清除器對(duì)水平井段巖屑運(yùn)移的影響分析

陳建民，張 棋，郭鵬增，王少磊

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東青島 266555）

清除器對(duì)水平井段巖屑運(yùn)移的影響分析

陳建民1，張 棋1，郭鵬增2，王少磊1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東青島 266555）

在水平井鉆進(jìn)過(guò)程中巖屑床的危害是巨大的，使用增大排量、倒劃眼等常規(guī)的方法很難清除巖屑床。應(yīng)用Fluent軟件分別對(duì)巖屑床清除器和光鉆桿的工作進(jìn)行了模擬，可以詳細(xì)地了解巖屑床清除器對(duì)環(huán)空流場(chǎng)的影響和巖屑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡情況，顯示此清除器在清除巖屑床和巖屑運(yùn)移方面的能力。此種巖屑床清除器不僅增加了環(huán)空流場(chǎng)的紊流度，提高了局部空間的鉆井液流速，具有水力清除巖屑床的作用，而且增大了巖屑顆粒被攜帶起來(lái)的機(jī)會(huì)。

水平井；巖屑床；螺旋清除器；分析

巖屑攜帶困難是水平井鉆進(jìn)過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)。因鉆井液不容易攜帶巖屑，在水平井段容易形成巖屑床，巖屑床的形成對(duì)水平井的鉆進(jìn)危害很大，僅靠直井井眼凈化的方法不能很好的攜帶巖屑。清除巖屑床的方法一般有：增加鉆井液的流速、提高鉆桿的轉(zhuǎn)速、改善鉆井液攜巖性能和機(jī)械清除巖屑床的方法等［1］。在巖屑運(yùn)移方面，以前科研工作者主要側(cè)重與巖屑運(yùn)移模型的建立和各影響因素對(duì)巖屑運(yùn)移規(guī)律的研究，為后來(lái)更加深入的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。后來(lái)又提出了一種新技術(shù)，即利用水力和機(jī)械作用凈化環(huán)空的裝置進(jìn)行巖屑床的破壞及運(yùn)移，因此產(chǎn)生了一些針對(duì)清除巖屑床的工具，例如國(guó)內(nèi)V形槽巖屑床清除器［2-3］，直齒翼巖屑床清除器［4］，螺旋槽道結(jié)構(gòu)的清除巖屑床的鉆桿［5］；國(guó)外的VAM公司開發(fā)的HydroClean TM系列鉆桿［6-7］，DBS公司開發(fā)的巖屑床清除器Cuttings Bed Impeller［8-9］。最近幾年科研工作者對(duì)此領(lǐng)域的研究都集中在清除巖屑床的工具研究方面，但是這些清除工具的結(jié)構(gòu)一般都比較單一，造成環(huán)空內(nèi)的旋流效果較為一般，不能達(dá)到有效清除巖屑床的效果。

本文借鑒前人的研究成果，從提高巖屑床清除效率和增加環(huán)空紊流程度的目的出發(fā)，引用了這種高效的水平井段巖屑床的清除工具［10］，并用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，較好地證明了其在攜巖效率方面的能力。

1 模型建立及工作原理

1.1 物理模型的建立

這種巖屑床清除工具如圖1，是由若干個(gè)螺旋清除器和局部加速器組合而成，螺旋清除器和局部加速器均為帶公扣、母扣的內(nèi)部貫通的圓柱形體，長(zhǎng)度分別為200 mm，螺旋清除器（?140 mm）外部均勻分布3個(gè)斜槽螺旋環(huán)（101），螺旋齒高為20 mm，在螺旋清除器后半部分設(shè)有螺旋回環(huán)（102），螺旋回環(huán)高為20 mm，所述螺旋回環(huán)采用半橢圓形設(shè)計(jì)，分布在斜槽螺旋環(huán)（101）之間。

