基于環空流場特性的變徑穩定器參數優化研究

2023-12-20 00:20:12湯歷平周翔宇李金和黃崇君周廣靜

石油機械 2023年12期

湯歷平周翔宇李金和黃崇君周廣靜

(1.西南石油大學機電工程學院 2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 3. 中國石油集團西部鉆探工程有限公司管具與井控技術服務分公司)

0 引言

近年來，我國原油和天然氣對外依存度處于居高不下的水平，由此制約著國民經濟發展和國家安全，我國油氣開發進度的加快必要且緊迫[1]。隨著油氣資源的持續開發，淺層常規油田開采難度日益增大，深層或邊際油藏等非常規油氣資源成為勘探開發的重點[2-3]。然而，非常規油氣資源受地質和賦存條件的影響，鉆采難度普遍較高[4]。定向井、水平井及大位移井技術的成功應用，對提高非常規油氣資源的儲層鉆遇率和鉆井效率具有重要促進作用[5-6]。

在常規定向井鉆進過程中，常使用固定直徑的穩定器來控制井眼軌跡，以形成鐘擺或滿眼等鉆具組合來實現井眼軌跡的增斜、穩斜和降斜[7]。然而，固定直徑的穩定器存在著諸多不足，比如：易出現鉆遇阻卡，起鉆時易出現較大的抽汲壓力導致井控風險增大，須起出全部鉆柱才可變化鉆具組合等現象。

為了克服上述問題，Halliburton等公司研發出井下變徑穩定器，并應用于鉆井作業之中[8]。可通過地面操作實現對變徑穩定器中穩定器扶正塊伸出與收縮的控制，進而避免出現鉆柱起出時的“拔活塞”現象。同時，井下變徑操作還可減少起下鉆次數，從而大幅節約生產時間并提高鉆井效率[9]。國外如Baker Hughes、Halliburton和NOV等油服公司已擁有成熟的變徑穩定器技術，并在鉆井作業中獲得了良好的效益[10-11]。

近年來，國內也有眾多關于變徑穩定器的研究，所研究的變徑穩定器控制形式包括鉆壓控制、投球控制、排量控制、開停泵控制等[12-17]。目前，應用較廣的為開停泵控制形式，即每次開泵均可實現一次狀態的變化，每次停泵時變徑穩定器的徑向活塞則收縮，對應不同的伸縮狀態可通過鉆井液壓力信號進行判斷[18]。

大量學者研究了變徑穩定器對鉆進的影響。例如：劉少胡等[19]從結構與工作原理、關鍵零件強度、流體流場特性等方面，分析了變徑穩定器的工作機理。王光磊等[20]分析了帶變徑穩定器的下部鉆具組合的導向特性。TANG L.P.等[21]介紹了新型變徑穩定器的結構與工作原理，在此基礎上對結構強度的流體特性進行分析。然而，鮮見關于變徑穩定器結構優化方面的研究。

變徑穩定器外壁上的螺旋棱對鉆井液可以起到限流和導流作用，使其通過穩定器后產生周向速度，形成旋流[22-23]。尤其在水平井、大位移井和大斜度井中，設置螺旋穩定器可以減少巖屑的堆積，避免形成巖屑床[24-25]。變徑穩定器的結構參數直接影響環空流體的流動(如速度和壓力分布等)，而現有關于變徑穩定器結構參數方面的研究較少。基于這一背景，筆者對變徑穩定器環空中的流場進行數值模擬，對其不同結構參數進行優化并開展流體參數對流動特性影響的研究。

1 變徑穩定器外流場數值模擬

1.1 控制方程

計算模型選擇Realizablek-ε湍流模型，其相關方程如下。

連續方程和動量方程[26]：

(1)

(2)

湍動能k和湍動耗散率ε的輸運方程為：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(3)

(4)

其中：

(5)

式中：k為湍動能，m2/s2；ε為湍動耗散率，m2/s3；C1ε、C2、C3ε為經驗常數，取值分別為1.44、1.92、0.09；C1為計算系數；η為應變率；S為平均應變速率張量的模量，s-1；Sij為平均應變速率張量，s-1；σk、σε為湍動能和耗散率對應的普朗特數，σk=1，σε=1.3；υ為流體的運動黏度，m2/s；Sk為用戶定義湍動能源項，Pa/s；μt為湍流渦黏系數，kg/(m·s)；YM為可壓湍流中的脈動擴張項，Pa/s；Gk為速度梯度引起的應力源項，Pa/s；Gb為浮力引起的湍動能的產生項，Pa/s；Sε為用戶定義耗散率源項，Pa/s2。

