存在岩屑床的水平环空钻井液紊流CFD模拟

王克林，刘洪涛，程红伟，张雪松，王艳，周鹏遥

（1.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆 库尔勒 841000；2.中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西 西安 751500）

存在岩屑床的水平环空钻井液紊流CFD模拟

王克林1，刘洪涛1，程红伟2，张雪松1，王艳1，周鹏遥1

（1.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆 库尔勒 841000；2.中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西 西安 751500）

在钻井过程中，由于钻井液携岩效率的限制，在水平井段极易形成岩屑床。利用CFD（计算流体动力学）软件来模拟环空成床后的钻井液紊流流动规律，模拟结果与已发表的实验数据对比，验证了所选模型的正确性。环空岩屑床的存在将减小流核区的速度，但会增加岩屑床面附近的速度，有助于床面岩屑起动；增加岩屑床高度，环空摩擦压降会减小；随着岩屑床壁面粗糙度增加或岩屑床高度减小，钻井液流动时作用在床面上的切应力减小，不利于床面岩屑的起动；且在钻柱与床面交汇处容易形成屏蔽效应。

计算流体动力学；岩屑床；速度场；切应力；摩擦压降

0 引言

律，讨论了钻柱偏心、岩屑床高度等对环空速度场、压力场及岩屑床面切应力的影响。

在钻井过程中，由于钻井液携岩效率的限制，岩屑颗粒将在重力作用下沉降，并在水平井段环空井眼低边逐渐沉积成床。当钻柱旋转或静止时，环空岩屑床呈现不同的分布状态。因此，研究不同环空结构下的钻井液流动规律对保持井眼清洁具有重要意义。

目前国内外针对无岩屑床环空钻井液流动的研究较多，而针对存在岩屑床环空的研究较少［1-6］，Hussain等［7-9］建立了存在岩屑床的偏心环空赫巴流体层流模型，并采用二阶有限差分进行求解。King等［10-12］利用CFD（计算流体动力学）模拟了存在岩屑床的偏心环空的速度场和压力场分布规律。为此，笔者利用CFD软件模拟了不同环空结构条件下的钻井液紊流流动规

1 物理模型

CFD数值模拟三维物理模型如图1所示，环空结构为62.0 mm×33.4 mm，长度为6.0 m，分别模拟同心环空、偏心环空及存在岩屑床的偏心环空。

根据物理模型的特点，对整个模型采用六面体结构网格划分，所有模拟的环空流域，网格数量控制在80万左右。CFD数值模拟边界条件选择速度入口和压力出口，壁面附近低雷诺数区域选择标准或增强壁面函数，且钻柱壁面和井壁采用不可滑移边界。通过设置速度入口钻井液流速大小模拟不同排量，设置不同出口压力模拟不同井深。

图1 钻井液流动区域物理模型

2 数学模型

质量守恒方程：

动量守恒方程：

式中：ρf为流体密度，kg/m3；t为时间，s；vf为流体速度，m/s；p′为修正压力，Pa；μeff为有效黏度，Pa·s；μf为分子黏度，Pa·s；μt为紊流黏度，Pa·s；Fm为总质量力，N；Cμ为常数，取值0.09；kf为紊流动能；εf为耗散率。

紊流动能和耗散率方程分别为：

式中：σk，σε，C2为常数，分别取值1.0，1.2，1.9；S为应变率，s-1。

本模型的算法采用压力基稳态求解，并采用压力耦合方程的半隐式算法SIMPLE，其基本原理是通过对初始压力的修正，使调整后求解的各速度分量满足动量守恒方程，并反复迭代，直到满足质量守恒方程。

3 模型验证

在模拟钻井液流动过程中，为了确保所选模型的正确性，选择Langlinais等［13-14］的实验数据进行验证，模拟所选的钻井液流变参数见表1。如图2所示，CFD模拟的环空摩擦压降值与实验数据基本吻合，证明所选模型是可靠的。

表1 钻井液流变参数

图2 CFD模拟摩擦压降与实验数据对比

4 模拟结果分析

以表1为基础，利用CFD模拟不同环空结构下钻井液速度场、压力场及岩屑床面切应力的分布规律。

4.1 速度分布规律

钻井液的速度分布将影响环空摩擦压降和钻井液携岩效果，特别是钻柱旋转对环空速度场的重新分布。从图3可以看出：在宽间隙处，钻柱偏心将形成较大的轴向速度，更有利于形成流核区；而在窄间隙处，钻柱偏心使得轴向速度较小，造成岩屑滞留，更容易形成岩屑床，这与汪海阁等［15］携岩实验观察到的现象一致。

