随钻用流道转换接头损伤规律研究及改进方法

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( 中海油田服务股份有限公司 油田技术事业部，河北 燕郊 065201)①

20世纪80年代末，随着大斜度井、水平井钻井作业活跃，特殊地质环境(膨胀粘土或高压地层)钻井开发，传统的电缆测井困难、风险大，以致不能进行测井作业，随钻测井技术顺势得到迅速发展[1]。21世纪初，国外随钻测井技术发展已比较成熟，并大规模得到应用；国内则处于起步阶段，面临着各种未知的挑战[2]。

随钻测井就是随钻测井仪器连接钻具，进行边钻边测。随钻测井仪器的机械部件主要包括钻铤外壳、电路骨架以及流道转换接头。流道转换接头的主要作用是连接钻铤内部各电路骨架，实现仪器电路的信号接收发送和数据传输。主要特点是钻井液流经流道转换接头时，流体通道截面会发生变换。正因如此，会造成钻井液对转换接头的冲蚀损坏，更严重的情况是转换接头发生断裂，造成测井作业失败，浪费了大量人力财力。因此，笔者以某类型随钻仪器的流道转换接头为研究对象，结合现场试验的损伤情况，应用计算流体动力学(CFD)技术，研究钻井过程中钻井液对流道转换接头的损伤规律和原因，并以此提出可靠有效的改进方法。

1 损伤检测

2013-10，该随钻仪器在新疆KY-12井进行测井试验。钻井液为KCI聚合物体系。钻井工程参数中的泵排量为1 800～2 000 L/min，空气包压力初选值为3.5 MPa(立管压力的31%～42%)，实际立管工作压力为3～15 MPa。随钻仪器泥浆循环累积时间约为50 h。随钻测井作业完成后，对流道转换接头进行损伤检测。通过对接头损伤情况的观测和测量，发现流道转换接头的破坏现象和主要位置。

1) 接头转换背面的金属台阶损伤现象严重，主要表现为凹坑，损伤面积大，呈现弧形状，如图1。

图1 损伤形状

2) 整个金属台阶损伤最为严重位置在接头转换背面的金属台阶的中间处，损伤区域的长度45 mm，宽度5 mm，最大凹坑深度为3 mm，如图2。

从检测结果可以看出，流道转换接头的损伤情况异常严重，对后续的测井使用带来巨大的安全隐患。因此，研究流道转换接头的损伤规律和改进方法刻不容缓。

图2 损伤位置

初步分析随钻仪器的工作环境可知，在钻井工况下，钻井液高速连续的经过流道转换接头内的流体通道，此时钻井液的流向如图3所示。由于流体域的变化，导致流体急剧收缩和扩散，造成钻井液对转换接头高频次激烈冲刷碰撞，增加了壁面的冲刷强度和磨损概率，这是转换接头损伤的主要作用形式。

1—钻铤外壳；2—流道转换接头。

2 计算模型的建立

2.1 控制方程

在随钻测井过程中，钻井液在流道转换处的流体流动属于湍流运动，且满足流体运动的质量守恒。假设钻井液不可压缩且稳态流动，则可在N-S方程基础上，运用标准κ-ε湍流模型，计算流体的连续性方程和动量守恒方程[3-5]。

连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表现形式，在直角坐标系下表示如下：

(1)

式中：Vx，Vy，Vz是速度矢量V在x、y和z轴方向的分量，t是时间，ρ是密度。

常用的湍流求解模型是标准k-ε湍流模型[6-7]。该模型需要求解湍动能κ方程和耗散率ε方程，具体方程如下：

湍动能κ方程：

(2)

耗散率ε方程：

(3)

2.2 流体域及网格模型

流体域即为流体经过的空间域，如图3所示，流道转换接头与钻铤共同组成钻井液在此处的流体域。根据相关部件的现有尺寸，建立钻井液的流体域模型；利用网格划分软件，对流体域进行网格划分，得到非结构网格，增加流体域边界层网格划分，如图4所示。

