新型鉆桿的攜巖原理研究與數(shù)值仿真分析

王志亮，陳 錕，張 震，周旺明，黃和祥，夏成宇

（1.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州 434023；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司頁巖氣研究院，四川成都 610056；3.長(zhǎng)慶油田分公司機(jī)械制造總廠，陜西西安 710201）

頁巖氣作為一種清潔的非常規(guī)化石能源[1]，因開采壽命長(zhǎng)、污染程度低而逐漸受到關(guān)注。經(jīng)探明，川渝地區(qū)的頁巖氣儲(chǔ)量達(dá)到千億立方米級(jí)別[2-4]。隨著深層油氣資源的勘探開發(fā)，水平井及大位移井技術(shù)被廣泛應(yīng)用[5]。由于鉆探深度的逐漸增大[6]，川渝地區(qū)的水平井面臨著管柱長(zhǎng)、井徑大和巖屑運(yùn)移難等問題[7-9]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水平井內(nèi)的卡鉆事故大多是因巖屑過度堆積或井眼清潔度不夠而造成的[10-11]。當(dāng)井內(nèi)巖屑堆積到一定程度后，會(huì)產(chǎn)生高摩阻、高扭矩等問題，甚至?xí)斐摄@具斷裂等重大事故[12-13]。因此，減少水平井內(nèi)的巖屑沉降量、提高巖屑運(yùn)移速度和減少巖屑床生成仍是目前鉆井工程中急需解決的問題[14-16]。

充分了解水平井內(nèi)的巖屑運(yùn)移機(jī)理和提高巖屑運(yùn)移能力是保證井下作業(yè)安全的基礎(chǔ)[17-18]。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量關(guān)于水平井內(nèi)巖屑運(yùn)移的研究。在巖屑運(yùn)移理論分析方面，汪海閣、周風(fēng)山等[19-20]采用經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，分別建立了水平井內(nèi)巖屑運(yùn)移的經(jīng)驗(yàn)公式和半經(jīng)驗(yàn)公式，但該方法只適用于特定條件，不具有普遍適用性；Doron等[21]采用理論分析法，根據(jù)鉆井液、巖屑在水平井內(nèi)的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，建立了一種用于分析巖屑運(yùn)移規(guī)律的三層模型，但該模型未考慮鉆井液的流變性與巖屑的滾動(dòng)等，存在一定的局限性。在巖屑運(yùn)移仿真分析方面，Amanna等[22]采用CFD（computational fluid dynamics，計(jì)算流體力學(xué)）方法對(duì)水平井內(nèi)的巖屑運(yùn)移情況進(jìn)行仿真分析，研究了不同鉆井液排量、鉆桿轉(zhuǎn)速和井斜角等對(duì)巖屑運(yùn)移的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)井斜角為45°～60°時(shí)，巖屑最難清理，但該仿真分析忽略了巖屑顆粒與壁面間的碰撞、擠壓以及形變等一系列過程；王馨雪[23]將 CFD 方法與 DEM（discrete element method，離散單元法）進(jìn)行耦合[24]，并對(duì)井筒內(nèi)巖屑的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了仿真分析，該方法充分考慮了鉆井液的流變性以及巖屑與巖屑、巖屑與鉆井液和巖屑與井壁之間的相互作用，更加真實(shí)地模擬了井內(nèi)巖屑的運(yùn)移過程；段中喆[25]認(rèn)為仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于湍流模型的選擇，通過對(duì)不同湍流模型進(jìn)行詳細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮湍流漩渦時(shí)，RNG（renormalization group，重整化群）k-?模型相比于其他模型具有較高的計(jì)算精度，當(dāng)考慮旋轉(zhuǎn)流動(dòng)時(shí)，SST（shear stress transport，剪應(yīng)力運(yùn)輸）k-ω模型相比其他模型具有更高的精度與可信度。在巖屑清理裝置研究方面，吳百川等[26]通過對(duì)比分析2種巖屑清理工具的性能，得到V形工具適用于清理小粒徑巖屑，螺旋形工具適用于清理大粒徑巖屑；Puymbroeck等[27]提出了一種帶有復(fù)合型葉片的井眼清潔工具，其可有效提高巖屑的運(yùn)移效率，但其清理效果并非十分理想。