局部加速器前端面直徑為140 mm，后端面是直徑為160 mm的圓錐體，局部加速器的直徑一端大而另一端小，小端朝向鉆頭方向，周圍均勻分布6條斜向的條形加速帶（201），條形加速帶高為20 mm。

螺旋清除器和局部加速器分別安裝于水平井鉆柱上，并由2個(gè)螺旋清除器中間安放1個(gè)局部加速器組成1組，在水平段鉆柱上每隔一定距離設(shè)置1組。

新型巖屑床清除器上的斜槽螺旋環(huán)、螺旋回環(huán)和斜向條形加速帶是其最重要的部位，環(huán)空流場(chǎng)受它的影響最大，而其他的部位對(duì)周圍流場(chǎng)的影響非常小，在此可以不考慮。用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，簡(jiǎn)化后的物理模型如圖1～4所示。

圖1 螺旋清除器和局部加速器的組合結(jié)構(gòu)

圖2 螺旋清除器A-A剖面圖

圖3 局部加速器B-B剖面圖

圖4 螺旋清除器C-C剖面圖

1.2 工作原理

本巖屑床清除工具由多個(gè)螺旋清除器和局部加速器組合而成，下入井內(nèi)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)機(jī)械和水力2個(gè)方面的作用來(lái)達(dá)到清除巖屑床的目的，并將破壞后的巖屑攜帶出水平井段。

1） 螺旋清除器上分布的曲線螺旋體和長(zhǎng)方形實(shí)體，由于其體積突出，在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中會(huì)對(duì)下井壁巖屑床進(jìn)行機(jī)械性破壞，挖掘巖屑使其脫離下井壁的巖屑床。

2） 螺旋清除器上的長(zhǎng)方形實(shí)體對(duì)鉆井液具有較強(qiáng)的重導(dǎo)向的作用，流體方向的改變會(huì)增大螺旋清除器周圍鉆井液的紊流強(qiáng)度，有利于巖屑顆粒的攜帶。

3） 局部加速器上的條形加速帶在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中攪動(dòng)兩個(gè)相鄰螺旋清除器之間的鉆井液，有效防止巖屑沉降。加速器在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中會(huì)帶動(dòng)槽中流體的轉(zhuǎn)動(dòng)，增加了泥漿的流速，流速增加的泥漿會(huì)強(qiáng)烈的沖刷周圍的巖屑。

2 參數(shù)及計(jì)算模型的選擇

2.1 參數(shù)選擇

選用139.7 mm（5 1/2英寸）鉆桿，井眼尺寸選用“4開”井眼（尺寸216 mm），計(jì)算域長(zhǎng)度為2根鉆桿的長(zhǎng)度，中間接有清除器和局部加速器，清除器和加速器長(zhǎng)度分別為200 mm，巖屑密度為2 800 kg／m3，鉆井液密度為1 500 kg／m3，黏度選用40 mPa·s，鉆井液入口速度為1.5 m／s，鉆柱、清除器和加速器的轉(zhuǎn)速為3 min／s，巖屑粒徑大小分別為0.1、0.5、1.0 cm，以左側(cè)的端面為入射面，垂直于入射面的巖屑質(zhì)量流率為0.15 kg／s。

2.2 計(jì)算模型選擇

顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡模型選用離散相模型［11］，在離散相模型設(shè)定參數(shù)時(shí)，把Max.Number of Steps設(shè)定為50 000，它代表積分顆粒軌道的迭代步數(shù)，目的是計(jì)算完整的顆粒軌道，防止顆粒進(jìn)入計(jì)算域一段距離后因迭代步已完成而終止了軌跡的計(jì)算。

本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)巖屑床清除器周圍流場(chǎng)的規(guī)律進(jìn)行研究，而數(shù)值模擬方法的運(yùn)用其中非常關(guān)鍵的一點(diǎn)就是湍流模型的選擇，計(jì)算精度高、節(jié)約計(jì)算時(shí)間、應(yīng)用簡(jiǎn)單、具有通用性，這些都是選擇湍流模型要考慮的因素，在這些湍流模型的計(jì)算過(guò)程中，κ-ε兩方程模型因?yàn)樗暮?jiǎn)單有效和方便的原因被成功的廣泛應(yīng)用。因此，本文采用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε兩方程模型。

