和水平段鉆桿連接，使其隨著鉆桿一起旋轉。因為螺旋槽的特殊幾何結構，以及機械旋轉，巖屑床清除工具會對巖屑床施加水力擾動與機械破壞的雙重作用，實現對井眼中沉積巖屑的清潔，可以有效清除巖屑床，并抑制巖屑床的生成。其主要工作原理體現在4個方面：

1) 工具正常工作時，其旋轉引發環空中鉆井液形成紊流，使得已沉積的巖屑床重新懸浮。

2) 螺旋槽外徑大于工具本體外徑，使得螺旋槽處環空截面積小于工具本體處的環空截面積，鉆井液流經螺旋槽處環空時速度迅速增加，對巖屑床上層顆粒實現沖刷，并對整體巖屑床朝出口方向施加軸向推動力，由此帶動懸浮的巖屑顆粒快速通過此處環空。

3) 巖屑床清除工具正常工作時，鉆桿的旋轉直接帶動螺旋槽轉動。由于螺旋槽的特定曲線與凹槽結構，螺旋槽周圍的鉆井液流動方向將發生改變，同時鉆井液會在螺旋槽中產生旋流，使鉆井液的壓力得到進一步提高，提高其流速。

4) 單根工具上布置有3組螺旋槽，每組均為多線螺旋槽結構，可增加對巖屑床的連續性破壞效應。

2 液固耦合的攜巖流場仿真分析模型

2.1 結構模型建立

非線性螺旋型巖屑床清除工具最主要的特征之一就是螺旋槽結構，它可以改變環空流場的流動特性，對沉積在井底的巖屑產生有力地沖刷，合理的槽道結構設計可以在一定程度上把巖屑導向井眼上方。單根巖屑床清除工具一般設計3組螺旋槽，每組螺旋槽將對附近巖屑床產生相同的攜巖效果，所以僅對其中1組螺旋槽的攜巖流場進行數值模擬是合理的。以?127 mm非線性螺旋型巖屑床清除工具為分析對象，建立如圖2a所示的結構模型。為了對比分析屑床清除工具的攜巖流場與攜巖效果，建立直棱槽型(2段螺旋角均為0°)屑床清除工具的結構模型(如圖2b)，以及光桿型巖屑床清除工具的結構模型(如圖2c)。

圖2 巖屑床清除工具的結構模型

將水平井井底壁面簡化為光滑的圓柱面，分析軟件通過(布爾減)運算功能建立巖屑床清除工具攜巖流場的計算域幾何模型，如圖3所示，整體計算域幾何模型分為旋轉區域和靜止區域2個區域。在進行數值模擬計算時，2個區域之間會通過數據交換面傳遞計算信息。

圖3 巖屑床清除工具攜巖流場計算域幾何模型

2.2 攜巖流場計算域的耦合模型與網格劃分

液固耦合計算的效率和精確性主要取決于整體計算區域的模型準確建立和網格劃分。巖屑床清除工具攜巖流場計算域的模型建立如圖4所示，其中井壁面部分網格進行了隱藏處理。為了獲取更為準確的數值模擬計算結果，以非線性螺旋型巖屑床清除工具為例，對網格進行二次細化與綜合修正后，最終獲取的體網格數量為791 315，面網格數量為3 839 536，網格節點數為3 149 671。此時，對應的基礎網格尺寸為5 mm，為DEM顆粒直徑的1.25倍，該模型的建立滿足耦合計算的要求。

圖4 巖屑床清除工具攜巖流場計算域的網格劃分

2.3 仿真計算的邊界條件

通過對巖屑的形成進行力學分析，并與常規力學實驗參數進行對比研究，假設巖屑的力學性能會因為外界的破壞作用而有所降低，依據工程經驗和常規泥巖或頁巖的力學性能設定巖屑參數，巖屑參數如表1～2所示。