图3 钻柱偏心对轴向速度分布的影响

环空岩屑床的存在将减小流核区的速度，且会增加岩屑床面附近的速度，有助于岩屑起动，而岩屑床面的倾角对环空速度分布几乎没有影响（见图4）。

图4 不同岩屑床下环空轴向速度云图

在岩屑床存在条件下，高黏钻井液在环空宽间隙处容易形成较大的轴向速度，如图5所示。

图5 流变性对轴向速度分布的影响

4.2 摩擦压降变化规律

摩擦压降直接关系到钻井水力参数的优化。不同钻井液流变性下，同心和偏心环空的摩擦压降变化如表2所示。从表2可以看出，随着钻井液有效黏度的增加，环空摩擦压降随之增加，且偏心环空的摩擦压降要小于同心环空。如图6所示，增加岩屑床高度，环空摩擦压降也会有一定程度的降低。

表2 同心与偏心环空摩擦压降对比 Pa·m-1

图6 岩屑床高度对环空摩擦压降的影响

4.3 岩屑床面切应力分布规律

随着岩屑床壁面粗糙度增加或岩屑床高度减小，钻井液流动时作用在床面上的切应力减小，不利于床面岩屑的起动（见表3）。从图7可以看出：在宽床面处，床面倾角越大，受到的切应力越小；在窄床面处，则呈现相反趋势，且在钻柱与床面交汇处容易形成屏蔽效应，导致岩屑堆积。

表3 壁面粗糙度和岩屑床高度对切应力的影响

图7 岩屑床面倾角对切应力的影响

5 结论

1）在环空宽间隙处，钻柱偏心将形成较大的轴向速度，而在窄间隙处，钻柱偏心使得轴向速度较小，容易形成岩屑床；而环空岩屑床的存在将会增加岩屑床面附近的液流速度，有助于岩屑起动。

2）环空岩屑床的存在会减小环空摩擦压降，而随岩屑床壁面粗糙度增加或岩屑床高度减小，钻井液流动时作用在床面上的切应力减小，不利于床面岩屑的起动；在宽床面处，床面倾角越大，受到的切应力越小，且在钻柱与床面交汇处容易形成屏蔽效应。

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（编辑 赵卫红）

CFD simulation of turbulent drilling fluid flow in horizontal annuli with cuttings bed

WANG Kelin1,LIU Hongtao1,CHENG Hongwei2,ZHANG Xuesong1,WANG Yan1,ZHOU Pengyao1
(1.Research Institute of Oil and Gas Engineering,Tarim Oilfield Company,PetroChina,Korla 841000,China; 2.No.1 Oil Production Plant,Changqing Oilfield Company,PetroChina,Xi′an 751500,China)

During drilling operations,cuttings bed in the horizontal segment may be formed due to the low fluid carrying capacity.In this study,CFD software is used to simulate the turbulent flow characteristics in the annuli,and the published experimental data have been used to check the choosing models.The simulation results show that flow core decreases due to the existence of bed,but velocity increases near the bed surface,which contributes to incipient particle motion.Increasing bed height will lead to decreasing pressure drop in the annuli.With the increase of bed surface roughness or the decrease of bed height,the shear stress acting on the bed surface decreases and the particle is difficult to be transported by fluid flow.Also,the shear stress increases gradually from pipe to wellbore,and a shielding effect is formed between pipe wall and bed surface.

CFD;cuttings bed;velocity field;shear stress;friction loss

国家自然科学基金项目“钻柱旋转作用的大位移井环空岩屑运移机制研究”（51204056）

TE21

：A

10.6056/dkyqt201701026

2016-06-14；改回日期：2016-10-16。

王克林，男，1989年生，助理工程师，硕士，2015年毕业于东北石油大学石油与天然气工程专业，主要从事井筒流体方面的科研工作。E-mail：wjj08_cq@petrochina.com.cn。

王克林，刘洪涛，程红伟，等.存在岩屑床的水平环空钻井液紊流CFD模拟［J］.断块油气田，2017，24（1）：116-119.

WANG Kelin，LIU Hongtao，CHENG Hongwei，et al.CFD simulation of turbulent drilling fluid flow in horizontal annuli with cuttings bed［J］. Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（1）：116-119.