大位移井巖屑清潔工具仿真分析

吳百川，余文濤，鐘 震

(油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室，長(zhǎng)江大學(xué)(武漢校區(qū)) 石油工程學(xué)院，武漢 430100)

在定向井鉆井作業(yè)中，巖屑易在大斜度井段堆積，形成巖屑床，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低，井下卡鉆事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響鉆井安全與工作效率。一般認(rèn)為，影響巖屑床堆積的因素包括環(huán)空流速、鉆井液流變性、井斜角[1]，單純依靠某一因素解決巖屑床問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在一定局限性。本文在對(duì)現(xiàn)有巖屑床清潔工具分析的基礎(chǔ)上，將不同形狀巖屑清理工具的井眼清洗能力進(jìn)行對(duì)比。所得結(jié)論可為巖石清理工具的研制和應(yīng)用提供理論支持。

1 巖屑清潔工具在冀東油區(qū)的應(yīng)用簡(jiǎn)介

冀東油田受海灘區(qū)域影響，油藏勘探開(kāi)發(fā)以大斜度井及大位移井為主。為解決巖屑床在大斜度井鉆井施工中引起的摩阻增大、蹩泵、卡鉆等井下事故，設(shè)計(jì)并應(yīng)用了“V”型巖屑清理工具和螺旋型巖屑清理工具，破壞巖屑床，并提高巖屑的環(huán)空返速[2]。

冀東油區(qū)某試驗(yàn)井應(yīng)用“V”型清潔工具清理巖屑床，由表1數(shù)據(jù)可知，最大井深4 385 m，設(shè)計(jì)最大井斜60.8°。實(shí)際鉆進(jìn)中，鉆至3195 m井深，井斜達(dá)到45°，巖屑上返量明顯減少，摩阻增大。相鄰井完鉆時(shí)上提摩阻為700 kN，試驗(yàn)井完鉆時(shí)上提摩阻為600 kN。對(duì)比相鄰井的泵壓，試驗(yàn)井泵壓比相鄰井降低42%。

表1 試驗(yàn)井井眼清潔工具現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)與鄰井對(duì)比情況

從圖1的鉆時(shí)數(shù)據(jù)分析可以看出，工具進(jìn)尺1 100 m，平均鉆速21.19 m/h，與鄰井平均機(jī)械鉆速(9.41 m/h)相比提高120%。

圖1 試驗(yàn)井與鄰井鉆時(shí)數(shù)據(jù)

通過(guò)摩阻轉(zhuǎn)矩以及平均鉆速可以看出，“V”型清潔工具下入后起到了降摩減扭的作用，說(shuō)明井底巖屑清除效果較好。

2 巖屑清潔工具工作原理和力學(xué)仿真分析

2.1 巖屑清潔工具工作原理

螺旋型巖屑清理工具(如圖2)的旋轉(zhuǎn)使鉆井液在原來(lái)流速的基礎(chǔ)上產(chǎn)生軸向和切向的附加速度。螺旋槽道的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生漩渦，漩渦具有較大的能量，促使更多沉降在下環(huán)空低速區(qū)的巖屑顆粒進(jìn)入上環(huán)空高速區(qū)。

圖2 螺旋型巖屑清理工具結(jié)構(gòu)

“V”型工具(如圖3)在正常鉆進(jìn)時(shí)，由于脖頸外徑的突降，環(huán)空泥漿會(huì)對(duì)巖屑床起到松動(dòng)作用。同時(shí)，“V”型槽隨鉆桿旋轉(zhuǎn)，使泥漿產(chǎn)生劇烈的湍流，并影響附近環(huán)空的流體，這可以有效預(yù)防井段內(nèi)巖屑顆粒的沉降(水力作用)。另一方面，可以對(duì)已經(jīng)形成的巖屑床顆粒進(jìn)行攪動(dòng)，攪動(dòng)起的巖屑顆粒被螺旋槽捕獲，然后被帶入到具有較高泥漿速度的懸浮層，運(yùn)送至更遠(yuǎn)的距離，繼而保證鉆進(jìn)的順利進(jìn)行[3-5]。

圖3 “V” 巖屑清理工具結(jié)構(gòu)

2.2 井眼清潔工具力學(xué)仿真

運(yùn)用ANSYS Workbench有限元軟件對(duì)不同種類井眼清潔工具進(jìn)行靜力學(xué)仿真。工具采用40CrNiMo材料，屈服強(qiáng)度為931 MPa[6-7]。采用懸臂梁模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，靠近井底一端固定，靠近井口一端施加40 000 N·m的轉(zhuǎn)矩和700 kN的軸向拉力。