綜上所述，以往的關(guān)于水平井內(nèi)巖屑運(yùn)移的仿真研究，大多是利用CFD方法進(jìn)行仿真分析的，并將井眼環(huán)空內(nèi)的巖屑顆粒與鉆井液視作固液兩相流。此外，現(xiàn)有巖屑清理工具主要采用機(jī)械式清理方式，即利用自身的旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)鉆具周圍流場(chǎng)，通過攪動(dòng)將井眼環(huán)空底部的巖屑運(yùn)送到環(huán)空內(nèi)的流體高速區(qū)，但由于相當(dāng)一部分沒有到達(dá)高速區(qū)的巖屑會(huì)回落到井底，往往需要進(jìn)行多次清理。為了提高水平井內(nèi)的巖屑運(yùn)移能力以及巖屑運(yùn)移仿真分析的真實(shí)性，筆者設(shè)計(jì)了2種新型鉆桿（懸浮式鋁合金鉆桿和新型脈沖射流鉆桿），并對(duì)這2種新型鉆桿與普通鉆桿的結(jié)構(gòu)和攜巖原理進(jìn)行詳細(xì)分析，然后利用耦合CFD與DEM的方法對(duì)3種鉆桿的攜巖過程進(jìn)行仿真分析，并對(duì)比其攜巖能力。

1 鉆桿的結(jié)構(gòu)與攜巖原理

1.1 普通鉆桿

普通鉆桿即傳統(tǒng)鋼鉆桿，大多采用無縫鋼管制成，由鉆桿管體和接頭兩部分組成，其中鉆桿管體通過螺紋分別與公、母接頭連接。這種鉆桿能夠承受巨大的內(nèi)、外壓，彎曲和振動(dòng)等，由于其材料為鋼，其密度比一般鉆井液的密度高4倍左右。在鉆井過程中，由于自身重力大于鉆井液浮力，普通鉆桿會(huì)偏向井眼環(huán)空下部。普通鉆桿利用自身旋轉(zhuǎn)對(duì)鉆井液進(jìn)行擾動(dòng)，使其形成紊流，從而間接將能量傳遞給巖屑，以使巖屑因產(chǎn)生切向作用力和速度而向上移動(dòng)，減少了巖屑堆積；另外，鉆井液的軸向流動(dòng)會(huì)對(duì)井內(nèi)巖屑產(chǎn)生拖曳力，從而提高巖屑的軸向速度，促使巖屑上返。

1.2 懸浮式鋁合金鉆桿

懸浮式鋁合金鉆桿是一種具有可浮性的攜巖工具，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由母接頭、空心管（在裝配時(shí)通過螺紋分別與公、母接頭內(nèi)部焊接的卡盤連接）、鉆桿管體和公接頭組成。懸浮式鋁合金鉆桿整體選用鋁合金材料制成，故其質(zhì)量較小。

圖1 懸浮式鋁合金鉆桿的結(jié)構(gòu)與攜巖原理Fig.1 Structure and cuttings carrying principle of suspended aluminum alloy drill pipe

為驗(yàn)證懸浮式鋁合金鉆桿的可浮性，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析。在豎直方向上，該鉆桿的力平衡方程為：

式中：F為懸浮式鋁合金鉆桿在鉆井液中受到的總浮力，kN；Fgjt、Fmjt、Fzg和Fkxg分別為公、母接頭，鉆桿管體和空心管在鉆井液中受到的浮力，kN，其中空心管受到的浮力由鉆桿內(nèi)部的鉆井液產(chǎn)生；G為懸浮式鋁合金鉆桿的重力，kN；Ggjt、Gmjt、Gzg和Gkxg分別為公、母接頭，鉆桿管體和空心管的重力，kN；Gzjy為鉆桿內(nèi)部鉆井液的重力，kN。

為使懸浮式鋁合金鉆桿具有可浮性，須滿足：

根據(jù)實(shí)際工況，取懸浮式鋁合金鉆桿的長(zhǎng)度為8.6 m，內(nèi)、外徑分別為114 mm和140 mm；結(jié)合鉆桿尺寸，取空心管的長(zhǎng)度為9.1 m，內(nèi)、外徑分別為60 mm和70 mm；設(shè)鋁合金的密度為2 780kg/m3，鉆井液的密度為2 200kg/m3；公接頭的重力為0.102 kN，母接頭的重力為0.111 kN。將上述數(shù)值代入式（1）后計(jì)算得到F>G，驗(yàn)證了懸浮式鋁合金鉆桿具有可浮性。