1.2 數值模型與網格劃分

根據現場應用的變徑穩定器的結構與工作原理，建立變徑穩定器(見圖1)的三維模型(見圖1a)，圖1b所示尺寸適用于?215.9 mm(8.5 in)井眼地層的鉆進。

圖1 變徑穩定器結構Fig.1 Structure of the variable-diameter stabilizer

在模型中，螺旋棱的數量為3條，每條螺旋棱上均設有5個垂直于變徑穩定器軸線的徑向活塞。根據變徑穩定器的不同變徑狀態，徑向活塞伸出的程度不同。當徑向活塞處于收縮狀態時，徑向活塞的外端面與穩定器螺旋帶的外表面平齊，穩定器最大外徑為200.0 mm；當徑向活塞處于伸出狀態時，穩定器最大外徑為215.9 mm。

變徑穩定器環空流場模型的網格劃分如圖2所示。由于變徑穩定器模型的幾何結構較復雜，計算流體模型采用非結構化四面體網格法進行網格劃分。在速度和壓力變化較大的區域，如螺旋棱和徑向活塞周圍，采用局部網格細化和加密。進一步將四面體網格優化為多面體網格，可以減少網格數量，節省計算時間，提高計算精度。

圖2 變徑穩定器環空流場模型網格劃分及網格剖面圖Fig.2 Mesh division and mesh profile of the annular flow field model for the variable-diameter stabilizer

1.3 網格無關性驗證

為減少不同單元數對計算流體模型數值結果的影響，需進行網格無關性驗證。網格獨立性分析結果如圖3所示。劃分網格數為147×104、214×104、341×104、453×104和680×104共5組網格。采用旋流長度進行判斷，即鉆井液經過變徑穩定器后，在螺旋棱的作用下獲得了切向速度，當切向速度衰減為0時，鉆井液流經的距離即為旋流長度。

圖3 網格數量與旋流長度的關系Fig.3 Relationship between the number of grids and the swirl flow length

當網格單元數超過341×104時，旋流長度基本保持不變。因此，在以下研究中選擇341×104個單元的網格布局。

1.4 計算方法和邊界條件

數值模擬過程基于ANSYS Fluent，采用分離隱式求解器，壓力與速度耦合采用Coupled算法，動量、湍流動能和耗散率求解采用Second Order Upwimd格式，近壁面附近流場采用Enhanced Wall Treaatment求解，收斂準則為殘差小于10-5或迭代次數達到6 000次。

環空內流體的流動區域可分為：穩定器入口段、穩定器段和穩定器出口段。入口段為0.20 m，穩定器段為0.64 m，出口段為12.00 m，井眼直徑為215.9 mm。入口為速度入口邊界，出口為壓力出口邊界，其余為壁面邊界條件。流體密度為1 200 kg/m3，黏度為0.1 Pa·s。

2 結構參數及流體參數敏感性分析

影響變徑穩定器旋流長度的主要結構參數包括螺旋棱螺旋升角﹑螺旋棱截面和螺旋棱形狀以及徑向活塞的伸出狀態。通過數值模擬研究對各參數進行優化設計。

2.1 不同變徑狀態下的流動特性

圖4為徑向活塞收縮和伸出這2種狀態下的壓力云圖。由圖4可以看出，當徑向活塞為收縮狀態時，鉆井液流經穩定器段的壓降為1.19×104Pa，當徑向活塞為伸出狀態時壓降為2.52×104Pa。即當徑向活塞伸出時，鉆井液經過穩定器后壓力明顯降低。

圖4 徑向活塞不同狀態下的壓力云圖Fig.4 Pressure nephograms of radial piston in different states

圖5和圖 6為徑向活塞在2種狀態下，與穩定器入口距離為0.1、0.3和0.5 m所在橫截面的速度云圖。由圖5和圖6可知：徑向活塞為收縮狀態時，鉆井液速度在螺旋棱的流入側發生突變，并沿著螺旋棱軸向方向不斷減小；在流出側其速度不斷增大，在螺旋槽中靠近流出側壁面的附近形成軸向渦流，并且隨著速度的增加向下一個螺旋棱的入口側靠近。徑向活塞為伸出狀態時，鉆井液在每個徑向活塞兩側速度發生突變，加劇了螺旋棱兩側的軸向渦流，并在其后側均會形成徑向渦流。