模擬不同種類井眼清潔工具在外力作用下的工況，由圖4可知，井眼清潔工具最大等效應(yīng)力位置均在清潔器與桿體的過(guò)渡截面上，其中五槽道螺旋清潔工具的最大等效應(yīng)力為258 MPa，六槽道清潔工具的最大等效應(yīng)力為292.68 MPa，“V”型清潔工具的最大等效應(yīng)力為202.83 MPa。

a 五槽道螺旋工具

b 六槽道螺旋工具

c 七槽道螺旋工具

d “V”型工具

利用鉆井技術(shù)手冊(cè)提供的公式[8]，分別計(jì)算此工況下清潔工具的安全系數(shù)，其中五槽道螺旋清潔工具的安全系數(shù)為3.247，六槽道清潔工具的安全系數(shù)為2.86，七槽道清潔工具的安全系數(shù)為2.516，“V”型清潔工具的安全系數(shù)為4.148。對(duì)比螺旋型清潔工具的力學(xué)特性，“V”型清潔工具的安全系數(shù)比螺旋型清潔工具高1.28～1.64倍。

3 工具流場(chǎng)及巖屑運(yùn)移對(duì)比分析

3.1 流場(chǎng)邊界條件的設(shè)定

運(yùn)用Fluent有限元軟件對(duì)井下環(huán)空流場(chǎng)進(jìn)行模擬。由于模擬全井段巖屑運(yùn)移難以實(shí)現(xiàn)，故選取部分管柱段作為研究對(duì)象。以井深4 300 m，井斜角60°為例，對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行了如下設(shè)定：

1) 進(jìn)口條件。采用速度入口，鉆井液在入口流速垂直于邊界面。入口速度1.03 m/s。

2) 出口條件。采用壓力邊界大小與環(huán)境壓力保持一致，巖屑顆?；亓髀蕿?。

3) 壁面邊界條件。將鉆桿等設(shè)定為光滑無(wú)滑移，井壁為固定壁面，且速度滿足無(wú)滑移條件，鉆具外表面為旋轉(zhuǎn)壁面，對(duì)壁面進(jìn)行封閉。

4) 其他。鉆井液為冪律流體，稠度系數(shù)取0.45，流性指數(shù)取0.55，泥漿密度為1.2×103kg/m3。巖屑顆粒設(shè)置為球形，密度為2.6×103kg/m3，粒徑為2 mm。井眼壁面采用無(wú)滑移壁面條件。工具旋轉(zhuǎn)速度1 rad/s，巖屑床厚度為13 mm[9-11]。設(shè)定y軸負(fù)方向?yàn)橹亓?chǎng)方向，且重力加速度設(shè)定為9.81 m/s2。

3.2 內(nèi)流場(chǎng)仿真計(jì)算

3.2.1 巖屑運(yùn)移速度的計(jì)算

以“V”型清潔工具為例，改變井眼清潔工具的類型，研究不同種工具性能的影響，以表征流場(chǎng)運(yùn)移性能的運(yùn)移速度和體積系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖5為“V”型巖屑清理工具的中心位置處巖屑運(yùn)移速度分布。初始階段，脖頸外徑突降，環(huán)空中的鉆井液對(duì)巖屑床起到松動(dòng)作用，同時(shí)螺旋槽隨鉆桿旋轉(zhuǎn)引起泥漿產(chǎn)生劇烈的湍流，并影響附近環(huán)空的流體，進(jìn)一步將已經(jīng)形成的巖屑床顆粒進(jìn)行攪動(dòng)，攪動(dòng)起的巖屑顆粒被螺旋槽捕獲，最后被帶入到具有較高泥漿速度的懸浮層，并運(yùn)送至更遠(yuǎn)的距離。

