隨鉆選擇性擴眼器錐直型水眼液力特性研究

摘要：在隨鉆擴眼技術中，擴眼器的射流效率決定了整個擴眼技術的效率，對整個擴眼技術應用極為重要。針對擴眼器和擴眼器刀翼水眼的液力特性，建立了其物理有限元模型。通過分析可知，射流可以起到清洗巖石切割和冷卻刀翼的作用，擴眼器刀翼水眼的幾何結構對射流性能有重要影響。為了優化擴眼器刀翼水眼射流性能，提出了將錐直型噴嘴應用于擴眼器刀翼水眼，對其進行了優化。該研究可為擴眼器刀翼水眼結構參數的優化設計提供理論指導，對提高側鉆完井質量、推廣側鉆改造技術具有重要意義。

關鍵詞：隨鉆擴眼;擴眼器;射流;水眼;優化

中圖分類號：TE921.2" " " " 文獻標志碼：A" " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.04.006

Study of Hydraulic Characteristics of Conical Straight Water Hole With Selective Reamer During Drilling

LIU Zihe，LI Haobo，LIU Zhihe

（Drilling Technology Research Institute of Sinopec Shengli Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Dongying 257100，China）

Abstract：" In reaming during drilling technology，the efficiency of the jet of the reamer determines the efficiency of the whole reaming technology，which is very important for the whole reaming technology. The physical finite element model of reamer and reamer blade water hole has been established. The results show that the jet can clean the rock cutting and cool the blade. The geometric structure of the reamer blade water hole has an important effect on the performance of the jet. In order to optimize the jet performance of the reamer blade water hole，a straight cone nozzle was applied to the reamer blade water hole and optimized. This study can provide theoretical guidance for the optimization design of the water hole structure parameters of the reamer blade and has important significance for improving the quality of sidetracking completion and popularizing the sidetracking transformation technology.

Key words： reaming during drilling;reamer;jet stream;water hole;optimize

隨鉆擴眼技術就是采用隨鉆擴眼工具和常規鉆頭，在全面鉆進的同時擴大裸眼段尺寸，使其大于上部套管串內徑的一種鉆井技術[1]。該技術減少了起下鉆次數，效率高，在超深井、小間隙井、側鉆井和復雜井況中得到了廣泛應用[2-4]。隨鉆擴眼工具帶動了隨鉆擴眼技術的迅速發展，該技術可提高油氣井建井質量;可實現小間隙套管程序，降低鉆井綜合成本;提高側鉆井套管尺寸和開發效果[5-6]。采用隨鉆擴眼技術可使側鉆井段井眼擴大，改善井眼狀況，提高側鉆井完井質量，這對側鉆井的應用與推廣具有深遠意義[7-10]。

國內中東部各油田普遍進入開發中后期，開窗側鉆定向井已成為復活低產井、停產井和報廢井大幅提高儲量動用程度，挖掘油氣藏潛力，提高單井產量和采收率，以及降低老油田開發成本的有效手段[10-15]。目前國內許多油氣老井急需獲得大尺寸井眼，增大裸眼與待固套管之間的間隙，進而提高固井質量。常規擴眼器常因為射流效率低導致水眼堵塞，巖屑清洗不干凈，導致擴眼效率低。通過開展隨鉆擴眼器液力特性研究，可為隨鉆選擇性擴眼技術提供技術支撐，指導隨鉆選擇性擴眼器的優化設計，提高擴眼工具的使用壽命。

1 隨鉆選擇性擴眼器模型

1.1 物理模型

據隨鉆選擇性擴眼工具設計尺寸，僅考慮工具內腔流道，利用SolidWorks建立工具全尺寸流體計算模型，如圖1所示。

1.2 擴眼器激活狀態流場計算模型

為了改進水眼結構，提出將錐直型噴嘴應用于擴眼器刀翼水眼中，將其與擴眼器原設計水眼的射流性能對比，圖2為這兩種水眼類型的剖視圖。

為簡化計算，將井底鉆頭等效為單噴嘴，噴嘴的圓柱段直徑與鉆頭噴嘴的當量直徑相等，取為20 mm。圖3為擴眼器激活狀態的物理模型和對應的邊界條件。圖4為擴眼器激活狀態下計算模型的剖視圖。為減小計算量，選取擴眼器流道模型的三分之一對稱模型為計算域，采用多面體對計算域劃分網格，局部網格如圖5所示。