圖5 徑向活塞收縮狀態下不同截面上的速度云圖Fig.5 Velocity nephograms on different sections of the radial piston in contracted state

圖6 徑向活塞伸出狀態下不同截面上的速度云圖Fig.6 Velocity nephograms on different sections of the radial piston in extended state

在穩定器出口截面的徑向方向上分別提取了軸向速度和徑向速度，如圖7所示。由圖7可知：徑向活塞為伸出狀態時，鉆井液擁有更大的軸向和徑向速度，并且最大的軸向速度在靠近井壁的一側；處于收縮狀態時，其軸向和徑向速度出現明顯降低。由此可見，徑向活塞的不同狀態對環空的速度和壓力都有很大的影響。但與普通鉆桿相比，不論徑向活塞處于何種狀態，對于沉積井底環空中的巖屑都可以形成有效的擾動，在一定范圍內可以起到清除巖屑的作用。

圖7 徑向活塞不同狀態下出口處鉆井液速度分布規律Fig.7 Radial distribution of drilling fluid velocity at the outlet under different states of the radial piston

徑向活塞的不同狀態對旋流流場衰減同樣有很大的影響，不同伸出狀態對旋流長度和切向速度的影響情況如圖8所示。由圖8可知，隨著徑向活塞的伸出，最大切向速度和旋流長度都在增大。

圖8 不同狀態下軸向距離與切向速度的關系Fig.8 Relationship between axial distance andtangential velocity under different conditions

圖9為徑向活塞在不同狀態下穩定器段的流線圖。從圖9可見：當徑向活塞未伸出時，流體為較穩定的螺旋流；當其伸出后，徑向活塞的后側開始出現渦流，并且在最后一個的后側形成較長的尾流，加劇了鉆井液湍動程度。在鉆井作業中，通過開停泵來控制徑向活塞的回縮與伸出，當其處于伸出狀態時，變徑穩定器起到穩斜和降斜的作用，并且能夠使鉆井液在通過穩定器后形成流態好的旋流流場。

圖9 徑向活塞不同狀態下流線圖Fig.9 Streamline diagrams under different states of the radial piston

2.2 結構參數

2.2.1 螺旋棱螺旋升角

圖10為不同螺旋升角下，變徑穩定器出口處起始的軸向距離與切向速度的關系曲線。從圖10可以看出，螺旋升角在30°～50°范圍內時，最大切向速度不斷增加，與50°相比，在55°時只增加了0.03 m/s，而在60°時切向速度出現了衰減。切向速度越大，鉆井液對井壁的交替沖洗作用就越強，泥餅就越容易從井壁上脫落下來[13]，所以螺旋升角為55°時的旋流衰減曲線優于50°時的旋流衰減。旋流長度(切向速度衰減至0時的軸向距離)與螺旋升角呈正相關，但主要分布在8.9～9.1 m的范圍內，變化并不明顯。

圖10 不同螺旋升角下軸向距離與切向速度的關系Fig.10 Relationship between axial distance andtangential velocity under different spiral lift angles

圖11為在螺旋升角40°時，鉆井液經過穩定器螺旋棱對穩定器壁面產生的剪切應力云圖。從圖11可見：在x和y方向，雖然最大剪切應力出現在徑向活塞的壁面上，但螺旋棱側面所受到的平均剪切應力較大；在z方向，徑向活塞的壁面上最大和平均剪切應力均大于螺旋棱側面。圖12為不同螺旋升角下，變徑穩定器壁面所受的最大剪切應力和平均剪切應力。從圖12可以很明顯看出兩者近似為線性增長。結合圖10可以發現：在一定范圍內，螺旋升角的增大有利于其發揮導流作用，提高切向速度，同時也會使穩定器壁面所受剪切應力增大。但螺旋升角過大時，鉆井液經過穩定器便會受到很大的阻力，速度損失嚴重使切向速度減小；而當螺旋升角較小時，穩定器所起的旋流作用較弱，鉆井液切向速度衰減很快，抗干擾能力較弱。根據模擬結果螺旋升角推薦在55°左右選取，此時能充分發揮其導流作用。

圖11 鉆井液對變徑穩定器壁面的剪切應力云圖Fig.11 Shear stress nephograms of drilling fluid on the wall surface of the variable-diameter stabilizer

圖12 不同螺旋升角下最大剪切應力和平均剪切應力Fig.12 Maximum shear stress and average shear stress under different spiral lift angles

