鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)巖屑顆粒沖蝕的模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證

王明波，周衛(wèi)東，王瑞和

(中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266555)

鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)巖屑顆粒沖蝕的模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證

王明波，周衛(wèi)東，王瑞和

(中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266555)

針對(duì)目前鉆井工程中鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)巖屑顆粒沖蝕嚴(yán)重的現(xiàn)狀，采用數(shù)值模擬方法對(duì)鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)內(nèi)鉆井液流動(dòng)和巖屑顆粒沖蝕問(wèn)題開(kāi)展研究，并采用全尺寸鋁制試件進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模擬計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明:鉆井液進(jìn)入公接頭內(nèi)加厚區(qū)域后，流體靜壓經(jīng)歷了先增大后減小而后再增大3個(gè)階段;鉆井液從鉆桿本體進(jìn)入公接頭內(nèi)加厚區(qū)域后，流速迅速增大，在內(nèi)加厚區(qū)域內(nèi)保持了較高的數(shù)值，直至進(jìn)入母接頭后才逐步降低，且在公母接頭連接區(qū)域存在流體滯留現(xiàn)象;鉆桿過(guò)渡區(qū)內(nèi)巖屑顆粒沖蝕較嚴(yán)重的區(qū)域有公接頭入口端、公接頭內(nèi)部區(qū)域和公母接頭連接處。

鉆桿;過(guò)渡區(qū);沖蝕;數(shù)值模擬;試驗(yàn)驗(yàn)證

隨著深部地層油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的進(jìn)行，深井、超深井、大位移井等非常規(guī)鉆井技術(shù)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，而承擔(dān)傳遞扭矩、輸送鉆井液和延伸井眼等功能的鉆桿服役環(huán)境也急劇惡化，鉆桿刺槽、斷裂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅著鉆井工程的健康發(fā)展。循環(huán)使用的鉆井液中不可避免會(huì)存在一定含量的巖屑，這部分巖屑顆粒在鉆井液的攜帶下流經(jīng)鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)時(shí)會(huì)對(duì)鉆桿內(nèi)壁造成一定的沖蝕作用，導(dǎo)致鉆桿的物理、力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，這為后續(xù)的鉆桿刺槽、斷裂現(xiàn)象的發(fā)生提供了可能。中石油管材研究中心調(diào)查發(fā)現(xiàn)，70%的鉆桿事故是由鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)部位刺穿或斷裂引起的［1］。因此，研究鉆桿過(guò)渡區(qū)附近巖屑顆粒對(duì)鉆桿內(nèi)壁的沖蝕現(xiàn)象具有重要而現(xiàn)實(shí)的意義。目前，兩相流動(dòng)系統(tǒng)中固相顆粒的沖蝕作用的研究主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:一是被沖蝕的對(duì)象多是彎頭［2］、彎管［3］、流化床裝置［4］、水輪機(jī)葉片［5］等，對(duì)石油行業(yè)中鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)域的沖蝕研究較少;二是多關(guān)注于顆粒沖蝕模型的建立［6］，即根據(jù)前人已有的或者通過(guò)自己試驗(yàn)研究的結(jié)果結(jié)合理論分析和模擬研究，提出考慮各種影響沖蝕因素的顆粒沖蝕速率或者沖蝕深度關(guān)系式，這些關(guān)系式中或多或少都存在與被沖蝕材料物性參數(shù)、沖蝕顆粒物性和沖蝕環(huán)境相關(guān)的半經(jīng)驗(yàn)值，這嚴(yán)重限制了這些沖蝕模型的應(yīng)用和推廣?；谏鲜龇治觯P者對(duì)鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)域巖屑顆粒沖蝕現(xiàn)象開(kāi)展兩方面的研究:一是借鑒已有的沖蝕模型對(duì)巖屑顆粒沖蝕鉆桿內(nèi)壁現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)在于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鉆桿內(nèi)被沖蝕位置;二是對(duì)模擬研究中使用的同尺寸鉆桿試樣進(jìn)行試驗(yàn)，獲取鉆桿內(nèi)壁附近的沖蝕量，以此來(lái)驗(yàn)證模擬結(jié)果。