2.3 數(shù)值求解方法選擇

求解流場(chǎng)離散方程最經(jīng)典的算法是Simple算法。后來(lái)經(jīng)過(guò)改進(jìn)出現(xiàn)了幾種著名的算法，例如Simplec、Simpler和Piso算法。在Fluent6.3版本的壓力基耦合算法中新增了Coupled算法，這種算法可以加快收斂，本文選用Coupled算法。

3 清除器流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)區(qū)域與邊界條件的處理

3.1 清除器流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)區(qū)域處理

螺旋清除器和局部加速器的旋轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)槽中流體也一起旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，槽的位置是不斷變化的，因此，需要把槽中的區(qū)域與外圍的區(qū)域分開對(duì)待，并對(duì)槽中的區(qū)域單獨(dú)處理。所以，在模擬巖屑床清除器的工作過(guò)程中存在1個(gè)問(wèn)題，即可動(dòng)區(qū)域流動(dòng)問(wèn)題的模擬。一般情況下模擬可動(dòng)區(qū)域內(nèi)流體流動(dòng)問(wèn)題有3種模型可以選擇，它們分別是多參考系模型（MRF）、混合平面模型和滑移網(wǎng)格模型。在本模擬過(guò)程中選擇滑移網(wǎng)格模型，即將槽中部分作為1個(gè)計(jì)算區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計(jì)算，選用滑移網(wǎng)格模型不同于MRF模型，此處的轉(zhuǎn)動(dòng)是真正的轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算出來(lái)的流場(chǎng)就是實(shí)際的流場(chǎng)。

3.2 計(jì)算邊界條件處理

左側(cè)入口端面選用速度進(jìn)口的邊界條件［12］，入口端面處湍動(dòng)能kin、湍動(dòng)能耗散率εin分別以下面的2個(gè)公式計(jì)算：

式中：cμ＝0.09，k＝1.42；Di為入口端面的當(dāng)量直徑，cm。

uin、vin、win分別為在入口端面處x、y、z軸方向上的速度分量。

右側(cè)出口端面選用自由出口的邊界條件，外壁面以無(wú)滑移方式處理，在Fluent模擬過(guò)程中設(shè)定wall部分應(yīng)選擇noslip選項(xiàng)，內(nèi)壁面以旋轉(zhuǎn)壁面方式處理，清除器槽的內(nèi)部區(qū)域與其周圍外部區(qū)域之間的交接面為內(nèi)壁面。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

現(xiàn)以用于?216 mm井眼的巖屑床清除器為例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。鉆井液入口流速為1.5 m／s，鉆具及清除器轉(zhuǎn)速為18.84 rad／s。因計(jì)算模型選取較合理，且網(wǎng)格劃分較密，計(jì)算收斂很快。

4.1 巖屑運(yùn)動(dòng)軌跡

以入口面作為注射面往計(jì)算域內(nèi)注射不同粒徑大小的顆粒巖屑，得到其在有清除器、加速器組合和光鉆桿條件下的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1） 在光鉆桿條件下，不同粒徑大小的巖屑顆粒在環(huán)形空間內(nèi)的流動(dòng)軌跡。

由圖5～7可以看到，粒徑為0.1 cm的巖屑從入口泵入因其粒徑較小，在鉆井液的攜帶下會(huì)充滿整個(gè)環(huán)形空間；由粒徑為0.5 cm顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可得出從入口泵入后在鉆井液攜帶下前進(jìn)一段距離后會(huì)下沉到下井壁；由粒徑為1 cm顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可以驗(yàn)證大粒徑的顆粒會(huì)下沉的更快。因此，顆粒較大的巖屑會(huì)先沉積到下井壁，粒徑較小的顆粒后沉積到下井壁，經(jīng)長(zhǎng)期的積累會(huì)形成巖屑床。