2.2.2 螺旋棱截面所對圓心角

螺旋棱截面為扇形，其圓心角不同，對應的面積也就不同。因此對不同橫截面面積的螺旋棱進行研究，即改變其對應的圓心角。

圖13為不同圓心角下，出口處起始的軸向距離與切向速度的關系曲線。在其他條件不變的情況下，切向速度和旋流長度基本沒有變化。

圖13 不同圓心角下軸向距離與切向速度的關系Fig.13 Relationship between axial distance andtangential velocity under different central angles

常規穩定器或扶正器在使用過程中其螺旋棱與套管或井壁壁面直接接觸，鉆井液通道只有其側面的螺旋槽，螺旋棱的進出兩面都會對旋流流場產生影響。在穩定器的入口，由于過流面積的突然減小，鉆井液會在此形成駐點，增大了流動阻力；在出口處，于螺旋棱的后方形成渦流，干擾旋流流場衰減。然而變徑穩定器中與壁面接觸的為徑向活塞，這就使螺旋棱與壁面之間產生了間隙。螺旋棱面積變大，鉆井液依然可以從穩定器與井壁之間的環狀間隙通過。以所對圓心角50°為基準，在70°時其扇形面積減小了12.66%；若螺旋棱與壁面接觸，70°時其面積則減小了28.57%。因此，不同螺旋棱截面面積對變徑穩定器的旋流長度和旋流衰減影響并不大。

2.2.3 螺旋棱側面傾角

與改變螺旋棱所對圓心角相比，改變其側面傾角，使其截面成為類似梯形的形狀，同樣可以研究不同截面面積對其流場特性的影響。不同螺旋棱側面傾角對旋流長度和切向速度的影響情況如圖14所示。從圖14可見，在15°時其旋流長度和旋流衰減明顯優于其他角度。

圖14 不同側面傾角下軸向距離與切向速度的關系Fig.14 Relationship between axial distance andtangential velocity under different side inclination angles

在此基礎上分別對5°、10°和20°的側面傾角進行模擬，其旋流長度如圖15所示。從圖15可見，在10°時，旋流長度達到最大，隨后呈減小的趨勢。圖16為穩定器出口截面上最大湍流動能和平均湍流動能變化情況。從圖16可見，在0°～10°之間出現小幅度的增加，在15°～45°范圍內緩慢減少。這是因為在傾角較小時，當鉆井液通過較窄的螺旋棱區域突然過渡到較寬的螺旋槽區域，沿螺旋帶側面會形成軸向的渦流，使其湍流動能增大；傾角較大時，鉆井液在這兩個區域之間的過渡逐漸平緩，湍流動能也較為穩定。螺旋棱側面傾角推薦為5°～10°。

圖15 不同側面傾角下的旋流長度Fig.15 Swirl flow length under different side inclination angles

2.3 流體參數

2.3.1 鉆井液排量

圖17為不同鉆井液排量下軸向距離與切向速度的關系曲線。圖18為不同鉆井液排量下的旋流長度和穩定器進出口壓差。從圖18可知，當排量增大時，旋流長度也隨之增大，且排量與旋流長度近似線性關系。但排量增大的同時，也會導致局部流動損失增大，使變徑穩定器進出口的壓差增加。

圖17 不同排量下軸向距離與切向速度的關系Fig.17 Relationship between axial distance andtangential speed under different displacements

圖18 不同排量下旋流長度和進出口壓差Fig.18 Swirl flow length and inlet-outlet pressure difference under different displacements

鉆井液經過變徑穩定器后，在出口處產生速度增量，進而形成旋流，使其具有了切向速度。隨著鉆井液的前移，由于流動阻力的存在使切向速度不斷衰減。而鉆井液抗衰減的能力，在其他條件不變的情況下，主要依靠其自身的動能。排量越大，鉆井液的初始速度越大，具有的動能也越大，其切向速度和旋流衰減距離也會越大(見圖17)。

2.3.2 鉆井液密度

不同鉆井液密度對旋流流場的影響如圖19所示。隨著密度的增大，旋流衰減改善明顯，但旋流長度在密度為1 200～2 000 kg/m3的范圍內只增大了0.55 m，最大切向速度增大了0.27 m/s。由于鉆井液的動能不僅與速度有關，同時還與質量有關。密度增加，使單位體積的鉆井液質量增加，相同排量下便具有了更大的動能，然而其所受重力也越大。所以在較大的鉆井液密度條件下，可以改善衰減流場，但對切向速度和旋流長度影響較小。