井眼清洁工具作用下岩屑颗粒运动规律研究

闫 铁 邵 帅 孙晓峰 郑力铭 袁振宇 栾石柱

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318；2.辽河油田公司浅海石油开发公司，辽宁盘锦 124010；3.中国石油集团海洋工程有限公司天津分公司，天津 300459）

井眼清洁工具作用下岩屑颗粒运动规律研究

闫 铁1邵 帅1孙晓峰1郑力铭2袁振宇3栾石柱1

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318；2.辽河油田公司浅海石油开发公司，辽宁盘锦 124010；3.中国石油集团海洋工程有限公司天津分公司，天津 300459）

在复杂结构井钻井过程中常有岩屑成床现象发生，容易造成一系列井下复杂问题，严重影响施工效率。目前一种螺旋式工具已被用于解决井眼清洁问题，应用效果较好。针对这种工具的基本结构，通过研究岩屑颗粒在螺旋式工具叶片上的运动，建立数学模型，得出这种工具螺旋角在不同井斜角条件下对岩屑颗粒通过该工具后的轴向、切向速度影响关系。研究结果表明：该螺旋式工具对岩屑颗粒运移有明显的加速作用，利于清除岩屑床；螺旋角作为清除岩屑床螺旋式工具的可控参数对工具性能产生重要影响；随着螺旋角增大，经过螺旋工具作用的岩屑颗粒切向速度逐渐增大，轴向速度逐渐减小，调整螺旋角可以使岩屑颗粒产生所需的速度以提高工具清屑效率。

岩屑床；复杂结构井；岩屑颗粒运动；螺旋式工具；螺旋角

水平井、大位移井钻井过程中大斜度井段易形成岩屑床，造成摩阻增大、卡钻等井下事故，同时影响后续作业如固井质量差等，因此如何高效地清除岩屑床是水平井、大位移井钻井的关键技术问题［1-2］。用于复杂结构井的常规岩屑床清除方法均具有一定的局限性，很难达到理想效果［3］。针对这种情况，国内外学者研究并应用螺旋式工具清除岩屑床，取得了较好的效果［4-6］。这类工具在管体坯料上加工一定形状的螺旋叶片，通常叶片直径与钻杆接头接近，通过API标准丝扣与钻杆连接使用，利用钻杆带动其旋转破坏和清除岩屑床。其基本工作原理一方面是产生特殊的环空流场以利于清除岩屑，另一方面是叶片对岩屑床的机械破坏作用和对岩屑颗粒的推动加速作用。目前对这种工具的研究均采用流体力学软件模拟研究工具旋转对钻井液流动的影响，从而推测其清岩效果［7-8］。笔者从工具叶片对岩屑颗粒的推动作用角度出发，对井眼清洁工具清岩作用效果进行分析，得出了岩屑颗粒在工具叶片上的运动方程，通过数值模拟分析岩屑颗粒在这类工具上的运动特征，为工具设计提供一定参考依据。

1 岩屑颗粒在螺旋叶片上的受力和运动方程

1.1 垂直井眼岩屑颗粒运动方程

在垂直井眼中螺旋工具基本结构及工作示意图如图1、图2。在研究过程中对与螺旋叶片接触的岩屑颗粒作如下假设：岩屑颗粒之间互不影响，只受钻井液和螺旋叶片的作用力；颗粒形状简化为球形。

图1 垂直井眼螺旋工具工作示意图

图2 岩屑颗粒在叶片上的分布

如图3取螺旋面上1个岩屑颗粒作为研究对象，该颗粒在流动的钻井液中与螺旋叶片接触，其质量为m，T=0时位于M0点，T=t时移动到M点，螺旋面上的点M0则转到M0'。岩屑颗粒的绝对运动轨迹为Sa，绝对速度为Va，相对运动轨迹为Sr，相对运动速度为Vr，牵连速度为Ve。岩屑颗粒受力分析如下。

