井眼清洁工具流场及岩屑运移数值模拟分析

吴欣袁，张恒，王建龙，杨文领，柳鹤

（渤海钻探工程技术研究院，天津大港300280）

井眼清洁工具流场及岩屑运移数值模拟分析

吴欣袁，张恒，王建龙，杨文领，柳鹤

（渤海钻探工程技术研究院，天津大港300280）

在大位移井、水平井钻井过程中，常有岩屑运移不畅，形成岩屑床的现象发生，导致摩阻增大、蹩钻等复杂问题，严重时甚至影响钻井安全。本文分析了一种短节式的井眼清洁工具，采用计算流体动力学对其偏心旋转工况下的流场进行模拟，通过特征截面流线图、速度云图等分析了工具对该井段的流场扰动作用机理；通过多相流计算，得出了岩屑颗粒运动情况。分析表明，工具对流场具有导流和搅拌的作用，加速岩屑颗粒运动；随着工具转速增大，工具对流场的扰动作用加大，岩屑颗粒离开模型的最终速度增大，因此颗粒滑落距离增加，有利于岩屑携带。在某油田1603井的现场试验显示，合理安放多个井眼清洁工具后振动筛返屑量明显增加，后两次收集岩屑体积分别是使用前的3.75倍和1.6倍。

井眼清洁；岩屑运移；大位移井；水平井；数值模拟

随着国内外油气田勘探开发的不断深入，大位移井、水平井应用越来越广泛。井眼中岩屑运移不畅，不断沉积在环空的底边形成越来越厚的岩屑床，导致摩阻增大、蹩钻、卡钻等现象产生，严重时甚至影响钻井安全和钻进效率。因此，提高井眼清洁效率，防止和清除岩屑床是亟待解决的问题。目前主要有以下几种提高井眼清洁的方法：加大排量提高环空返速，增加钻杆转速，改善钻井液携岩性能，机械清除岩屑床等。其中，加大排量受到现场泵功率的限制，而且返速过快会过度冲刷井壁；增加钻杆转速在一定程度上可以提高井眼清洁效率，但会增加钻具风险；改善钻井液性能对携岩能力的提高有限；机械清除法包括短起下和使用井眼清洁工具。频繁的短起下钻具，会增加司钻工作量，减少纯钻时间，影响钻井效率。就现场应用情况来看，使用井眼清洁工具是一个既经济又有效的方法。这类工具的代表性产品有国外VAM公司的HydroClean高效清洁钻杆[1]，DBS公司的CBI（Cutting Bed Impeller）工具，OILSCO公司的HCS（Hole Cleaning Sub）工具[2]。本文研究了一种短节式井眼清洁工具，采用流体动力学对其流场和岩屑颗粒运移进行了数值模拟，并根据结果分析了其工作机理，为工具的设计和结构优化提供了理论依据。

1 工具的流体力学模型

1.1 物理模型

井眼清洁工具安装在钻杆上，其外形特征在于外表面布置了V型或螺旋型沟槽结构[3]。在钻具旋转过程中这些结构将作用于井筒内部环空流场，改善流动性能[4]。本文所研究的井眼清洁工具简化物理模型（见图1），工具中段有叶轮型结构，起到扰流作用，工具左右两侧具有对称的螺旋沟槽结构，起到导流作用。模型的基本几何参数如下：模型整体水平放置，工具最大外径172 mm，工具长度1 600 mm，井筒内径为215.9 mm。由于重力的作用，钻具与井筒不同轴，而是位于环空下方，设在x和y方向偏心距为10 mm。为了观察不同阶段井筒中流体状态，分别在x=30 mm，x=500 mm，x= 680 mm，x=875 mm处设置特征截面。

1.2 边界条件

入口处采用体积流量边界条件，速度为30 L/s（0.03 m3/s），钻井液密度为1.2 g/cm3；出口采用压力边界条件与环境压力保持一致；井筒内表面设为真实壁面，固定且具有粗糙度；工具转速设为0 r/min、30 r/min、60 r/min、90 r/min四种情况，具体边界条件设定（见表1）[5，6]。

图1 井眼清洁工具简化物理模型及剖面图Fig.1 Hole cleaning tools simplify physical model and sectional view

1.3 岩屑颗粒分析条件

设岩屑直径为1 mm的球形固体颗粒[7，8]，密度为2 500 kg/m3，质量流量为0.2 kg/s，初始速度为Vz= 0.2 m/s；入口处注入岩屑颗粒，在入口环形面积上均匀分布30个岩屑颗粒；出口处边界条件设为吸收，即岩屑颗粒在出口处消失；井筒内表面与工具外表面设为反射壁面，即岩屑颗粒在撞击这些表面后发生反弹，速度与方向发生变化[9]。

