岩屑床清除工具螺旋槽道优化设计

李 斐 魏 来 郝英状 刘禹铭 郝宙正 路飞飞 邹书强

1. 中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院, 新疆 乌鲁木齐 830011;2. 中国石化缝洞型油藏提高采收率重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830011;3. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司, 天津 300452

0 前言

因岩屑携带困难,不断沉积形成的岩屑床是大斜度、大位移定向井和水平井钻井施工过程中普遍存在的问题,岩屑床造成的憋泵、蹩钻等复杂情况会严重影响钻井安全和钻进效果,可能带来较大的经济损失[1-6],必须及时、有效地清除岩屑床。传统岩屑清除方法主要有:提高钻杆转速、环空钻井液流动速度和改善钻井液性能及机械清除等[7-13]。但是,受钻井工具的限制,提高钻杆转速可能会造成钻具失效;提高环空钻井液流动速度不仅受到钻井泵功率限制,还会造成对井壁的过度冲刷;改善钻井液性能需要较高费用,且对岩屑床清除效果的提升很有限;机械清除会加大起下钻工作量,降低工作效率。

目前,国内外学者提出在钻杆上增设螺旋槽道结构的新型水力机械井眼净化装置[14-17],槽道结构对钻井液具有搅动作用,可提高岩屑携带能力。陈锋等人[18]通过在钻杆外表面布置特殊的螺旋槽道结构,研发了一种高效岩屑床清除工具,并通过数值仿真揭示了此种结构钻杆实现岩屑清除的工作原理。余万顺等人[19-20]以三种不同螺旋槽道叶片形状(螺旋形叶片、V形叶片、直棱形叶片)的岩屑床清除工具为研究对象,研究了不同的叶片形状对岩屑床清除工具作用效果的影响规律。结果表明:三种螺旋槽道叶片形状均能有效地提高岩屑床的清除效果,但它们的流场特征却不同,在岩屑床清除效果方面,螺旋形和V形岩屑床清除工具强于直棱形。该作者通过设计不同结构参数的螺旋形岩屑床清除工具,进一步研究了叶片长度、高度和叶片数对岩屑床清除工具作用效果的影响规律。

对岩屑床清除工具的研究仍处于起步阶段,针对螺旋叶片相关结构参数(螺旋槽道长度、螺旋叶片螺距等)的研究较少。本文采用流体动力学的方法,进一步研究了岩屑床清除工具螺旋槽道相关结构参数对其清除性能的影响和规律。

1 数学模型

流体运动控制方程主要包括连续性方程、动量方程以及能量方程,其通用控制方程为[21]:

(1)

式中:t为时间变量,s;ρ为密度,kg/m3;φ为通用变量,可以代表速度分量u、v、w等求解变量,m/s;V为速度矢量,m/s;Γ为广义扩散系数;S为广义源项。式(1)各项分别对应于瞬态项、对流项、扩散项和源项。

Reynolds平均法是目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法,由于Realizable k-ε湍流模型对强旋流动计算相较于其他几种湍流模型有较高的精度,本文选用Realizable k-ε湍流模型。

2 数值计算模型

2.1 几何模型

岩屑床清除器最为主要的特征之一就是它的螺旋槽道结构,它可以改变环空流场的流动特性,对沉积在井底的岩屑产生更有力的冲刷效果,合理的槽道结构设计可以在一定程度上把岩屑导向井眼上方。图1给出了岩屑床清除工具螺旋槽道的结构示意图,L1代表第一段螺旋槽道的长度,L2代表第二段螺旋槽道的长度,P代表螺距。螺旋槽道的基本结构参数为:岩屑床清除工具的钻杆直径89 mm,叶片数5,螺旋槽道段最大外径120 mm,旋转速度60 r/min。此外,井眼直径165 mm。

图1 岩屑床清除工具模型图Fig.1 Cuttings bed remover tool model

2.2 计算区域及边界条件

岩屑床清除工具在高速旋转下会带动螺旋槽道中的流体一起旋转运动。因此,计算区域划分为旋转区域和静止区域,见图2。对于旋转区域的流动,采用多参考系模型(MRF)进行模拟。旋转区域和静止区域的流场数据通过交界面进行数据交换。

边界条件设置如下:入口设为速度入口边界,大小为0.972 m/s(对应的环空流量为15 L/s,环空截面面积为 0.015 429 m2);出口设为压力出口,表压为0 Pa;井壁(外壁面)采用无滑移固定壁面条件;钻杆外表面(内壁面)采用旋转壁面边界,旋转速度为60 r/min。

图2 计算区域图Fig.2 Computational domain

2.3 网格划分

网格划分采用四面体及六面体的混合网格类型,表面网格最大尺寸4 mm,最小尺寸0.5 mm。为了准确模拟随钻堵漏工具旋流喷嘴壁面附近的附面层流动,划分了边界层,其第一层高度为0.1 mm,增长率为1.1,共计12层,网格数量为 1 200 万,见图3。

a)表面网格a)Surface mesh

b)边界层网格b)Boundary layer mesh

3 计算结果

计算结果将从截面速度场、环空流场两个方面来阐述清除器周围的流场。首先,对螺旋槽段的形状进行了设计以及比选,之后研究了螺旋槽道段的长度比例以及螺距对岩屑清除器性能的影响。

