连续管钻塞水平段铁屑运移机理研究

刘少胡，李思行，冯　定，马卫国，管　锋

(长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434023)

0　引言

近年来，水平段连续管钻磨桥塞技术使用十分广泛，尤其是在低渗透油藏的开发中。连续管以其尺寸小、无节箍、起下速度快、钻磨速度快、管柱挠性大，以及可实现边钻边冲连续作业等优点[1-2]，成为水平段高效快速钻磨桥塞的工艺技术之一。

卡钻是连续管钻塞遇到的最常见的技术难题之一，而卡钻的原因是起连续管时，不能有效地将井下钻磨的桥塞碎铁屑返出，铁屑易堆积在井下工具环空部位[3-5]。铁屑堆积容易造成螺杆卡死、钻磨工具被卡以及次生的其他事故[6-9]。

目前关于连续管现场应用及水平段岩屑运移研究较多[10-16]，而关于连续管钻塞水平段铁屑运移的研究较少。因此，有必要对连续管钻塞水平段环空偏心度、钻塞液排量、铁屑直径、钻塞液粘度和铁屑体积分数变化对运移规律的影响进行深入研究。

1　数值模型建立

1.1　控制方程

1)连续性方程

(1)

式中：ux，uy，uz分别为x,y,z等3个方向的速度分量，m/s；t为时间，s；ρ为密度， kg/m3。

2)动量方程

x,y,z等3个方向的动量方程为：

(2)

式中：p为流体微元体上的压强，Pa；τxx，τyy，τzz是因分子黏性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力τ的分量；fx，fy，fz为3个方向的单位质量力， m/s2。

3)能量方程

(3)

式中:E为流体微团的总能，J/kg；h为焓，J/kg；keff为有效热传导系数，W/(m·k)；keff=k+kt，kt为湍流热传导系数；Jj为组分j的扩散通量；Sh为包括了化学反应热的体积热源项[6]。

1.2　计算模型及边界条件

本文选用工程常用的φ127.3 mm的水平井眼为研究对象，采用文献[2]中连续管钻塞管柱串:φ60.3 mm连续管+外卡瓦连接器+双瓣式单向阀+双向震击器+液压丢手+双向加速器+井下液动马达+PDC镶齿5刀翼磨鞋，管柱串长度为100 m。井下携铁屑示意见图1。采用非均匀结构网格进行网格划分，

液固两相流从

偏心环空入口流入，入口为速度入口，出口为压力出口，井壁和连续管为无滑移固定壁面，铁屑的密度为7 800 kg/m3。

图1　连续管钻塞管柱串井下携铁屑示意Fig.1　Schematic diagram of CT drilling string carrying iron filings in the borehole

2　水平段钻塞敏感参数分析

为研究水平段钻塞液携带铁屑的敏感参数，数值计算了环空偏心度、钻塞液排量、铁屑粒径、钻塞液粘度和铁屑体积分数对铁屑运移规律的影响。

2.1　环空偏心度对铁屑运移规律的影响

为了研究偏心度对铁屑运移规律的影响，设定铁屑的体积分数为21%，入口排量为360 L/min，铁屑直径为10 mm，钻塞液粘度为20 cp。如图2所示，随着偏心距的增加，环空底部沉积的铁屑越来越多，尤其是当偏心距为30 mm时，铁屑床厚度为37 mm，铁屑床厚度超过了所允许的井眼直径的10%(井眼直径为127.3 mm)。

图2　不同环空偏心度时铁屑运移Fig.2　The iron filings transport law of different annulus eccentricity

由图3可知，随着偏心距的增加，固定床体积分数(约为90%)、移动床体积分数和悬浮铁屑体积分数基本保持不变，但固定床最低点高度急剧增加，由此可以看出，铁屑在水平段很容易积聚成床，且铁屑运移困难，若不采取措施清除铁屑床，钻塞过程极易发生连续管自锁、卡钻等事故。

2.2　排量对环空铁屑运移的影响

为了研究排量对铁屑运移规律的影响，计算时铁屑的体积分数为30%，铁屑直径为5 mm，钻塞液粘度为10 cp，偏心度为10 mm。如图4所示，随着钻塞液排量的增加，环空铁屑流速明显增大，并且环空铁屑上部流速增大速度高于下部流速增大速度。当钻塞液排量为240 L/min时，环空约40%为零速区，分析认为主要原因为环空流体的紊流强度不足以运移铁屑，因此铁屑在环空底部发生沉积。当钻塞排量增大时，环空流体的紊流强度增大，铁屑速度增大，铁屑沉积现象得到改善。