表1 巖屑屬性參數

表2 巖屑接觸力學參數

考慮到井深與泵壓的雙重作用，模擬井底絕對壓力為60 MPa，模擬過程中的鉆井液密度為1 700 kg/m3，動力黏度為0.05 Pa·s。鉆井液排量為30 L/s，換算獲得進口處鉆井液流速為1.2 m/s。工具轉速為60 r/min，并假定機械鉆速為10 m/h，獲取的巖屑從進口處流入計算域的體積流率為1.016×10-4m3/s。采用剛體轉動模型模擬巖屑床清除工具的旋轉。仿真計算的流體邊界條件為速度進口，壓力出口，工具壁面為運動無滑移邊界，井壁面為固定無滑移邊界，鉆井液、巖屑、壁面之間均無熱傳遞、無穿透。重力方向垂直于工具軸向向下，重力加速度取值9.81 m/s2。

2.4 數值模擬參數設置

使用液固耦合技術實現巖屑床清除工具攜巖流場的數值模擬離不開計算求解器的合理設置。結合Rayleigh時間步準則，DEM求解器的時間步與計算域中顆粒的物理屬性有關，巖屑床清除工具攜巖流場數值模擬流程如圖5所示。

圖5 巖屑床清除工具攜巖流場數值模擬流程

為模擬出較為準確的值，將巖屑顆粒在整個計算域中均勻生成，并設定1 m/s的初始速度促使巖屑沿重力方向快速運移。在0.5～3.0 s使計算域中的巖屑沉降至井底壁面，形成固定巖屑床，如圖6所示。為保證耦合計算的穩定性，在3.0～3.1 s對鉆井液單相流進行一次瞬態求解，監測相關物理量并達到收斂以保證液固耦合計算前已經擁有完全求解CFD控制方程的穩定連續相環境。從3.1 s開始，可同時打開CFD與DEM求解器將巖屑與鉆井液以指定方式同時從進口處排入計算域，實現井底鉆井液與巖屑的雙向耦合計算，從而模擬巖屑床清除工具的正常工作狀態。在工具以10 m/s鉆進地層的同時，實現對固定巖屑床的清除和對巖屑顆粒的運移，通過模擬計算鉆井液在單相流時對其進、出口總的質量進行動態監測，通過對鉆井液單相流進行一次瞬態求解，可求得鉆井液進、出口總質量的最大值。

圖6 巖屑床數值模擬圖(巖屑沉降至井底壁面)

3 三種巖屑床清除工具攜巖流場對比分析

以非線性螺旋型、直棱型、光桿型3種巖屑床清除工具作為研究對象，在各項數值模擬參數一致的情況下，分析對比3種工具攜巖流場的數值模擬結果。

3.1 初始流場的流線對比(3.1 s時刻)

圖7為鉆井液在進行單相流計算后，3.1 s時刻的初始流場流線的對比情況。觀察發現，3種工具的攜巖初始流場流線均出現了不同程度的旋流。旋流出現的原因在于：已存在計算域中的固定巖屑床占據了井筒環空中鉆井液的流動區域，阻礙了井筒底部鉆井液的流動，促使大量鉆井液向井筒頂部流竄，形成旋流。

圖7 初始流場(3.1 s時刻)的流線對比

由于3種工具結構形狀的不同，鉆井液的流動區域并不相同，將導致旋流出現的區域有所不同。對比旋流區域的位置可知，非線性螺旋型工具的旋流更加靠近工具的功能核心區(螺旋槽處)，這將更易于激發螺旋槽附近處的巖屑發生二次懸浮，增強工具對巖屑床的清除作用。同時，各旋流處的鉆井液流速更高，擾動巖屑床的上層顆粒，有利于其二次懸浮。

3.2 巖屑床清除后流場的流線對比

通過對3種工具的攜巖流場進行液固耦合計算分析對比，如圖8為4.5 s時刻，巖屑床被完全清除后的流場中流線的對比，鉆井液的流動變得更為順暢，因巖屑滯留量的減少，且巖屑基本處于懸浮狀態(圖中的懸浮巖屑被隱藏)，使得鉆井液的流動區域變得更大，鉆井液的旋流現象急劇減少。同時，因為鉆桿鉆速較低，鉆井液的軸向流速高于切向流速，所以旋流現象并不明顯。對于懸浮的巖屑顆粒而言，無旋流的存在則對其運移更為有利。

