控压钻井多级节流元件压降场数值模拟

刘少胡，罗　衡，冯　定，石　磊，聂荣国，魏世忠

（1.长江大学机械工程学院，湖北荆州434023；2.中海油发展安全环保分公司，广东湛江524057；3.中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司，成都610051；4.西南石油大学机电工程学院，成都610500）①

控压钻井多级节流元件压降场数值模拟

刘少胡1，罗衡2，冯定1，石磊3，聂荣国4，魏世忠1

（1.长江大学机械工程学院，湖北荆州434023；2.中海油发展安全环保分公司，广东湛江524057；3.中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司，成都610051；4.西南石油大学机电工程学院，成都610500）①

利用控压钻井可解决碳酸盐岩储层溢、漏频繁发生，硫化氢分布不均匀和存在大量裂缝等钻井难点，而多级节流元件是实现控压的主要部件之一。基于CFD技术建立了该多级节流元件数值计算模型，并分别选取12.00、14.84、22.42、30.70 L/s流量进行了数值模拟计算，同时研究了流量变化对压降场的影响。结果表明：随着流量的增加，该多级节流元件的压降增幅较大；流量是影响多级节流元件压降的主要因素之一。由此证实该元件在控压钻井中进行节流控压是可行的，其节流控压性能明显；在精细控压钻井中可发挥节流控压的作用。

节流元件；控压钻井；压降场；数值模型

针对碳酸盐岩储层溢、漏频繁发生，硫化氢分布不均匀和存在大量裂缝等钻井难点，利用控压技术可消除储层伤害、保障工程安全，于是在常规钻井和欠平衡钻井技术的基础上产生了控压钻井技术［1-2］。目前，控压钻井按照控制对象可分为环空压降剖面控制和环空流量控制2类，而微流量控制方法则属于环空流量控制［3-5］。

文献［6］介绍了微流量控制方法，该方法可随钻监测井下环空流量的变化，进而调节井口回压阀的开度，通过改变井底压降来控制溢流或井漏的大小，实现对环空流量的控制。其中，井下多级节流元件是实现环空流量控制的主要部件之一，基于井下安全的考虑，参考广泛应用于钻井现场的井下稳定器螺旋结构为节流元件的控制结构。在产生需要压降的前提下，为了保证携岩钻井液能够顺利通过节流元件而不发生阻塞，这里使用多级节流的方法来达到预期的节流效果。文献［6］对井下多级节流元件进行了结构设计，而没有进行工作性能可行性研究，故有必要研究不同流量下该元件的控压情况。

1　数值计算模型的建立

环空内钻井液携岩是复杂的液固两相三维紊流瞬态问题。连续相为液体钻井液，离散相为岩屑颗粒，环空三维流动模拟采用了雷洛平均NS方程，并以RNG紊流模型使方程组闭合［7-8］。

井下多级节流元件三维模型如图1所示，所计算模型有3处均布螺旋带，为划分网格和计算方便，故对模型进行了简化处理。3处螺旋带的压降可认为是每一处压降的和，即认为每处压降基本相等（由模型的对称性可知），故只计算1处螺旋带压降便可知总压降，图2为简化后的三维模型。

图1　井下多级节流元件三维模型

图2　井下多级节流元件简化三维模型

采用有限体积法对求解域（元件与井眼过流环空）进行离散，使用全隐式多网格耦合求解技术，可以避免传统算法的反复迭代过程。

2　元件压降场数值计算

为计算钻井液排量对元件压降场的影响，首先分别选取流量为12.00、14.84、22.42、30.70 L/s进行数值模拟计算，该模拟计算可定量研究钻井液流量对元件压降场的影响。

2.1 流量为12 L/s对压降场的影响

为进一步验证流量对元件压力场的影响，计算了流量为12 L/s时元件的压力场，元件三维模型压力场云图和压力场切片云图如图3所示。由图3可知：螺旋带处井眼环空的压降为0.0628MPa，则该多级节流元件的总压降约为0.188 MPa。为了减少网格划分所带来的错误及为了节约数值计算时间，所计算螺旋带棱和根部均未绘制圆角，所以计算结果要稍大于实际压降，即实际压降应略小于0.188MPa。

图3　流量为12 L/s时元件压降云图

2.2 流量为14.84 L/s对压降场的影响

如图4所示为流量14.84 L/s时元件压降场，由图4可知：螺旋带所在环空最大压降为0.175 MPa，根据假设可知该多级节流元件的总压降约为0.525 MPa。与流量为12 L/s压降进行对比可知：随着流量的增加，该多级节流元件的压降增幅较大，由此可知在小流量的情况下，该多级节流元件压降明显，在控压钻井中可发挥节流控压的作用。