1.3 湍流模型的選擇

目前湍流模型有很多，但不同模型均有一定的局限性和適用條件。通過對比常用的的k-ε及k-ω模型和多次試算發現，SST k-ω模型在近壁區比k-ε模型有更好的精度和算法穩定性，對分離流的模擬有較高的精度。SST k-ω模型是標準k-ω模型的一種變形，以便其在廣泛的領域中可以優于k-ε模型，并且在近壁剪切流中有廣泛的應用范圍和精度。k-ε模型對近壁粘性影響區域處采用壁面函數處理，然而不當的壁面網格加密會引起數值結果的惡化，而SST k-ω模型整合了k-ε和k-ω模型的優點，粘性底層采用標準k-ω模型計算，而高雷諾數的湍流核心區采用k-ε模型計算，使其計算精度受壁面網格尺寸影響小。

SST k-ω模型在預測近壁區繞流和旋流方面有優勢，適用于存在逆壓梯度情況的邊界層流動、分離和轉捩。因此SST k-ω模型可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的墻壁束縛流動，適用于具有非光滑溝槽面的管流。

數值模擬中選用SST k-ω模型，其基本控制方程組為：

式中：i、 j分別為坐標方向和速度分量方向，i=1，2，3，j=1，2，3;ui、uj是不同坐標方向上的速度，m/s;ρ為水的密度，kg/m3;μ為動力粘度，mPa·s;-ρ[ui′uj′] 為雷諾應力;Gk是由層流速度梯度而產生的湍流動能;Gω由ω方程產生;Γk、Γω分別代表k和ω的有效擴散項;Yk和Yω分別代表k和ω由于擴散產生的湍流，Dω代表正交發散項，Sk、Sω是用戶定義項。

1.4 相關參數設置

為了準確對比出流體參數對水嘴流場的影響，排除其他因素對模擬結果的影響，不同參數的計算均采用相同的參數條件，具體設置為：

1） 入口設為速度入口，出口設為壓力出口，壁面設為無滑移固壁壁面，出入口的初始湍流強度可以由經驗公式（6）進行求解：

" " " "I = 0.16 （Re）-1/8 （6）

2） 流體介質為不可壓穩定流。

3） 求解方法采用分離求解方法中的SMIPLEC算法，壓力采用標準格式，動量、湍流耗散率、湍流動能等方程均采用二階離散格式。

4） 連續性殘差設為1×10-5，其他為1×10-6。

2 擴眼器激活狀態流場分析

在流量Q=35 L/s，刀翼水眼為錐直型噴嘴，水眼直徑為6 mm，水眼軸線與工具軸線夾角為60 °，流體介質為純水的條件下，分析擴眼器激活狀態時內腔及環空流場特性。

2.1 壓力分布

圖6為擴眼器刀翼水眼位置的流場靜壓云圖，可以看出，流體流經刀翼水眼時靜壓突降，且射流沖擊井壁位置存在局部高壓。

2.2 速度分布

圖7為擴眼器水眼位置的軸向截面和刀翼位置的周向截面速度云圖，從圖7中可以發現流體流過刀翼水眼后流體速度經快速加速并沖擊到井壁上。同時，最大流動速度主要集中在前后刀翼的中間部分，以及兩個刀翼的中間部分。通過前后刀翼中間部分的流體可以對后刀翼起到沖洗降溫的作用。因此，可對水眼結構進行優化，盡可能增大刀翼中間的最大流速，提高擴眼器的沖洗效率。

2.3 流線分布

圖8為擴眼器刀翼水眼位置的流線圖，可以看出射流撞擊井壁后沿井壁散射成多股射流，只有少量流體是通過前后刀翼的中間部分，大部分流體是從兩個刀翼的中間部分流過。可見水眼射流對擴眼器的后刀翼清洗效果較好，但對前刀翼清洗效果一般。

3 水眼結構對沖洗效率影響規律

擴眼器刀翼水眼的射流性能對擴眼工作時巖屑的沖洗起著至關重要的作用，同時刀翼水眼直徑直接影響流量分配情況，從而影響井底和擴眼段巖屑的清洗效率。因此，從流量分配比、刀翼水眼射流速度和刀翼中間流場特性的角度，分析刀翼水眼結構對鉆井液沖洗效率的影響規律，為擴眼工具水眼結構的優化提供理論依據。