1 巖屑顆粒沖蝕的數(shù)值模擬

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

選取目前現(xiàn)場(chǎng)常用的127 mm外徑鉆桿為研究對(duì)象。為了保證模擬結(jié)果能夠真實(shí)反映公、母接頭附近流體參量的變化，將計(jì)算域選成包括了公、母頭連接區(qū)域在內(nèi)的較大區(qū)域。利用Gambit軟件構(gòu)建了計(jì)算域(圖1)，采用六面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)有47×104個(gè)，并且通過(guò)了計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性測(cè)試。

圖1 鉆桿沖蝕的計(jì)算域Fig.1 Calculated region of drillpipe erosion

1.2 湍流模型

模擬計(jì)算中采用工程應(yīng)用較為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型來(lái)計(jì)算流體的流動(dòng)，模型中采用的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)［7］取值如下:Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，湍動(dòng)能Prandtl數(shù)為1.0，湍動(dòng)能耗散率Prandtl數(shù)為1.3。

1.3 顆粒相的處理

上返至地面的鉆井液經(jīng)凈化裝置處理后其巖屑顆粒含量大大降低?；谶@一認(rèn)識(shí)，假設(shè)巖屑顆粒體積分?jǐn)?shù)較小，巖屑顆粒之間的碰撞幾率較小，巖屑顆粒間的相互作用力可以忽略，采用Lagrange方法對(duì)巖屑顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述，巖屑顆粒與湍流間的相互作用采用隨機(jī)軌道模型來(lái)處理。巖屑顆粒粒徑0.06 mm，密度2500 kg/m3，體積分?jǐn)?shù)2%。

1.4 邊界條件和初始條件

對(duì)圖1所示的計(jì)算域來(lái)說(shuō)，鉆井液從左邊平面處進(jìn)入計(jì)算域，經(jīng)右邊平面流出計(jì)算域，鉆桿內(nèi)壁設(shè)置為壁面邊界條件，以限制鉆井液只能在該區(qū)域內(nèi)流動(dòng)。

入口端給定鉆井液體積流量Q=30 L/s，鉆井液密度1050 kg/m3，流變模式滿足冪率流體模式，稠度系數(shù)0.22，流性指數(shù)0.69 kg·sn－2/m。入口平面上湍流強(qiáng)度(脈動(dòng)速度的均方根與時(shí)均速度的比值，等于0.16倍入口處雷諾數(shù)的－0.125次方)5.0%。出口端假設(shè)湍流充分發(fā)展，所有流動(dòng)變量在出口平面外法線方向上的擴(kuò)散通量為零［7］，即

式中，k和ε分別代表湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率。

壁面上鉆井液滿足無(wú)滑移條件，計(jì)算域近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理，壁面上三個(gè)方向的速度以及湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率都為零。

1.5 模擬結(jié)果分析

首先，分析流體靜壓的變化。鉆井液從左邊進(jìn)入計(jì)算域后，靜壓經(jīng)歷了先增大后減小而后再增大3個(gè)階段。具體來(lái)說(shuō)，在鉆桿本體和鉆桿加厚段，流體靜壓由于管柱直徑縮小，流體微團(tuán)受到管壁幾何結(jié)構(gòu)的限制，壓力升高;進(jìn)入公接頭內(nèi)(公接頭入口位置在圖1中以1標(biāo)示)時(shí)，流體的壓能部分地轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)流體的動(dòng)能，此時(shí)流體靜壓表現(xiàn)出負(fù)向減小的趨勢(shì)，這一趨勢(shì)一直延續(xù)到進(jìn)入母接頭螺紋末端(圖1中標(biāo)號(hào)2的位置);進(jìn)入母接頭大鉗卡緊區(qū)域后，流體靜壓逐步升高，流體微團(tuán)的動(dòng)能部分地又轉(zhuǎn)換回壓能，流體靜壓回升。

位置1和位置2處流體靜壓等值線非常密集，說(shuō)明該處流體靜壓變化非常劇烈，造成靜壓劇烈變化的原因是鉆柱管徑在兩位置處發(fā)生了突變，流線在此被迫發(fā)生彎曲變形。計(jì)算中將流體考慮成不可壓縮流體，根據(jù)伯努利方程，位置1和位置2處對(duì)應(yīng)的流動(dòng)參量(如流體速度)的變化也將十分明顯。同時(shí)，上述兩處?kù)o壓的顯著變化也可能會(huì)催生另外一種破壞性的現(xiàn)象——空化的產(chǎn)生。

圖2中顯示了鉆柱內(nèi)部鉆井液流速的變化情況。從圖2可以看出，鉆井液在位置1處和位置2處經(jīng)歷了速度的顯著變化，特別的，在位置2處的母接頭螺紋末端狹小空間內(nèi)部分流體發(fā)生滯留，其流速降低。