图3　环空偏心度对铁屑运移规律的影响曲线Fig.3　The curve of annulus eccentricity on the effect of iron filings transport rule

图4　水平段铁屑环空速度Fig.4　The annulus velocity of iron filings in horizontal well

由图5可知，随着钻塞液排量增大，固定床的高度迅速下降并且移动床铁屑体积分数也有所提高。较大排量钻塞液形成冲击湍流速度较高，钻塞液的冲击携带力增强，铁屑床更易被破坏，以及铁屑易被运走。当入口排量为480 L/min时，环空铁屑床高度小于10 mm，在所允许的高度范围内(允许高度为小于12.7 mm)。由此得出提高钻塞液排量可预防铁屑沉降和破坏铁屑床。

图5　排量对铁屑运移规律的影响曲线Fig.5　The curve of displacement on the effect of iron filings transport law

2.3　钻塞液粘度对环空铁屑运移的影响

为了研究钻塞液粘度对铁屑运移规律的影响，计算时铁屑体积分数为21%，入口排量为360 L/min，铁屑直径为10 mm。如图6所示，随着钻塞液粘度的增大，沉积在环空底部的铁屑由于钻塞液的粘滞作用被带起，以及引起移动铁屑的体积分数开始增加，同时由图可以看出沉积在环空底部的固定床的高度随着钻塞液粘度的增大而逐渐减小。由此可见，增加钻塞液粘度有利于启动沉积的铁屑，减轻铁屑沉降的程度，更加容易将铁屑从井中携带出来，从而保持井内清洁。

图6　粘度对铁屑运移规律的影响曲线Fig.6　The curve of viscosity on the effect of iron filings transport law

2.4　铁屑粒径对铁屑运移规律的影响

为了研究铁屑直径对铁屑运移规律的影响，初始条件设置铁屑的体积分数为21%，入口排量为360 L/min，偏心度为10 mm，钻塞液粘度为10 cp。如图7所示，随着铁屑粒径的增大，固定床高度迅速升高，当粒径由10 mm增大到15 mm，固定床高度变化幅度减小，说明当粒径达到10 mm后，钻塞液的携带力已经不足以携带起沉积在环空底部的铁屑；并且随着铁屑粒径的增大，移动铁屑逐渐向环空底部沉积，移动床的铁屑体积分数迅速下降，此时铁屑主要以固定床和少量移动床的形式存在。为此，为控制铁屑粒径，便于铁屑更易排出，建议低钻压高扭矩钻磨。

图7　铁屑粒径对铁屑运移规律的影响曲线Fig.7　The curve of iron diameter on the influence of iron filings transport rule

2.5　铁屑体积分数对铁屑运移规律的影响

为了研究铁屑体积分数对铁屑运移规律的影响，现在确定入口排量为240 L/min，铁屑直径为5 mm，钻塞液粘度为10 cp，偏心度为10 mm。如图8所示，随着铁屑入口体积分数的增大，固定床高度发生了缓慢升高、迅速升高及基本保持不变的变化趋势。分析认为，当铁屑体积分数较小时，铁屑颗粒表面受到较大的钻塞液冲击携带力而被携带走，当体积分数逐渐升高，铁屑颗粒之间的曳力逐渐增大，钻塞液的携带力已经不足以将铁屑携带出环空，当铁屑体积分数继续升高后，环空底部已经被铁屑颗粒完全充满，所以固定床高度基本保持不变。并且随着铁屑体积分数的增大，移动的铁屑逐渐向环空底部沉积，移动床体积分数缓慢减少，铁屑颗粒主要以固定床和少量移动床的形式存在。

图8　铁屑体积分数对铁屑运移规律的影响曲线Fig.8　The curve of iron filings volume fraction on the influence of iron filings transport rule

3　结论与建议

1)数值计算结果表明钻塞液排量、钻塞液粘度、铁屑粒径和铁屑体积分数均为影响环空铁屑运移的敏感参数。

2)根据计算结果建议控制铁屑粒径在5 mm左右，采取相关措施使铁屑体积分数在12%左右，根据工况适当选择较大的钻塞液排量和钻塞液粘度，以提高铁屑的运移效率。

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