清除岩屑床钻杆接头设计与数值模拟研究

屈文涛， 郭怡潇， 李桂变， 胡海燕

(1西安石油大学机械工程学院 2中国石油集团测井有限公司随钻测井中心 3中国兵器一机集团山西风雷钻具有限公司)

研究表明，井斜角大于40°时容易形成岩屑床，影响钻井液的正常循环，导致蹩泵、蹩钻甚至出现卡钻现象[1]。改进钻井液性能、提高环空返速、提高钻具转速及短起下等控制方法具有一定的清除效果[2-3]，但受到钻井泵功率、钻井作业设计参数及物资成本等影响，岩屑床清除效果并不理想。

近年来，井眼清除工具在欧美钻井服务公司中已经进入到商业化应用阶段，如VAM公司开发的Hydro CleanTM系列钻杆[4-6]，DBS公司研发的Cuttings Bed Impeller 等清除工具[7-8]。国内也开展了相关研究，如海隆石油管材研究所研发的EHCDP岩屑床清除钻杆[9]、胜利石油管理局的V型流道清除工具[2]。本文为评价市场在用的2种清除岩屑床钻杆接头螺旋槽结构对流场的扰动效果，通过计算流体动力学(CFD)技术进行了环空流场数值模拟研究。

一、清除钻杆结构及工作原理

1. 结构特性

两种岩屑床清除钻杆结构如图1、图2所示，A型清除钻杆在加重钻杆外壁均布3组变螺距变截面螺旋槽，组成上部的扶正支撑区和下部的流动清洗区，上部螺旋槽具有更大的螺旋角并嵌有硬质合金耐磨片，与井壁接触起到扶正所用，下部螺旋槽主要为钻井液提升动力和导向；B型清除钻杆在加重钻杆外壁均布3组双螺旋槽流道，设计有环形耐磨带，上部螺旋槽流道螺旋角大于下部螺旋槽，两者交错分布。

图1 A型岩屑床清除钻杆及螺旋槽结构

图2 B型岩屑床清除钻杆及螺旋槽结构

两种清除钻杆规格参数如表1所示，通过新型热处理工艺提升材料特性，使清除钻杆具有高强度和高韧性，既确保井壁不被破坏，又能保证清除岩屑效果。

表1 清除钻杆规格参数

2. 工作原理

两种岩屑床清除钻杆的工作原理基本相同，如图1所示，通过设计不同螺旋角的螺旋槽，首先对岩屑床产生主动挖掘破坏作用，其次钻井液通过下部螺旋槽时，在周围环空产生扰动，正边缘角处压力高，负边缘角处压力低，产生的压力差会将岩屑吸至螺旋槽内侧而脱离井底岩屑床，实现岩屑床清除。

二、流场模型建立及数值模拟

1. 边界条件

为了明确对比两种流道对环空钻井液流动特性的影响，各提取其中一个螺旋段进行数值模拟，分别建立流场计算模型，选用Ø140 mm规格清除钻杆，钻具偏心度0.5，井斜角为45°，井眼直径为245 mm。定义边界条件如图3中a和b所示，设置流场入口为速度入口，出口为压力出口，井壁为固定墙壁，钻杆及螺旋槽表面为轴向旋转，携带岩屑的钻井液由底部进入计算流域，经过清除钻杆与井壁环空由顶部排出。

图 3 两种清除钻杆物理模型

2. 湍流模型

在湍流的工程计算中，双方程模型以其计算经济性及一定的精度被广为使用[10]。计算选用Realizable k-e湍流模型，该模型考虑了两个独立湍流量的对流、扩散及其随时间的变化，对强旋流动的计算具有较高的精度，按照Standard wall function标准壁面处理。湍动能k和耗散率e输运方程如下：

(1)

(2)

C2=1.9。

式中：ρ—钻井液密度，kg/m3；

μt—动力黏度系数，kg/(m·s)；

υ—运动黏度系数，m2/s；

Gk—由于平均速度梯度引起的湍动能产生；

Gb—由浮力引起的湍动能产生；

YM—可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；

Sk、Sε—平均变化率；

C1ε、C3ε—计算常数；

σk、σε—分别表示湍动能和耗散率湍流普朗特数。

3. 网格划分

针对此类非定常流动，本文采用滑移网格方法对计算模型进行划分，如图4所示，将螺旋槽表面的流体和外围的流体划分为两个计算域，令内部计算域进行旋转，转动部分与流体之间的相对运动引发瞬间交互效应，能够把瞬态作用考虑到计算中，因此更加接近流场的真实情况。网格采用四面体以及五面体混合单元，为了提高网格质量，设置5层边界网格，更有效的实现滑移动网格功能，提高计算精度同时减少计算时间。