3.1 水眼類型

數值模擬中流體介質為純水，保持鉆頭水眼當量直徑20 mm、水眼直徑為6 mm、水眼軸線與工具軸線夾角為60°不變，只改變水眼類型，得到不同類型的水眼壓耗隨流量的變化規律。通過圖9～12對比兩種水眼類型的流場特性可知，在相同流量條件下，錐直型水眼的鉆頭流量占比低、流速增長更快，刀翼水眼的射流速度更大，對巖屑的沖擊力更大，對應的清洗效率更好。新提出的錐直型水眼在壓耗和清洗效率方面均優于原設計水眼，因此將對錐直型刀翼水眼結構的流場特性展開研究。

3.2 水眼直徑

以錐直型水眼為研究對象，流體介質為純水，保持鉆頭水眼當量直徑為20 mm、水眼軸線與工具軸線夾角為60°不變，只改變刀翼水眼的直徑大小，得到不同水眼直徑對錐直型刀翼流場特性的影響規律。

圖13給出了不同流速下水眼直徑對水眼壓耗的影響規律圖，可以看出水眼壓耗與水眼直徑呈反比例關系，水眼直徑越小，所消耗的壓力越大，這一規律與噴嘴壓降計算公式一致。

圖14～15分別給出了不同流速下水眼直徑對刀翼中間的流量和最大流速的影響規律圖，可以看出，流量和最大流量受水眼直徑影響不大，隨著水眼直徑的增大，刀翼中間的流量和最大流速均呈緩慢增大的趨勢。這是因為水眼直徑越大，水眼獲得的流量配比越大，從而有更多的流體流經刀翼中間部分。

通過以上分析可知，減小水眼直徑的大小可以提高水眼射流的流速，但會降低水眼的流量分配比，因此后期還需結合室內試驗來確定合適的水眼尺寸，以確保擴眼器獲得更高的清洗效率。

3.3 水眼角度

以錐直型水眼為研究對象，流體介質設為純水，保持鉆頭水眼當量直徑為20 mm、擴眼器水眼直徑為7 mm不變，只改變水眼角度，得到刀翼水眼角度對工具水嘴和水眼的壓耗影響規律，如圖16所示，兩者均隨著水眼角度的增大而緩慢減小。這是因為水眼角度越大，噴嘴的圓柱段長度越小，從而使水眼壓耗減小。

圖17為水眼角度對刀翼中間流量和最大流速的影響規律圖，可以看出，水眼角度對刀翼中間的流量和最大流速影響顯著，均隨著水眼角度的增大而減小?？梢?，通過減小水眼角度，可以改變刀翼水眼的流場特性，使更多的鉆井液流過刀翼中間部分，從而提高對后刀翼的沖洗效率。

4 錐直型水眼幾何參數優選

錐直型水眼幾何參數優選選用正交表來安排試驗，用極差分析法來作為分析方法，可確定各因素對試驗指標的影響程度（如表1）。確定對噴嘴射流流場特性有影響作用的4個試驗因素：噴嘴收縮角θ，收縮段長度L1，圓柱段長度L2，圓柱段直徑D。

表1給出了詳細幾何參數設置和正交分析結果。影響噴嘴壓耗的因素主次順序為：D、θ、L1、L2;影響噴嘴射流最大靜壓值的因素主次順序為：D、L2、θ、L1。取不同評價指標得到的最優噴嘴幾何參數不同，得到的兩組最優幾何參數可作為后期試驗的理論依據。

5 結論及建議

1） 通過對隨鉆選擇性擴眼器的數值模擬研究，利用SST k-ω湍流模型計算了隨鉆選擇性擴眼工具的內外流場特性，分析了不同狀態下擴眼工具的內部流場特性，得到了流量和刀翼水眼結構參數對擴眼器流場特性和清洗效果的規律。

2） 從流量分配比、刀翼水眼射流速度和刀翼中間流場特性的角度，分析了刀翼水眼結構對鉆井液沖洗效率的影響規律，相比原設計水眼結構，錐直型水眼結構的射流性能更好，為擴眼工具水眼結構的優化提供理論依據。

3） 錐直型水眼的結構參數對射流沖擊壓力和壓耗影響顯著，通過數值模擬初步優選出兩組幾何參數。

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收稿日期： 2023-12-19

基金項目： 中石化勝利石油工程有限公司科研項目“隨鉆選擇性擴眼工具研制”（SKG2214）。

作者簡介： 劉子赫（1995-），男，山東濱州人，工程師，碩士，現主要從事鉆井工具研發工作，E-mail：zjylzh1218@163.com。