圖2 流速分布等值線圖Fig.2 Contour line of velocity distribution

綜合分析，流體在經(jīng)過(guò)公接頭入口端和母接頭入口端時(shí)受管柱內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)變化的影響，流動(dòng)參量發(fā)生了較大的變化。同時(shí)，公接頭內(nèi)部區(qū)域中因內(nèi)徑較小，鉆井液也保持了較高的流速。

對(duì)于混有固相顆粒的鉆井液多相流動(dòng)體系來(lái)說(shuō)，已有的研究結(jié)果表明，顆粒沖蝕率與壁面附近的剪切應(yīng)力分布密切相關(guān)［8］。為此，對(duì)計(jì)算域內(nèi)鉆桿內(nèi)壁上的剪切應(yīng)力進(jìn)行分析，得到剪切應(yīng)力隨鉆桿位置的變化云圖(圖3)。

圖3 鉆柱壁面上剪切應(yīng)力分布Fig.3 Shear stress distribution of drillpipe wall

從圖3可以看出，當(dāng)鉆井液從鉆柱本體進(jìn)入公接頭時(shí)，由于幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致流體質(zhì)點(diǎn)間、相鄰流體層之間摻混作用加強(qiáng)，壁面剪切應(yīng)力逐漸增大。隨著流動(dòng)的進(jìn)行，整個(gè)公接頭內(nèi)部壁面剪切應(yīng)力保持了較高的數(shù)值，當(dāng)流體進(jìn)入母接頭后，壁面附近的剪切應(yīng)力逐漸降低，到下一段鉆桿的入口(即計(jì)算域出口)處壁面附近的剪切應(yīng)力降低到較低水平。

對(duì)于混有固相顆粒的鉆井液來(lái)說(shuō)，壁面附近剪切應(yīng)力的存在對(duì)固相顆粒的運(yùn)動(dòng)影響深遠(yuǎn)。在壁面剪切應(yīng)力作用下，固相顆粒會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)方向由原來(lái)的平行于流體流線方向改變?yōu)闆_向壁面，從而造成沖蝕。壁面剪切應(yīng)力較大處，顆粒沖蝕造成的沖蝕率也較大，因此公接頭入口端、公母接頭結(jié)合處和公接頭內(nèi)部區(qū)域是整個(gè)計(jì)算域中巖屑顆粒沖蝕最可能發(fā)生的區(qū)域，也是沖蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重的區(qū)域。

圖4中顯示了流量30 L/s的情況下鉆桿內(nèi)壁巖屑顆粒的沖蝕結(jié)果。從圖4可以看到，沖蝕發(fā)生的位置主要位于公接頭入口處、公接頭內(nèi)部以及公母接頭結(jié)合處，其他位置處的沖蝕不十分明顯。

圖4 鉆桿內(nèi)壁巖屑顆粒沖蝕模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of cuttings grain erosion inside drillpipe wall

2 巖屑顆粒沖蝕試驗(yàn)

為了驗(yàn)證模擬試驗(yàn)結(jié)果，采用鋁材制作了與現(xiàn)場(chǎng)鉆桿結(jié)構(gòu)完全相同的1∶1試驗(yàn)試件，采用大排量渣漿泵在給定試驗(yàn)排量(30 L/s)下對(duì)試驗(yàn)試件進(jìn)行了24 h沖蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，鉆桿加厚過(guò)渡區(qū)內(nèi)沖蝕嚴(yán)重的位置有公接頭入口端、公接頭內(nèi)部和公母接頭連接處，其他區(qū)域沖蝕較輕。