3.1 螺旋槽道形状

图4给出了三种不同螺旋槽道形状的岩屑床清除工具的结构外形示意图,分别记为A型-简单螺旋,B型-双段螺旋,C型-直楞型螺旋。

图4 不同岩屑床清除工具结构示意图Fig.4 Schematic diagram of different structuresof cutting bed remover tool

图5给出了不同岩屑床清除工具不同横截面的速度分布情况,截面位置见图1,截面1位于入口端,截面2位于第一段螺旋槽段区域内,截面3位于第二段螺旋槽道范围内,截面4位于出口端。由图5可知，来流经过螺旋槽段后气流速度均得到不同程度的增大。

通过对比截面1可知，在相同来流条件下,三种岩屑床清除器入口端的流场分布一致,表明了三种工况计算参数设置的一致性。在截面2,B型清除工具的截面流速比A、C型清除工具截面流速低。原因在于:A型结构的第一段螺旋叶片螺距与B型相比更小,对气流的加速作用更强;而C型结构的螺旋槽道形状的截面积较小且对流体的阻碍作用小于B型,使得截面的流速更大。对于截面3而言,B型清除工具的截面流速更大,这是由于气流经过第一段螺旋槽道加速,到达第二段螺旋槽道后气流通过的截面面积改变且受到第二段螺旋叶片的引导作用,速度得到进一步的增大;而A、C型结构由于第一段与第二段螺旋槽道结构相同,截面2与截面3的流速分布一致。对比截面4可知，由于气流通过面积增大,气流速度会有一定程度的减小。由于B型结构在截面3处的流速更大,因此在出口端截面4,B型清除工具的截面速度场分布更大。综上所述,B型-双段螺旋结构的岩屑床清除工具的性能优于A型-简单螺旋和C型-直楞型螺旋结构的岩屑床清除工具的性能。

3.2 螺旋槽道长度比例

针对性能较好的B型-双段螺旋结构,进一步研究双段螺旋槽段长度比例对岩屑床清除工具性能的影响。为对比两段螺旋槽道长度比例对岩屑清除器性能的影响,建立了四种不同长度比例的计算模型,见图6。最关注的指标是截面速度场分布,由于截面1与截面2速度场分布的对比性较弱,图7仅给出了截面3与截面4的速度场对比结果。由图7可知，在螺旋槽道总长不变的情况下,增大第二段螺旋槽道的长度,出口端截面4的速度有所增大,当继续增大时,出口端截面的速度变化很小。在第二段螺旋槽道长度对出口截面的影响较小的范围内,考虑整体螺旋段旋转摩阻越小越好,优选L1/L2=1.4的工况。

图5 不同岩屑床清除工具的截面速度场分布图Fig.5 Cross section velocity field distribution of different cuttings bed remover tools

图6 不同螺旋槽道长度比例模型图Fig.6 Different proportions of spiral channel length

图7 螺旋槽道长度比例对速度场的影响图Fig.7 Effect of spiral channel length ratio on velocity field

3.3 第一段螺旋槽道叶片螺距

下面研究螺旋槽段的叶片螺距对双段螺旋型清除工具性能的影响,设计了四种第一段螺旋叶片螺距不同的清除工具进行对比分析,见图8。图9给出了不同工况下,计算区域截面2与截面4的速度分布。由图9可知，第一段螺旋槽道的叶片螺距对岩屑床清除工具的性能影响较小。

图8 第一段螺旋槽道不同叶片螺距的清除工具对比图Fig.8 Removers of different pitch of the first spiral channel

3.4 第二段螺旋槽道叶片螺距

图10给出了四种第二段叶片螺距不同的清除工具结构。其速度场分布见图11。由图11可知，第二段螺旋槽道的螺旋型叶片螺距的影响大于第一段。在螺旋叶片数以及螺旋槽道长度不变的情况下,第二段螺旋槽道的叶片螺距越小,出口截面的速度更大,更有利于岩屑床清除工具的岩屑清除。

图9 第一段螺旋槽道叶片螺距对速度场的影响图Fig.9 Effect of different pitch of the first spiral channel on velocity field

图10 第二段螺旋槽道不同叶片螺距的清除工具结构图Fig.10 Removers of different pitch of the second spiral channel

图11 第二段螺旋槽道叶片螺距对速度场的影响图Fig.11 Effect of different pitch of the second spiral channel on velocity field

图12进一步给出了基于Q准则以速度着色的环空流场的涡量等值面图。由图12可知，第二段螺旋槽道的叶片螺距为50 mm时与其他工况对比,钻杆以及环空流场产生的涡量更大,更有利于带动岩屑做旋转运动把岩屑导向井眼上方。

图12 基于Q-准则的涡量等值面图Fig.12 Vorticity isosurface map based on Q-criterion

4 结论

1)螺旋槽道形状对岩屑清除工具的性能有很大的影响,通过对三种不同螺旋槽道形状的岩屑清除工具的流场进行对比分析,结果表明:双段螺旋型结构的性能优于简单螺旋和直楞型结构的岩屑清除工具。

2)双段螺旋槽道结构的岩屑清除工具的性能受两段螺旋槽道长度比例、第一段以及第二段螺旋叶片的螺距影响。在螺旋槽道总长不变的情况下,适当增大第二段螺旋槽道的长度,有利于提高其性能;第一段螺旋叶片的螺距对岩屑床清除工具的性能影响较小;第二段螺旋叶片的螺距对岩屑床清除工具的性能影响较大,在满足结构设计的前提下,螺距越小性能越好。