表1 边界条件Tab.1 Boundary conditions

图2 特征截面处流线图Fig.2 Streamlines at feature cross sections

2 数值模拟结果分析

2.1 流场分析

同一时刻四个特征截面上的流线分布（见图2）。其中，图2a为入口处（x=30 mm）流线图，图2a中流线分布比较均匀，几乎没有弯曲，属于层流流动状态，只在环空底部由于流道变窄而出现了压力梯度；图2b为前部螺旋槽处（x=500 mm）流线图，由于螺旋槽的扰动作用，流线出现弯曲，底部以及左侧出现涡流先兆；图2c为中部叶轮结构处（x=680 mm）流线图，图中出现了明显的涡流，并且可以看到工具旋转将流体抛向上侧井壁；图2d为后部螺旋槽处（x=875 mm）流线图，此处涡流得到充分发展，在旋转方向上产生较大位移，产生旋流，提高岩屑运移效率。

在螺旋槽道的作用下，环空流体明显地呈现出从小环空流向大环空的趋势。根据偏心环空流体流动特征可知，大环空处流体的轴向速度大于小环空处的轴向速度，岩屑从小环空甩到大环空之后，更容易被钻井液带走[10，11]。

2.2 岩屑颗粒运移分析

工具不同旋转速度下，岩屑在该段井筒中的运动情况（见图3）。图3a为转速0 r/min，即静止情况下，可以看到岩屑颗粒在钻井液的携带下进入井筒，由于重力的原因，运动一段距离后滑落到环空的下部，并且速度越来越小，逐渐在下井壁堆积，形成岩屑床。图3b为转速30 r/min时，由于工具对流场的扰动作用，一部分岩屑颗粒被抛向上环空，被流速较快的钻井液带走，在下井壁堆积的岩屑颗粒数量明显减少。图3c为转速60 r/min时，可以看到工具对整体流场的扰动作用已经非常充分，大部分岩屑颗粒在做旋转前进的运动。图3d为转速90 r/min时，扰动作用增强，在环空底部的颗粒运动速度也明显增加。

随着钻具旋转速度的增加，井眼清洁工具对流场扰动加大，对岩屑颗粒运移产生积极作用。取其中3个岩屑颗粒进入模型出口表面的速度VZ，即颗粒离开模型的最终速度，绘制曲线图（见图4）。总体上来说在相同的初速度条件下，随着钻具转速的增大，颗粒最终速度增大，岩屑从环空高边滑落到环空低边的距离也就越长，有利于岩屑运移。

图3 不同转速下岩屑运移图Fig.3 Cuttings migration patterns at different speeds

图4 颗粒在不同转速下进入出口表面速度VZFig.4 The particles enter the exit surface velocity VZat different rotational speeds

3 现场应用

某油田1603井，为三段制井，井眼清洁工具应用井段2 114 m～3 011 m，井眼直径215.9 mm，井斜65°。该井段为长稳斜段，从现场情况来看返屑不佳，井眼内应有一定量的岩屑堆积。根据参考文献[3]，采用有限元模型中计算的岩屑颗粒最终速度，可计算岩屑颗粒在经过工具作用以后沿井筒运动多远之后滑落到井壁下侧，也就是工具安放位置的参考距离L。

其中：α-工具的携带因子，α=1～2；β-工具的加速因子，β=流场速度增加倍率；θ-井斜角；Dh-环空直径；vh-环空返速；vsx-岩屑颗粒在井筒中的滑落速度，其计算方法在参考文献[3]中有详述。

本次现场试验，井眼清洁工具共两次入井，进尺897 m，第一趟钻下入井眼清洁工具5个，第二趟钻下入井眼清洁工具6个，根据公示计算，间隔距离100 m～150 m。井眼清洁工具最直接的功能就是破坏岩屑床，防止新的岩屑床生成，因此采用最直接的方法根据返出岩屑体积来判断工具效果。本次试验共三次收集岩屑，第一次为工具未入井之前1 759 m～1 789 m，第二次为工具下入第一趟钻2 030 m～2 060 m，第三次为工具下入第二趟钻2 955 m～2 985 m。三次分别收集岩屑体积为5.6×104cm3、2.1×104cm3、8.96×104cm3（见图5）。