岩屑颗粒受到重力与浮力的合力作用即浮重W，其方向沿铅垂线向下

螺旋叶片旋转提供推力N，其方向与叶片斜面垂直

图3 螺旋面上岩屑颗粒的运动和受力

岩屑颗粒与螺旋叶片间存在摩擦力F

由于流体与岩屑颗粒速度不同产生拖拽力FD

岩屑颗粒随螺旋叶片转动受到离心力D作用

该运动过程处于非惯性系中，因此假设岩屑颗粒受到哥式惯性力K的作用

假定岩屑颗粒沿螺旋面的相对运动为等速直线运动，则相对运动惯性力为 0［9］。

式中，ρS为岩屑密度，kg/m3；ρ 为钻井液密度，kg/m3；R为岩屑颗粒半径，m；r为螺旋叶片外缘半径，m；α为螺旋角，（°）；f为摩擦因数；CD为阻力系数；s为球形大圆面积，m2；uf为钻进液返速，m/s；V为岩屑颗粒的运动速度，m/s；ω为钻杆转动角速度，rad/s。

假定岩屑颗粒不发生自转，利用力的平衡方程可求得岩屑颗粒沿螺旋面切向相对速度和轴向相对速度

运用速度合成定理，求得岩屑颗粒的绝对运动速度

式中，Vrx为颗粒切向速度，m/s；Vrz为颗粒轴向速度，m/s；Vx为绝对运动速度，m/s；Vz为轴向速度，m/s；n为转盘转速，rad/s；φ为截面叶片切角，（°）。

1.2 倾斜井眼岩屑颗粒运动方程

在倾斜井眼中，当工具经过岩屑成床井段会将岩屑颗粒从井壁附近挖掘起来，通过加速作用使岩屑脱离岩屑床运出井眼。在垂直井眼工作的基础上加入井斜角的影响，从而得到在倾斜井眼中岩屑颗粒经过螺旋工具作用后的运动方程。

如图4，当螺旋工具在井斜角为β的倾斜井眼工作时，螺旋叶片对颗粒的推力为

岩屑颗粒沿螺旋面切向相对速度和轴向相对速度为

通过式（12）、（13）可求得倾斜井眼中岩屑颗粒在螺旋工具作用下的速度。

图4 倾斜井眼螺旋工具工作示意图

2 岩屑颗粒运动状态的模拟分析

2.1 模拟条件

应用上述数学模型对颗粒在工具作用下的实际运动情况进行模拟分析，模拟条件如下。

模拟螺旋工具横截面形状如图5，螺旋叶片外缘半径85 mm，截面叶片切角为50°，钻井液密度为1.2 g/cm3，岩屑颗粒密度为2.5 g/cm3，岩屑颗粒半径为0.2 mm。将螺旋角、钻杆转速、钻井液平均返速、井斜角作为变量进行分析，取值如表1。

图5 螺旋体横截面

螺旋角 /（°） 25，30，35，40，45，50，55，60，65，70钻井液返速 /m·s-1 1.2，1.5，2钻杆转速/rad·s-1 （r·min-1）8.39 （80），10.47 （100），12.57 （120）井斜角 /（°） 60，70，80

2.2 模拟结果及分析

井斜角60°的情况下井眼容易出现岩屑床［10-11］，因此在井斜角60°条件下，分析螺旋角、钻杆转速、钻井液返速对岩屑颗粒的加速效果，如图6～图8。

图6 钻杆转速80 r/min时螺旋角对颗粒速度的影响

从图6可看出，随着螺旋角度的增加，岩屑颗粒的切向速度逐渐增加，而轴向速度逐渐减小。当螺旋角度达到70°时，轴向速度接近0。

图7 钻井液返速1.2 m/s时不同钻杆转速对岩屑颗粒速度的影响

从图7可看出，随着钻杆转速的提高，螺旋工具对岩屑颗粒的加速效果逐渐增大。从能量传递角度考虑，螺旋工具转速的提高使其对岩屑颗粒所做的功增加，体现在岩屑颗粒速度的增加。

图8 钻杆转速80 r/min时钻井液返速对颗粒速度的影响

从图8中可以看到，当钻井液返速增加时，颗粒切向速度随螺旋角变化的斜率增大，轴向速度随螺旋角变化斜率的绝对值增大，说明螺旋式工具在高钻井液返速情况下会产生更明显的轴向和切向速度差异。

