清除器对水平井段岩屑运移的影响分析

2014-06-05陈建民郭鹏增王少磊

石油矿场机械 2014年10期

关键词：环空岩屑加速器

陈建民，张棋，郭鹏增，王少磊

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580；2.中国石油集团海洋工程有限公司，山东青岛 266555）

清除器对水平井段岩屑运移的影响分析

陈建民1，张棋1，郭鹏增2，王少磊1

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580；2.中国石油集团海洋工程有限公司，山东青岛 266555）

在水平井钻进过程中岩屑床的危害是巨大的，使用增大排量、倒划眼等常规的方法很难清除岩屑床。应用Fluent软件分别对岩屑床清除器和光钻杆的工作进行了模拟，可以详细地了解岩屑床清除器对环空流场的影响和岩屑颗粒的运动轨迹情况，显示此清除器在清除岩屑床和岩屑运移方面的能力。此种岩屑床清除器不仅增加了环空流场的紊流度，提高了局部空间的钻井液流速，具有水力清除岩屑床的作用，而且增大了岩屑颗粒被携带起来的机会。

水平井；岩屑床；螺旋清除器；分析

岩屑携带困难是水平井钻进过程中的一个难点。因钻井液不容易携带岩屑，在水平井段容易形成岩屑床，岩屑床的形成对水平井的钻进危害很大，仅靠直井井眼净化的方法不能很好的携带岩屑。清除岩屑床的方法一般有：增加钻井液的流速、提高钻杆的转速、改善钻井液携岩性能和机械清除岩屑床的方法等［1］。在岩屑运移方面，以前科研工作者主要侧重与岩屑运移模型的建立和各影响因素对岩屑运移规律的研究，为后来更加深入的研究奠定了良好的基础。后来又提出了一种新技术，即利用水力和机械作用净化环空的装置进行岩屑床的破坏及运移，因此产生了一些针对清除岩屑床的工具，例如国内V形槽岩屑床清除器［2-3］，直齿翼岩屑床清除器［4］，螺旋槽道结构的清除岩屑床的钻杆［5］；国外的VAM公司开发的HydroClean TM系列钻杆［6-7］，DBS公司开发的岩屑床清除器Cuttings Bed Impeller［8-9］。最近几年科研工作者对此领域的研究都集中在清除岩屑床的工具研究方面，但是这些清除工具的结构一般都比较单一，造成环空内的旋流效果较为一般，不能达到有效清除岩屑床的效果。

本文借鉴前人的研究成果，从提高岩屑床清除效率和增加环空紊流程度的目的出发，引用了这种高效的水平井段岩屑床的清除工具［10］，并用Fluent软件对其进行数值模拟，较好地证明了其在携岩效率方面的能力。

1 模型建立及工作原理

1.1 物理模型的建立

这种岩屑床清除工具如图1，是由若干个螺旋清除器和局部加速器组合而成，螺旋清除器和局部加速器均为带公扣、母扣的内部贯通的圆柱形体，长度分别为200 mm，螺旋清除器（ø140 mm）外部均匀分布3个斜槽螺旋环（101），螺旋齿高为20 mm，在螺旋清除器后半部分设有螺旋回环（102），螺旋回环高为20 mm，所述螺旋回环采用半椭圆形设计，分布在斜槽螺旋环（101）之间。

局部加速器前端面直径为140 mm，后端面是直径为160 mm的圆锥体，局部加速器的直径一端大而另一端小，小端朝向钻头方向，周围均匀分布6条斜向的条形加速带（201），条形加速带高为20 mm。

螺旋清除器和局部加速器分别安装于水平井钻柱上，并由2个螺旋清除器中间安放1个局部加速器组成1组，在水平段钻柱上每隔一定距离设置1组。

新型岩屑床清除器上的斜槽螺旋环、螺旋回环和斜向条形加速带是其最重要的部位，环空流场受它的影响最大，而其他的部位对周围流场的影响非常小，在此可以不考虑。用Fluent软件对其进行仿真，简化后的物理模型如图1～4所示。

图1 螺旋清除器和局部加速器的组合结构

图2 螺旋清除器A-A剖面图

图3 局部加速器B-B剖面图

图4 螺旋清除器C-C剖面图

1.2 工作原理

本岩屑床清除工具由多个螺旋清除器和局部加速器组合而成，下入井内旋转，通过机械和水力2个方面的作用来达到清除岩屑床的目的，并将破坏后的岩屑携带出水平井段。

1）螺旋清除器上分布的曲线螺旋体和长方形实体，由于其体积突出，在旋转的过程中会对下井壁岩屑床进行机械性破坏，挖掘岩屑使其脱离下井壁的岩屑床。

2）螺旋清除器上的长方形实体对钻井液具有较强的重导向的作用，流体方向的改变会增大螺旋清除器周围钻井液的紊流强度，有利于岩屑颗粒的携带。

3）局部加速器上的条形加速带在旋转过程中搅动两个相邻螺旋清除器之间的钻井液，有效防止岩屑沉降。加速器在旋转的过程中会带动槽中流体的转动，增加了泥浆的流速，流速增加的泥浆会强烈的冲刷周围的岩屑。