圖8 巖屑床清除后流場(4.5 s時刻)的流線對比

綜合以上的流線現象，筆者認為巖屑床的存在對鉆井液的流動有著較大影響，容易引發鉆井液旋流的產生。若結合非線性螺旋型的結構設計，使得旋流出現在核心功能區，這對固定巖屑床中巖屑顆粒的二次懸浮實則有利，從而有利于破壞巖屑床，當巖屑床被完成清除后，巖屑均處于懸浮狀態，此時鉆井液將處于更為穩定的流動狀態，可引導懸浮巖屑顆粒更為快速地離開井底。因此，從流線對比分析來看，非線性螺旋型結構的巖屑床清除工具對固定巖屑床以及懸浮巖屑的運移均具有“正向激勵”作用。

4 巖屑體積分數對比分析

4.1 屑床清除工具4個截面處的巖屑分布

如圖9所示，非線性螺旋型與光桿型屑床清除工具的固定巖屑床基本被清除，懸浮巖屑顆粒較少，總體的巖屑體積分數較低，而直棱型還有大量懸浮的巖屑未被清除，該部分懸浮的巖屑顆粒受工具的旋轉作用而主要集中在截面右上角區域。為了更全面對比不同工具對巖屑床的攜巖作用和效果，將工具分成4個截面，截面1在工具螺旋的下端，截面2在第2段螺旋槽，截面3在第1段螺旋槽，截面4在螺旋上端，截面位置如圖9所示。對比4個截面上的巖屑體積分數，非線性螺旋型屑床清除工具對應的各截面上的平均巖屑體積分數明顯低于其他2種類型，說明非線性螺旋型屑床清除工具已經清除了大量的巖屑，螺旋槽凹陷處展現出更大巖屑體積分數(圖9a，截面2)，說明螺旋槽對巖屑顆粒起到了“挖掘”效應，利于巖屑顆粒的懸浮與提升。

圖9 在3.5 s時不同類型工具的4個截面上的巖屑體積分數

4.2 巖屑滯留量對比

為了量化巖屑床清除工具的攜巖效應，引入巖屑滯留量進行對比分析。巖屑滯留量是指任意時刻整個計算流體域中剩余巖屑的總數量。在一定時間內，巖屑滯留量越少，說明巖屑可以越快離開水平井井底，巖屑床可以被快速清除，巖屑床清除工具將表現出較優的攜巖性能。

圖10為3種不同類型巖屑床清除工具的巖屑滯留量對比，非線性螺旋型巖屑床清除工具的巖屑滯留量的減少速率大于其它兩種工具。由此說明，非線性螺旋型巖屑床清除工具展現出更好的攜巖性能，由其產生的攜巖流場更加利于對固定巖屑床的破壞和清除。

圖10 3種類型工具的巖屑滯留量

為更加精確地描述巖屑床清除工具的提升效果，引入巖屑清除提升率的概念。巖屑清除提升率是指任意時刻非線性螺旋型工具當然巖屑滯留量絕對差值比另一種類型的巖屑滯留量，可以反映出在使用非線性螺旋型巖屑床清除工具后對井底巖屑床破壞的提升效率。通過計算和對比分析得出，在相同工況下，非線性螺旋型比光桿型的巖屑清除效率提高約20%～30%，非線性螺旋型比直棱型的巖屑清除效率提高約30%～40%。

5 結論

1) 基于液固耦合的數值模擬方法，模擬了巖屑床清除工具的攜巖過程。

2) 從流線對比分析來看，非線性螺旋型結構的巖屑床清除工具對固定巖屑床以及懸浮巖屑的運移均具有“正向激勵”作用。

3) 相比于直棱型與光桿型的巖屑床清除工具，非線性螺旋型的巖屑床清除工具具有更好的攜巖性能。在相同工況下，非線性螺旋型工具比光桿型工具的巖屑清除效率提高約20%～30%，非線性螺旋型工具比直棱型工具的巖屑清除效率提高約30%～40%。

4) 非線性螺旋型巖屑床清除工具的攜巖機理在于水力與機械的雙重作用，可激發固定巖屑床產生二次懸浮，使懸浮后巖屑顆粒同時具有流向出口的軸向速度和沖擊巖屑床的切向速度，促進了整體巖屑床的清除和巖屑的運移。