通过图9可知在不同井斜角井段中，随着井斜角的增加岩屑颗粒经过螺旋式工具作用后的速度逐渐增大。从能量角度考虑，相比于大斜度井段，在井斜角较小井段螺旋式工具对岩屑颗粒所做的功会更多地转化为势能。

图9 钻杆转速100 r/min、钻井液返速2 m/s时不同井斜角情况下螺旋角对颗粒速度的影响

根据在不同螺旋角情况下岩屑颗粒通过螺旋式工具之后的速度对比可知，螺旋角对颗粒速度影响比较明显。当螺旋角较小时，岩屑颗粒会有较大的轴向速度；螺旋角较大时，岩屑颗粒会有较大的切向速度。轴向和切向速度对清除岩屑床有不同的作用：较高的切向速度容易使岩屑进入高流速区，也可以对井壁附近的颗粒产生撞击，从而被带出井筒；较高的轴向速度使原本静止的岩屑颗粒迅速脱离成床井段，从而达到清除岩屑床的目的。

3 结论

（1）螺旋式井眼清洁工具对岩屑颗粒能够起到明显的加速作用，经过加速岩屑颗粒与钻井液速度接近，这有助于破坏岩屑床，并及时带走岩屑，防止岩屑的再次堆积。

（2）新的数学模型可对岩屑通过螺旋式工具后的运动规律进行定量的描述，特别对轴向和切向速度进行了分别计算，为这类工具的设计提供参考依据。

（3）螺旋角对通过螺旋式工具的岩屑运动速度影响很大，设计螺旋式工具时适当调整螺旋角可使岩屑达到所需的速度，从而提高工具的工作效率。

［1］王智锋.复杂结构井岩屑床清除技术［J］. 石油钻采工艺， 2009，31（1） ：102-104.

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［6］吴仲华，温林荣，聂云飞.利用岩屑床破坏工具和可膨胀套管扶正器改善井眼质量［J］.石油矿场机械，2006，35（SO）：59-62.

［7］孙浩玉. 岩屑床清除器设计及其流场仿真研究［J］.石油机械，2009，37（12）：38-41.

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（修改稿收到日期 2013-03-12）

Rules study on cuttings migration through wellbore cleaning tools

YAN Tie1, SHAO Shuai1, SUN Xiaofeng1, ZHENG Liming2, YUAN Zhenyu3, LUAN Shizhu1

（1.Northeast Petroleum University,Daqing163318,China; 2. Shallow Sea Oil Development Company,Liaohe Oilf i eld,Panjin124010,China;3.Tianjin Branch,CNPC Offshore Engineering Co.,Ltd.,Tianjin300459,China）

In the process of drilling complex wells, cutting bed occurs normally, and it always causes a lot of well hole problem，and affect the work eff i ciency badly. Now a kind of spiral tool is normally used to solve this problem, with some good application effect. By studying the migration process of cuttings through the basic conf i guration blades, the paper built a mathematical model, and found the inf l uence of blade helical angle on cuttings transport velocity in tangential direction and axial direction. The results show that this kind of tool could accelerate cuttings effectively; as a controllable parameter, blade helical angle has important impact on application effect of the spiral tool; with the increase of the helical angle, cuttings tangential velocity increases and axial velocity decreases. Changing the helical angle could make the cuttings have a necessary velocity to be transported out of the hole eff i ciently.

cuttings bed; complex well; cuttings migration; spiral tool; helical angle

闫铁，邵帅，孙晓峰，等.井眼清洁工具作用下岩屑颗粒运动规律研究［J］. 石油钻采工艺，2013，35（3）：1-4.

TE21

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0001 – 04

国家科技重大专项“复杂结构井优化设计与控制关键技术”（编号：2011ZX05009-005）和国家自然科学基金项目“气体钻井地层—井眼流体—旋转管柱耦合作用下井眼净化机理研究”（编号：51174043）联合资助。

闫铁，1957年生。东北石油大学教授、博士生导师。研究方向为油气井工程理论与技术。电话：0459-6503923。E-mail：yant@nepu.edu.cn。

〔编辑

薛改珍〕