图4 螺旋槽部分网格划分

4. 数值模拟计算

设置流场初始化参数如表2所示。紊流采用1阶迎风格式和SIMPLIC算法，SIMPLEC算法是SIMPLE算法的一种衍生算法，压力修正值更合适，而且能够有效地加速收敛[11]。两相流采用Eulerian模型，忽略各相密度脉动变化、颗粒相的质量脉动变化，Eulerian模型中颗粒相和液相的控制方程可以统一表达为：

(3)

式中：k—液相g和颗粒相p；

φ—物理量，如速度、温度、体积分数流体相湍流动能等；

Ψφk—各相自身的源相以及不同相之间的质量、动量的相互交换。

表2 流场参数设置

图5 轴向速度计算结果对比

三、结果分析

1. 轴向速度对比

根据模型初始坐标系定义，轴向速度为X向速度，两种螺旋槽轴向速度对比结果如图5所示，钻井液在两种螺旋槽部位轴向速度均有所提升，且在螺旋槽周围均产生涡流，但是A型螺旋槽流域最大轴向速度达到3.61 m/s，截面处速度矢量方向一致性较好，钻井液通过螺旋槽后在上方仍保持约2.5 m/s 的轴向平均流速；B型螺旋槽截面的速度矢量比较发散，最大轴向速度3.12 m/s，通过螺旋槽后轴向速度衰减较大。

为了更加准确的比较钻井液在两种螺旋槽处的流动特性，将速度采集截面设置在上部螺旋槽流出面，在环空流域偏心段大环空区域和小环空区域自上而下依次取1～10个点作为数据采集点，如图6所示。

图6 螺旋截面采样点示意图

图7 轴向速度采样对比

提取钻井液轴向速度变化对比曲线如图7所示。可以看出钻井液在A型螺旋槽周围的轴向速度整体大于B型螺旋槽，且在大环空中部(采样点2)轴向速度最大；B型螺旋槽在井眼壁面(采样点1、10)处钻井液受流体黏性作用，轴向速度有所降低，而通过A型螺旋槽的钻井液在小环空壁面(采样点10)速度增大，说明对井壁岩屑冲刷效果更好。

2. 切向速度对比

分别对Z向和Y向10个采样点取速度合成得到切向速度采集对比，如图8所示。可以看出，A型螺旋槽的切向速度波动比较大，在6～10点(下井壁)的绝对速度达到最大，这对于沉积在井眼低边的岩屑能够形成有效的冲刷；B型螺旋槽的速度波动幅度相对较小，原因主要是钻井液经过螺旋槽后的涡流受耐磨带干涉，影响了涡流的一致性。

图8 切向速度采样对比

3. 动压力对比

动压力是钻井液在螺旋槽处产生动能的体现，提取螺旋槽截面10个采样点的动压力对比曲线，如图9所示，两种结构在环空低边(采样点6)压力损失最大，且均形成低压区，有利于岩屑卷入螺旋槽道。A型螺旋槽在靠近井壁处(1、10采样点)钻井液的动压力较大，钻井液在井眼环空壁面附近具有更大的动能，能够更有效的对岩屑床进行携带清除。

图9 动压力采样对比

四、结论

(1)两种清除岩屑床钻杆接头的螺旋槽流道结构在钻具旋转时，均能对钻井液产生强烈的造涡作用，改变了偏心环空流体的流动特性，增大了流场的湍流强度，使钻井液从小环空往大环空运动时，将岩屑卷入螺旋槽道中，利用钻杆转动所产生的离心力将岩屑旋入速度较高的大环空，实现高效清除岩屑床的作用。

(2)计算结果表明，受螺旋槽流道结构影响，环空流场速度矢量均呈现旋流分布。A型螺旋槽附近能够产生更大的涡流，使钻井液通过螺旋槽后仍保持近2倍入口速度的轴向速度；同时A型螺旋槽造成的切向速度波动量及平均动压力均大于B型螺旋槽结构，认为A型清除钻杆相比于B型清除钻杆能够更有效对井眼环空的沉积岩屑进行冲刷、携带；但设计有环形耐磨带的B型清除钻杆能够对井壁和螺旋槽本体起到更好的保护。

(3)在定向井清除岩屑床问题中，合理使用井眼清除工具相比与常规的钻井工艺参数调整方式，具有更好的清除效果和灵活的操控性，有效减少了开发成本，提高开采效率。