將試驗(yàn)結(jié)果同模擬結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，二者之間存在較好的一致性但也存在差別。模擬結(jié)果中較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)到了巖屑顆粒沖蝕較嚴(yán)重的3個(gè)主要位置，但對(duì)于沖蝕量方面則存在部分偏差。模擬結(jié)果僅計(jì)算出公接頭入口處沖蝕嚴(yán)重，但對(duì)于公母接頭結(jié)合處的沖蝕量則計(jì)算值偏低。造成二者差別的原因主要有兩個(gè):一是公母接頭結(jié)合處流動(dòng)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模擬計(jì)算中對(duì)該部位的鉆井液流動(dòng)以及固相顆粒沖擊速度和沖擊角度的計(jì)算存在一定偏差;二是模擬研究中使用的沖擊角函數(shù)來(lái)自文獻(xiàn)［6］，所用的測(cè)試材料是普通鋼材，而試驗(yàn)條件為在空氣中，試驗(yàn)所采用的材料是鋁材，二者在沖蝕角函數(shù)方面存在差別。文獻(xiàn)［6］論述的是在空氣中用一定尺寸的顆粒沖擊鋁材和三氧化二鋁材料所測(cè)規(guī)律，而本文模擬和試驗(yàn)是在鉆井液環(huán)境下進(jìn)行顆粒的沖蝕作用?？諝庵蓄w粒受空氣的影響較小，即顆粒運(yùn)動(dòng)主要受顆粒本身慣性影響，而鉆井液由于密度和黏度等因素存在，顆粒除受本身慣性影響之外，還受流體黏性力的影響，因此鉆井液條件下顆粒沖蝕角對(duì)沖蝕率的影響與文獻(xiàn)［6］中應(yīng)有所不同。目前尚未有鉆井液條件下沖蝕角對(duì)沖蝕率的影響，因此本文中借用文獻(xiàn)［6］中結(jié)論開(kāi)展研究，這是導(dǎo)致試驗(yàn)與模擬結(jié)果存在差別的原因之一。

將沖蝕結(jié)果與圖3對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，模擬計(jì)算中壁面剪切應(yīng)力分布與試驗(yàn)沖蝕結(jié)果二者間存在較好的一致性?？紤]到目前各種顆粒沖蝕模型中都或多或少存在一定數(shù)目的半經(jīng)驗(yàn)值，在對(duì)巖屑顆粒沖蝕鉆桿進(jìn)行研究時(shí)可以根據(jù)壁面剪切應(yīng)力分布情況來(lái)確定沖蝕位置。

綜上所述，模擬結(jié)果準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到了鉆桿內(nèi)壁易造成沖蝕的位置，但部分位置沖蝕量結(jié)果偏小。后續(xù)研究應(yīng)從提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)流體流動(dòng)模擬精度和獲取準(zhǔn)確的沖蝕角函數(shù)的角度來(lái)開(kāi)展工作。

3 結(jié)論

(1)鉆井液進(jìn)入公接頭內(nèi)加厚區(qū)域后，流體靜壓經(jīng)歷了先增大后減小而后再增大3個(gè)階段。

(2)鉆井液從鉆桿本體進(jìn)入公接頭內(nèi)加厚區(qū)域后流速迅速增大，在內(nèi)加厚區(qū)域內(nèi)保持了較高的數(shù)值，直至進(jìn)入母接頭后才逐步降低。在公母接頭連接區(qū)域存在流體滯留現(xiàn)象。

(3)鉆桿內(nèi)部壁面剪切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果都表明，鉆桿過(guò)渡區(qū)內(nèi)巖屑顆粒沖蝕較嚴(yán)重的區(qū)域有公接頭入口端、公接頭內(nèi)部區(qū)域和公母接頭連接處。

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Numerical simulation and experimental validation of drill pipe erosion caused by cuttings grain in heavy weight transition region

WANG Ming-bo，ZHOU Wei-dong，WANG Rui-he
(College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)

Drilling fluid flow and cuttings grain erosion in heavy weight transition region inside the drill pipe were studied numerically and validated experimentally with full-scale test piece made of aluminum.The results show that the static pressure of drilling fluid increases when the fluid enters the transition section of drill pipe，and maintains at a lower level when fluid passes through the inner section of tool joint and increases when fluid enters the intersection of tool joint and tool pin.The velocity of drilling fluid increases when drilling fluid enters the transition section of drill pipe，and maintains at a higher level when fluid passes through the inner section of tool joint and decreases when fluid enters the intersection of tool joint and tool pin.The entrance section of the tool joint，the inner section of the tool joint and the intersection of the tool joint and pin are severely eroded and special attention should be paid to such locations.

drill pipe;transition region;erosion;numerical simulation;experimental validation

TE 21

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.04.016

1673-5005(2011)04-0089-04

2010－12－25

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(10CX04006A);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50974130);中國(guó)石油大學(xué)(華東)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)資助項(xiàng)目(Y070223)

王明波(1979－)，男，山東榮成人，講師，博士，主要從事石油工程相關(guān)教學(xué)與科研研究。

(編輯 修榮榮)