2 参数及计算模型的选择

2.1 参数选择

选用139.7 mm（5 1/2英寸）钻杆，井眼尺寸选用“4开”井眼（尺寸216 mm），计算域长度为2根钻杆的长度，中间接有清除器和局部加速器，清除器和加速器长度分别为200 mm，岩屑密度为2 800 kg／m3，钻井液密度为1 500 kg／m3，黏度选用40 mPa·s，钻井液入口速度为1.5 m／s，钻柱、清除器和加速器的转速为3 min／s，岩屑粒径大小分别为0.1、0.5、1.0 cm，以左侧的端面为入射面，垂直于入射面的岩屑质量流率为0.15 kg／s。

2.2 计算模型选择

颗粒运动轨迹模型选用离散相模型［11］，在离散相模型设定参数时，把Max.Number of Steps设定为50 000，它代表积分颗粒轨道的迭代步数，目的是计算完整的颗粒轨道，防止颗粒进入计算域一段距离后因迭代步已完成而终止了轨迹的计算。

本文采用数值模拟的方法对岩屑床清除器周围流场的规律进行研究，而数值模拟方法的运用其中非常关键的一点就是湍流模型的选择，计算精度高、节约计算时间、应用简单、具有通用性，这些都是选择湍流模型要考虑的因素，在这些湍流模型的计算过程中，κ-ε两方程模型因为它的简单有效和方便的原因被成功的广泛应用。因此，本文采用标准的κ-ε两方程模型。

2.3 数值求解方法选择

求解流场离散方程最经典的算法是Simple算法。后来经过改进出现了几种著名的算法，例如Simplec、Simpler和Piso算法。在Fluent6.3版本的压力基耦合算法中新增了Coupled算法，这种算法可以加快收敛，本文选用Coupled算法。

3 清除器流场运动区域与边界条件的处理

3.1 清除器流场运动区域处理

螺旋清除器和局部加速器的旋转会带动槽中流体也一起旋转，在旋转的过程中，槽的位置是不断变化的，因此，需要把槽中的区域与外围的区域分开对待，并对槽中的区域单独处理。所以，在模拟岩屑床清除器的工作过程中存在1个问题，即可动区域流动问题的模拟。一般情况下模拟可动区域内流体流动问题有3种模型可以选择，它们分别是多参考系模型（MRF）、混合平面模型和滑移网格模型。在本模拟过程中选择滑移网格模型，即将槽中部分作为1个计算区域单独进行网格划分和计算，选用滑移网格模型不同于MRF模型，此处的转动是真正的转动，计算出来的流场就是实际的流场。

3.2 计算边界条件处理

左侧入口端面选用速度进口的边界条件［12］，入口端面处湍动能kin、湍动能耗散率εin分别以下面的2个公式计算：

式中：cμ＝0.09，k＝1.42；Di为入口端面的当量直径，cm。

uin、vin、win分别为在入口端面处x、y、z轴方向上的速度分量。

右侧出口端面选用自由出口的边界条件，外壁面以无滑移方式处理，在Fluent模拟过程中设定wall部分应选择noslip选项，内壁面以旋转壁面方式处理，清除器槽的内部区域与其周围外部区域之间的交接面为内壁面。

4 数值模拟结果分析

现以用于ø216 mm井眼的岩屑床清除器为例进行数值计算。钻井液入口流速为1.5 m／s，钻具及清除器转速为18.84 rad／s。因计算模型选取较合理，且网格划分较密，计算收敛很快。

4.1 岩屑运动轨迹

以入口面作为注射面往计算域内注射不同粒径大小的颗粒岩屑，得到其在有清除器、加速器组合和光钻杆条件下的运动轨迹。

1）在光钻杆条件下，不同粒径大小的岩屑颗粒在环形空间内的流动轨迹。

由图5～7可以看到，粒径为0.1 cm的岩屑从入口泵入因其粒径较小，在钻井液的携带下会充满整个环形空间；由粒径为0.5 cm颗粒的运动轨迹可得出从入口泵入后在钻井液携带下前进一段距离后会下沉到下井壁；由粒径为1 cm颗粒的运动轨迹可以验证大粒径的颗粒会下沉的更快。因此，颗粒较大的岩屑会先沉积到下井壁，粒径较小的颗粒后沉积到下井壁，经长期的积累会形成岩屑床。

图5 粒径为0.1 cm的颗粒运动轨迹

图6 粒径为0.5 cm的颗粒运动轨迹

图7 粒径为1.0 cm的颗粒运动轨迹

用3种不同粒径大小的单颗粒运动轨迹对比图可更形象地表述这3者之间的关系。从同一个注射点（0，0，11）往计算域内分别注射粒径为0.1、0.5和1.0 cm单颗粒，通过计算可以分别得出这3者的运动轨迹对比图，如图8所示。