圖5 粒徑為0.1 cm的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6 粒徑為0.5 cm的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖7 粒徑為1.0 cm的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

用3種不同粒徑大小的單顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比圖可更形象地表述這3者之間的關(guān)系。從同一個(gè)注射點(diǎn)（0，0，11）往計(jì)算域內(nèi)分別注射粒徑為0.1、0.5和1.0 cm單顆粒，通過(guò)計(jì)算可以分別得出這3者的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比圖，如圖8所示。

圖8 3種顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比

2） 在清除器和加速器組合條件下，巖屑顆粒在環(huán)形空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

因鉆桿長(zhǎng)度的限制，為了更清楚地觀察到單顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，現(xiàn)截取有清除器組合的井段觀察。圖9顯示0.1 cm大小的顆粒經(jīng)過(guò)清除器組合時(shí)會(huì)改變?cè)鹊倪\(yùn)動(dòng)軌跡，增強(qiáng)此處鉆井液的紊流強(qiáng)度，下井壁的巖屑顆粒會(huì)在它的旋轉(zhuǎn)作用下被攜帶到環(huán)空的上部；而圖10顯示在光鉆桿的環(huán)形空間內(nèi)，粒徑為0.1 cm的顆粒只在光鉆桿的旋轉(zhuǎn)作用下發(fā)生輕微的繞鉆柱旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，沒(méi)有圖9所描述的高強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，下井壁的巖屑被攜帶起來(lái)的可能性很小。

圖9 有清除器和加速器組合的工況

圖10 光鉆桿條件下的工況

由圖11可見(jiàn)，當(dāng)流經(jīng)到清除器和局部加速器井段時(shí)，會(huì)在清除器組合的作用下改變運(yùn)動(dòng)軌跡，使巖屑顆粒脫離下井壁，隨鉆井液旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，防止此處巖屑床的形成。由圖12可見(jiàn)，粒徑為0.5 cm的顆粒因其重力較大的原因，在鉆井液攜帶下流經(jīng)一段距離后下沉并在鉆井液攜帶下沿著下井壁前進(jìn)。通過(guò)圖12巖屑運(yùn)動(dòng)工況還可以看出巖屑顆粒是一直沿著下井壁前進(jìn)的，雖然鉆柱是旋轉(zhuǎn)的，但是因?yàn)轭w粒較大的原因，鉆柱旋轉(zhuǎn)也不會(huì)使顆粒脫離下井壁，在某些情況下還會(huì)停留在下井壁不動(dòng)。

圖11 顆粒經(jīng)組合器的運(yùn)動(dòng)工況

圖12 顆粒在常規(guī)井眼內(nèi)的運(yùn)動(dòng)工況

用單顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可更加形象地表述清除器組合對(duì)3種粒徑顆粒的作用，從同一注射點(diǎn)（0，0，11）分別注射粒徑為0.1、0.5、1.0 cm的顆粒，得到清除器組合對(duì)這3種顆粒的效果對(duì)比圖，如圖13所示。

圖13 清除器組合對(duì)3種顆粒的作用對(duì)比

由圖13知，粒徑最小的0.1 cm的顆粒會(huì)最先被清除器組合攜帶起來(lái)，粒徑較大的0.5 cm的顆粒會(huì)后被旋轉(zhuǎn)起來(lái)，粒徑最大的1.0 cm的顆粒會(huì)被最后旋轉(zhuǎn)起來(lái)。可以推斷如果巖屑粒徑再大的顆粒會(huì)因清除器功效的限制或井眼環(huán)空尺寸的限制不會(huì)被攜帶起來(lái)，由這3種不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可以說(shuō)明粒徑越大越不容易脫離下井壁。