图4　流量为14.84 L/s时元件压降云图

2.3 流量为22.42 L/s对压降场的影响

图5为排量22.42 L/s时的元件压降云图，由图5可知：一级节流元件螺旋带处井眼环空压降为0.366 7 MPa，则该三级节流元件的总压降约为1.1 MPa，实际压降应小于1.1 MPa。与流量为12 L/s时压降进行对比，可知流量增加了10.42 L/s，而压降增加了约6倍。

图5　流量为22.42 L/s时元件压降云图

2.4 流量为30.7L/s时对压降场的影响

图6为排量30.7L/s时多级节流元件压降云图，由计算结果可知：该一级节流元件的压降约为0.72 MPa，则该三级节流元件的总压降约为2.17 MPa，即整个节流装置的压降为2.17 MPa。综合对比前面的计算结果可知：不但小流量对压降的影响较大，而且大流量对该多级节流元件的压降尤为敏感，由此可以得出该元件也可在精细控压钻井中应用。

图6　流量为30.7L/s时元件压降云图

2.5 流量变化对压降场的影响

图7为流量变化对压降场的影响曲线，由图7可知：随着流量的增加，一级节流元件（一级压降）和三级节流元件（三级压降）的压降值也在逐渐增加。由此可以看出，流量是影响多级节流元件压降的主要因素之一，同时反应出多级节流元件的节流控压性能比较明显。

图7　流量变化对压降场的影响曲线

3　结论

1） 通过数值模拟研究了流量分别为12.00、14.84、22.42、30.70 L/s时对元件压降场的影响。随着流量的增加，该多级节流元件的压降增幅较大，由此证实该元件在控压钻井中进行节流控压是可行的。

2） 通过定性研究流量变化对多级节流元件压降场的影响可知，流量是影响多级节流元件压降的主要因素之一，同时证实该多级节流元件的节流控压性能明显。基于此可知，该多级节流元件在精细控压钻井中可发挥节流控压的作用。

［1］ 张奎林.精细控压钻井井筒压力控制技术研究［D］.北京：中国地质大学（北京），2013.

［2］ 朱轶.精细控压钻井井内压力计算方法研究［D］.成都：西南石油大学，2011.

［3］ 葛亮，胡泽，陈平，等.深水表层钻井随钻压降与温度监测装置设计［J］.传感器与微系统，2014，33（11）：

92-98.

［4］ 蔡振华，廖新维，袁玉金.气井井下节流器压降模型的建立［J］.陕西科技大学学报，2013，31（1）：58-61.

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［7］ 龙天渝，苏亚欣.计算流体力学［M］.重庆：重庆大学出版社，2007.

［8］ 刘少胡，郑华林.基于气固两相流的气体钻井套管冲蚀数值模拟研究［J］.热加工工艺，2014，43（12）：96-98.

Numerical Simulation of Pressure Field for Multi-Stage Throttling Tool in MPd

LIU Shaohu1，LUO Heng2，FENG Ding1，SHI Lei3，NIE Rongguo4，WEI Shizhong1
（1.College of Mechanical Engineering，Yangtze University，Jingzhou 434023，China；2.CNOOC EnerTech-Safety&Environmental Protection Co.，Zhanjiang 524057，China；3.China CCDC Downhole Limited Company，Chengdu 610051，China；4.College of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

Carbonate Reservoir overflow＆leak frequent occurring can be resolved with MPD，caused by hydrogen sulfide uneven distribution and a lot of cracks.And multi-stage throttling toll is one of the main components to achieve control pressure.The numerical model of a multi-stage throttling tool is established based on CFD technology.The flow 12 L/s，14.84 L/s，22.42 L/s and 30.7 L/s are selected for numerical simulation，and the effect of changing flow on the pressure drop field is also studied.The result shows that the pressure drop increase is larger for multi-stage throttling tool when flow increases.Qualitative research through multi-level flow change on pressure field of throttling tool shows that the flow is one of the main factors that impact pressure of multi-level throttling tool.Thus confirmed that the tool is feasible in the MPD，and confirmed the pressure control performance of the tool is obvious.Based on this study we can see that the multi-stage throttling tool may play a fine role in the throttle control pressure for MPD.

throttling tool；MPD；pressure field；numerical model

TE927

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.003

1001-3482（2015）07-0011-04

①2015-01-24

国家自然科学基金项目“深水无隔水管钻井涡动对钻柱动态响应研究”（51405032）

刘少胡（1984-），男，甘肃静宁人，讲师，博士，主要从事管柱力学、计算流体动力学及钻完井井下工具研究，Email：liushaoh＠126.com。