图8 3种颗粒的运动轨迹对比

2）在清除器和加速器组合条件下，岩屑颗粒在环形空间内的运动轨迹。

因钻杆长度的限制，为了更清楚地观察到单颗粒的运动轨迹图，现截取有清除器组合的井段观察。图9显示0.1 cm大小的颗粒经过清除器组合时会改变原先的运动轨迹，增强此处钻井液的紊流强度，下井壁的岩屑颗粒会在它的旋转作用下被携带到环空的上部；而图10显示在光钻杆的环形空间内，粒径为0.1 cm的颗粒只在光钻杆的旋转作用下发生轻微的绕钻柱旋转前进的运动轨迹，没有图9所描述的高强度旋转状态，下井壁的岩屑被携带起来的可能性很小。

图9 有清除器和加速器组合的工况

图10 光钻杆条件下的工况

由图11可见，当流经到清除器和局部加速器井段时，会在清除器组合的作用下改变运动轨迹，使岩屑颗粒脱离下井壁，随钻井液旋转前进，防止此处岩屑床的形成。由图12可见，粒径为0.5 cm的颗粒因其重力较大的原因，在钻井液携带下流经一段距离后下沉并在钻井液携带下沿着下井壁前进。通过图12岩屑运动工况还可以看出岩屑颗粒是一直沿着下井壁前进的，虽然钻柱是旋转的，但是因为颗粒较大的原因，钻柱旋转也不会使颗粒脱离下井壁，在某些情况下还会停留在下井壁不动。

图11 颗粒经组合器的运动工况

图12 颗粒在常规井眼内的运动工况

用单颗粒的运动轨迹可更加形象地表述清除器组合对3种粒径颗粒的作用，从同一注射点（0，0，11）分别注射粒径为0.1、0.5、1.0 cm的颗粒，得到清除器组合对这3种颗粒的效果对比图，如图13所示。

图13 清除器组合对3种颗粒的作用对比

由图13知，粒径最小的0.1 cm的颗粒会最先被清除器组合携带起来，粒径较大的0.5 cm的颗粒会后被旋转起来，粒径最大的1.0 cm的颗粒会被最后旋转起来。可以推断如果岩屑粒径再大的颗粒会因清除器功效的限制或井眼环空尺寸的限制不会被携带起来，由这3种不同粒径颗粒的运动轨迹可以说明粒径越大越不容易脱离下井壁。

4.2 流线图

图14～15分别是光钻杆条件下的环空流线图和清除器组合条件下环空流线图。

图15为清除器组合条件下环空的流线轨迹，流体在清除器组合旋转运动条件下产生了较强的旋流，比图14显示的光钻杆条件下产生的流线旋转的更强，这对岩屑的携带、清除极为有利。

图14 光钻杆条件下环空流线

图15 清除器组合条件下环空流线

4.3 局部加速器的功效

局部加速器上分布的条形加速带可以在旋转过程中挖掘岩屑床，同时搅动2个相邻清除器之间的钻井液，有效防止岩屑沉降。旋转过程中的局部加速器会引起槽中的流体旋转，使钻井液流速增大，流速增大的钻井液会对周围的岩屑产生强烈的冲洗。局部加速器在速度方面的体现。

计算所得的局部加速器的入口速度云图和出口速度云图如图16～17所示，由图可见，流场的进口速度经过加速器（0.5 m）后流速从1.5 m／s提高到约2.6 m／s，增加了约1.7倍。增大的流速对清除器周围的岩屑产生强烈的冲洗作用，对岩屑的携带和清除极为有利。

图16 局部加速器入口速度云图

图17 局部加速器出口速度云图

5 结论

1）粒径较大的岩屑会先沉积到下井壁，粒径较小的颗粒会后沉积到下井壁，经时间的积累会形成岩屑床，粒径很小的颗粒会充满整个环形空间，在钻井液的携带下上返。

2）小粒径的颗粒在清除器组合的作用下绕钻柱旋转强度较强；而小粒径的颗粒在光钻杆的旋转作用下产生轻微的绕钻柱旋转前进的运动轨迹。粒径较大的颗粒在清除器组合器的作用下脱离下井壁，减少了下井壁岩屑量，但是粒径越大越不容易脱离下井壁。

3）钻井液在清除器组合旋转运动条件下产生了较强的旋流，使清除器组合处钻井液的紊态增强，比光钻杆产生的流线旋转的更强，这对岩屑的携带、清除极为有利。

4）局部加速器会使清除器组合环空井段的流速增加，增大的流速对清除器周围的岩屑产生强烈的冲洗作用。

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Impact Analysis of Cuttings Transport under Effect of Cleaners in Horizontal Well

In the process of horizontal well drilling，the harm of cuttings bed is serious，and it is not easy to remove cuttings bed by using conventional methods such as increasing delivery capacity and back ream.The working condition of cuttings bed cleaners and light pipe respectively by using fluent is simulated in this paper.More about the influence of annular flow field and the trajectories of debris particles caused by cuttings bed cleaners can be understood，showing its ability in removing cuttings beds and the cuttings migration.Not only does this kind of cutting bed cleaner increase the turbulence intensity of the annulus flow field，improve the velocity of local fluid，with the function of the hydraulic removing cuttings bed but also increase the chances of carrying up the debris particles.

horizontal well；cuttings bed；screw cleaner；analysis

TE921.201

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.006