2.3 边界条件

本文采用的钻井液密度为1 080 kg/m3，与时间无关的纯粘性非牛顿流体，剪切速率为100～10 000 s-1的中高速梯度的宾汉流变模式作为模拟钻井液流体的本构方程。选定τ0=3 Pa，η=0.012 Pa·s作为宾汉流变模式的极限动切应力和塑性黏度[8-9]。进口边界采用质量流量入口，钻井液的质量流量为40 kg/s；出口边界采用压力出口，设定压力为30 MPa；壁面条件为采用光滑，无滑移的壁面边界；流体域的重力加速度方向设定为流体的运动方向，加速度大小为9.8 m/s2。

图4 流体网格模型

3 数值模拟

3.1 冲蚀分析

图5为流道转换接头处内部钻井液在不同视角的速度流线图。由图5可知，钻井液的最大冲蚀速度为26.6 m/s，最易冲蚀区域集中在流道截面变化处与流道内表面，冲蚀区域I的冲蚀程度比冲蚀区域II严重，冲蚀区域如图6所示。从速度流线的轨迹来看，在流道截面变化处(冲蚀区域I与II交界处)产生速度回流区，增强对该区域的冲蚀效果。

图5 钻井液正面、侧面与背面流线

图6 冲蚀区域

3.2 腐蚀分析

新疆KY-12井试验所采用的钻井液体系为KCI聚合物体系，钻井液含有盐或复盐、处理剂等微量元素，钻井液pH值为8～9，同时考虑地层温度与压力的影响。因此，现场试验中钻井液对钻具的腐蚀是普遍存在现象[10-11]。

图7为钻井液在离台阶面上不同距离水平面内的速度云图与矢量图。由图可知，因结构对称，钻井液速度分布呈对称分布；在不同水平面上，钻井液最大速度为25.8 m/s，出现在流道截面变化处；并且离台阶面越近，截面变化处出现流体低速涡流现象；在前端台阶中间区域，钻井液速度接近于0 m/s，并由中间向两侧低速流动。

图7 钻井液水平面内速度云图与矢量图

图8是钻井液壁面处的速度变化曲线，其中壁面是指从入口到前端台阶中间处的壁面。在靠近前端台阶，钻井液在离壁面1、2、3 mm处的速度均为0～2 m/s，此速度在z方向上分布65～86 mm处，此处为前端台阶中间区域。

图8 钻井液壁面速度

由此可见，钻井液在前端台阶中间区域的流动性弱，出现钻井液长时间在此区域聚集不流动的情况。同时，因钻井液的电化学腐蚀作用[12]，造成前端台阶中间出现严重的腐蚀现象，腐蚀最严重区域如图9所示，与现场检测结果一致。

图9 腐蚀区域

4 改进方法

本文以保证钻井与测井安全为首要目的，根据上述对流道转换接头冲蚀规律与腐蚀原因的分析，选用合适的加工原材料，改进流道转换接头的结构设计与加工工艺，延长其使用寿命，具体采用如下方法：

1) 流道转换接头应选用在高温情况下(700 ℃)具有高抗拉、疲劳、抗蠕变和断裂强度的合金钢(INCONLE 718)，同时在高低温环境下具有极好的耐应力腐蚀开裂和点蚀特性，并且易于加工。

2) 流道转换接头的内部流道采用线切割工艺加工，严禁整体铸造成型。

3) 流道转换接头易冲蚀和腐蚀的区域，采用喷丸工艺处理，如图10所示，减小金属表面加工裂纹，并且金属表面增加防腐工艺处理。

4) 改进流道转换接头的结构设计，增加流体通道数量，减少钻井液在转接处的聚集范围，增强钻井液在聚集区域的流动性，新结构如图11所示。

5) 流道转换接头是测井仪器中的易损件，作业完成后，需及时保养，发现问题需及时更换，保证后续作业正常。

图10 流道转换接头喷丸处理

图11 流道转换接头的结构改进

5 结论

1) 对新疆某油田随钻测井试验后的流道转换接头进行损伤检测，发现其背面金属台阶的中间位置存在严重的破坏，对随钻测井构成巨大安全隐患，急需对其进行改进，确保作业安全。

2) 应用CFD数值模拟技术，研究流体转换接头的冲蚀规律与腐蚀原因。发现流道转换接头的截面变化处与流道内表面最容易被冲蚀，背面金属台阶的中间位置腐蚀现象最为严重，与损伤检测结果一致。

3) 选用合适的加工原材料与制造工艺，采用喷丸处理，改进结构设计以后，流道转换接头无明显损伤现象，满足现场使用要求。

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