图5 三趟钻收集岩屑量Fig.5 The amount of cuttings collected in three trips

对比使用前后岩屑收集体积，第二次、第三次收集岩屑量为第一次的3.75倍，1.6倍。第二次岩屑量最多，是因为上一趟钻在井眼中沉积的岩屑较多，使用井眼清洁工具后破坏了前期形成的岩屑床，返出量随即增大；第三次岩屑量也比第一次多，可见井眼清洁工具能预防新的岩屑床生成，保证岩屑顺利返出。

4 结论

（1）井眼清洁工具外形结构起导流和搅拌作用，对该井段流场产生巨大扰动，环空流体呈现从小环空向大环空流动趋势，对岩屑颗粒有加速作用，并可将沉积到底部的岩屑颗粒带离环空底边。

（2）工具旋转速度增加，对流场扰动作用加大，岩屑颗粒离开模型的最终速度增大，因此颗粒滑落距离增加，有利于岩屑携带。

（3）现场试验表明，使用井眼清洁工具后，返出岩屑量明显大于使用工具之前，证明该工具可起到破坏前期生成岩屑床，并预防新的岩屑床生成的作用。

［1］BOULET J G，SHEPHERD J A，BATHAM J，et al.Improved hole cleaning and reduced rotary torque by new external profile on drilling equipment［R］.SPE 59143，2000.

［2］AHMED R，SAGHEER M，TAKAH N，et al.Experimental studies on the effect of mechanical cleaning devices on annular cuttings concentration and applications for optimizing ERD systems［R］.SPE 134269，2010.

［3］刘小刚，范白涛，杨进，等.大斜度井岩屑床清除工具安放位置计算［J］.石油矿场机械，2016，45（3）：46-50.

［4］陈锋，等.高效岩屑床清除钻杆作用机理［J］.石油学报，2012，33（2）：298-303.

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［6］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.

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［10］宋洵成，王振飞，徐小龙，等.大位移井岩屑床危害及处理措施研究［J］.石油科技论坛，2012，31（2）：40-42.

大庆炼化开发EP300M填补中国石油生产空白

近日，大庆炼化公司成功开发出的聚丙烯新产品中熔抗冲共聚注塑料EP300M销售取得阶段性成功，产品已投入批量生产，填补了中国石油此领域的生产空白。据了解，大庆炼化EP300M产品现已成功进入华南地区高端市场，客户反映良好，产品需求广泛，地区销售公司建议大庆炼化持续排产，保障市场稳定供应。

据悉，中熔抗冲共聚注塑料EP300M是大庆炼化去年9月组织试生产的聚丙烯新产品，已通过国家CQC标志认证。此产品具有良好的抗冲性、高光泽度和耐应力，适合各类家电的生产。目前国内仅少数几家厂商具备生产EP300M的能力。大庆炼化生产的EP300M在产品光泽度等方面质地更优，具备较强的市场竞争力，已得到包括美的集团在内的国内主要家电生产商的广泛认可。

此产品市场前景广阔，仅华南地区的需求量即达18万吨/年。截至目前，大庆炼化已累计向华南地区市场供应2.79万吨。

（摘自中国石油新闻中心2016-12-27）

Hole clean tools flow field and cuttings migration numerical simulation

WU Xinyuan，ZHANG Heng，WANG Jianlong，YANG Wenling，LIU He
（Engineering Technology Research Institute BHDC，Dagang Tianjin 300280，China）

During the drilling of the extended reach well and horizontal well,often poor cuttings transportation,forming cuttings bed.Cuttings bed will lead to increased friction,limping and other complex problems,serious and even affect the safety of drilling.This paper analyzes a short-section hole cleaning tool.The flow field under eccentric rotation is simulated by CFD.The flow field disturbance mechanism of the tool is analyzed by the characteristic cross-section flow chart,velocity cloud diagram and so on.Through the calculation of multiphase flow,the movement of cuttings particles is obtained.The analysis shows that the tool has the effect of diversion and stirring on the flow field and accelerates the movement of cuttings particles.As the tool speed increases,the disturbance effect of the tool on the flow field increases,the final velocity of the cuttings particles leaving the model increases.Therefore,the distance of particle slippage increases,which is favorable for cuttings to carry.In a field test wells 1603 proved reasonable placement of multiple hole cleaning tools,the amount of cuttings produced by shaking screen increased obviously.The volume of cuttings collected in thelast two times was 3.75 times and 1.6 times as before.

hole clean；cuttings migration；extended reach well；horizontal well；numerical simulation

TE927

A

1673-5285（2017）01-0073-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.022

2016－11-02

吴欣袁，男（1981-），四川宜宾人，博士研究生，高级工程师，主要从事井下工具研发工作，邮箱：bhzt_wxy@163.com。