圖5 “V”型巖屑清理工具的巖屑運(yùn)移速度云圖

運(yùn)用Fluent軟件計(jì)算各個(gè)清潔工具的最大巖屑運(yùn)移速度，由圖6可知，螺旋型五槽道清潔工具對(duì)巖屑運(yùn)移的速度最快，數(shù)值為2.78 m/s，比“V”型清潔工具對(duì)巖屑的運(yùn)移速度提高11.9%。將“V”型與五槽道螺旋型清巖工具對(duì)巖屑運(yùn)移的速度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，螺旋型葉片具有最強(qiáng)的造渦和保持渦流的能力，雖然“V”型槽道能夠形成兩種轉(zhuǎn)向不同的渦流，但由于水力機(jī)械對(duì)巖屑顆粒有阻礙作用，導(dǎo)致巖屑運(yùn)移速度下降，巖屑最大運(yùn)移速度為2.48 m/s，對(duì)于螺旋型槽道，巖屑顆粒在運(yùn)動(dòng)路徑上沒(méi)有阻礙作用的影響。

圖6 不同巖屑清潔工具對(duì)巖屑的運(yùn)移速度

3.2.2 巖屑體積系數(shù)的計(jì)算

通過(guò)改變巖屑粒徑，研究不同巖屑粒徑(1 mm和3 mm)下不同種工具對(duì)巖屑運(yùn)移的影響，計(jì)算10 s范圍內(nèi)巖屑體積系數(shù)的變化曲線，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同清潔工具的巖屑體積系數(shù)

巖屑沿著軸向運(yùn)動(dòng)，巖屑體積系數(shù)先減小，后增大，表現(xiàn)出類似與鉆柱轉(zhuǎn)速作用機(jī)理，即在1.5 m位置時(shí)達(dá)到最小，由于此位置是清潔設(shè)備出口，環(huán)空面積急劇增大導(dǎo)致單位體積巖屑量減少，從而使巖屑體積系數(shù)降低；從1.8 m到5.0 m位置，巖屑體積系數(shù)逐漸增大。隨著巖屑粒徑增大，巖屑體積系數(shù)逐漸增大，巖屑運(yùn)移速度逐漸減小，巖屑粒徑對(duì)巖屑運(yùn)移影響較大。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用五槽道螺旋型清潔工具在清潔大粒徑巖屑時(shí)效果最好，使用“V”型清潔工具在清潔小粒徑巖屑時(shí)效果最好。

圖8為模擬10 s后環(huán)空流體在軸向距離4 m位置處巖屑體積系數(shù)切面，巖屑粒徑為1 mm時(shí)，“V”型清潔工具的清潔能力比螺旋型清潔工具高14%，巖屑粒徑為3 mm時(shí)，V型清潔工具的清潔能力比螺旋型清潔工具低30%。

圖8 巖屑體積系數(shù)

通過(guò)改變井壁粗糙度，研究了不同井壁粗糙度(1 mm和3 mm)情況下，工具類型對(duì)巖屑運(yùn)移的影響，計(jì)算10 s范圍內(nèi)巖屑體積系數(shù)的變化曲線，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同清潔工具的巖屑體積系數(shù)

由圖9可知，巖屑沿著軸向運(yùn)動(dòng)，巖屑體積系數(shù)先減小，后增大。此外，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用“V”型工具時(shí)，流場(chǎng)中巖屑體積系數(shù)低于沒(méi)有使用螺旋型工具時(shí)流場(chǎng)中巖屑體積系數(shù)。井壁越不光滑，巖屑運(yùn)移越通暢，參數(shù)的敏感性越不明顯。

4 結(jié)論

1) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，“V”型清潔工具清理巖屑的效果顯著，使用壽命長(zhǎng)。在大位移井作業(yè)中，可以減小鉆具運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩阻、泵壓，同時(shí)可提高機(jī)械鉆速，改善井眼質(zhì)量。

2) 運(yùn)用有限元軟件計(jì)算不同類型井眼清潔工具在井下工況的受力，其中，“V”型清潔工具在同等工況下的安全系數(shù)最高，是螺旋型清潔工具的1.28～1.64倍。因此，適用于高水垂比的大位移鉆井作業(yè)。

3) 巖屑進(jìn)入工具槽道后，軸向速度會(huì)快速增大，螺旋型工具增速效果明顯強(qiáng)于“V”型工具。對(duì)比不同槽道螺旋工具可知，五槽道螺旋工具的清潔效果及對(duì)巖屑運(yùn)移的速度優(yōu)于另外兩種工具。

4) 對(duì)比分析不同巖屑粒徑下工具的清潔效果?！癡”型清潔工具適用于清潔小粒徑巖屑，六槽道螺旋型清潔工具適用于清潔大粒徑巖屑；井壁在相對(duì)粗糙時(shí)，使用“V”型工具清理巖屑的效果優(yōu)于螺旋型清潔工具。