4.2 流線圖

圖14～15分別是光鉆桿條件下的環(huán)空流線圖和清除器組合條件下環(huán)空流線圖。

圖15為清除器組合條件下環(huán)空的流線軌跡，流體在清除器組合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)條件下產(chǎn)生了較強(qiáng)的旋流，比圖14顯示的光鉆桿條件下產(chǎn)生的流線旋轉(zhuǎn)的更強(qiáng)，這對(duì)巖屑的攜帶、清除極為有利。

圖14 光鉆桿條件下環(huán)空流線

圖15 清除器組合條件下環(huán)空流線

4.3 局部加速器的功效

局部加速器上分布的條形加速帶可以在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中挖掘巖屑床，同時(shí)攪動(dòng)2個(gè)相鄰清除器之間的鉆井液，有效防止巖屑沉降。旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的局部加速器會(huì)引起槽中的流體旋轉(zhuǎn)，使鉆井液流速增大，流速增大的鉆井液會(huì)對(duì)周圍的巖屑產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖洗。局部加速器在速度方面的體現(xiàn)。

計(jì)算所得的局部加速器的入口速度云圖和出口速度云圖如圖16～17所示，由圖可見(jiàn)，流場(chǎng)的進(jìn)口速度經(jīng)過(guò)加速器（0.5 m）后流速?gòu)?.5 m／s提高到約2.6 m／s，增加了約1.7倍。增大的流速對(duì)清除器周圍的巖屑產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖洗作用，對(duì)巖屑的攜帶和清除極為有利。

圖16 局部加速器入口速度云圖

圖17 局部加速器出口速度云圖

5 結(jié)論

1） 粒徑較大的巖屑會(huì)先沉積到下井壁，粒徑較小的顆粒會(huì)后沉積到下井壁，經(jīng)時(shí)間的積累會(huì)形成巖屑床，粒徑很小的顆粒會(huì)充滿整個(gè)環(huán)形空間，在鉆井液的攜帶下上返。

2） 小粒徑的顆粒在清除器組合的作用下繞鉆柱旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度較強(qiáng)；而小粒徑的顆粒在光鉆桿的旋轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生輕微的繞鉆柱旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。粒徑較大的顆粒在清除器組合器的作用下脫離下井壁，減少了下井壁巖屑量，但是粒徑越大越不容易脫離下井壁。

3） 鉆井液在清除器組合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)條件下產(chǎn)生了較強(qiáng)的旋流，使清除器組合處鉆井液的紊態(tài)增強(qiáng)，比光鉆桿產(chǎn)生的流線旋轉(zhuǎn)的更強(qiáng)，這對(duì)巖屑的攜帶、清除極為有利。

4） 局部加速器會(huì)使清除器組合環(huán)空井段的流速增加，增大的流速對(duì)清除器周圍的巖屑產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖洗作用。

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Impact Analysis of Cuttings Transport under Effect of Cleaners in Horizontal Well

In the process of horizontal well drilling，the harm of cuttings bed is serious，and it is not easy to remove cuttings bed by using conventional methods such as increasing delivery capacity and back ream.The working condition of cuttings bed cleaners and light pipe respectively by using fluent is simulated in this paper.More about the influence of annular flow field and the trajectories of debris particles caused by cuttings bed cleaners can be understood，showing its ability in removing cuttings beds and the cuttings migration.Not only does this kind of cutting bed cleaner increase the turbulence intensity of the annulus flow field，improve the velocity of local fluid，with the function of the hydraulic removing cuttings bed but also increase the chances of carrying up the debris particles.

horizontal well；cuttings bed；screw cleaner；analysis

TE921.201

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.006

1001-3482（2014）10-0025-06

2014-04-02

陳建民（1956-），男，江蘇泰州人，碩士生導(dǎo)師，教授，1984年畢業(yè)于北京航空學(xué)院，主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物教學(xué)和技術(shù)研究，E-mail：jmchen1956＠126.com。