在鉆井過程中，由于鉆井液的浮力作用，懸浮式鋁合金鉆桿會(huì)偏向井眼環(huán)空上部，使得環(huán)空內(nèi)的鉆井液高速區(qū)從環(huán)空上部移動(dòng)至環(huán)空下部。在高速鉆井液的作用下，沉降在井眼環(huán)空底部的巖屑的軸向速度增大，進(jìn)而提高了水平井內(nèi)的巖屑運(yùn)移能力。另外，因鉆桿旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生紊流，使得沉降在井眼環(huán)空底部的巖屑進(jìn)一步減少。

1.3 新型脈沖射流鉆桿

新型脈沖射流鉆桿是一種帶有定向噴射功能的攜巖工具，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，由公、母接頭，外套管，封隔套，滾珠軸承，橡膠圈和中心管等組成。新型脈沖射流鉆桿的主要材料為鋼，在鉆井過程中，該鉆桿在自身重力作用下會(huì)偏向井眼環(huán)空下部。當(dāng)鉆井液從新型脈沖射流鉆桿外壁上的噴嘴噴射出去后，可在鉆桿徑向上產(chǎn)生一股脈沖高速流體。由于該鉆桿的中心管兩端未通過螺紋與公、母接頭連接，在自身重力作用下，中心管不與外套管一起旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致流道與噴嘴產(chǎn)生間斷式的聯(lián)通與關(guān)閉，其噴射范圍為井眼環(huán)空底部-150°～-30°（通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到巖屑的沉降范圍為井眼環(huán)空底部-150°～-30°）。新型脈沖射流鉆桿不但可以利用定向噴射功能破壞已存在的巖屑床，還可以利用自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的紊流與鉆桿噴嘴噴射的脈沖高速流體的共同作用對(duì)已沉降的巖屑進(jìn)行攪動(dòng)，將巖屑運(yùn)移至鉆井液高速區(qū)，從而提高巖屑的運(yùn)移速度。

圖2 新型脈沖射流鉆桿的結(jié)構(gòu)與攜巖原理Fig.2 Structure and cuttings carrying principle of new pulse jet drill pipe

2 鉆桿的攜巖仿真模型建立與驗(yàn)證

2.1 流體和巖屑的控制方程

2.1.1 流體的基本控制方程

當(dāng)鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液攜帶巖屑進(jìn)入井眼環(huán)空，環(huán)空內(nèi)流體從單一液相變成了固、液兩相。在Fluent軟件中選取Eulerian多相流模型對(duì)井眼環(huán)空流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。將井眼環(huán)空流場(chǎng)視為不可壓縮的湍流流場(chǎng)，混合流體的流動(dòng)遵循流體力學(xué)中的納維-斯托克斯方程。在歐拉坐標(biāo)系中建立混合流體的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，分別為：

式中：ρl為鉆井液密度，kg/m3；αl為鉆井液體積分?jǐn)?shù)，%；Δp為鉆井液的動(dòng)量變化量，kg·m/s；vl為鉆井液速度，m/s；τl為鉆井液切應(yīng)力，Pa；Fd為鉆井液與巖屑顆粒的相互作用力，N；g為重力加速度，m/s2；Vh為巖屑顆粒h的體積，m3；V為計(jì)算單元的體積，m3；fdh為巖屑顆粒h受到的拖曳力，N；m為計(jì)算單元內(nèi)巖屑顆粒的數(shù)量。

為了提高井眼環(huán)空流場(chǎng)的計(jì)算精度，選擇SSTk-ω湍流模型，該模型在旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中有較好的應(yīng)用效果，其方程為：

式中：k為湍動(dòng)能，m2/s2；ω為湍動(dòng)耗散率，m2/s3；μ為液體動(dòng)力黏度，kg/（m·s）；μt為湍流黏度，kg/（m·s）；Gk為因?qū)恿魉俣忍荻榷a(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；Gω為因湍動(dòng)耗散而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；Yk、Yω分別為因擴(kuò)散而產(chǎn)生的湍流項(xiàng)；Dω為正交發(fā)散項(xiàng)；αk、σω分別為k方程和ω方程的湍流普朗特?cái)?shù)；Sk、Sω分別為用戶定義的源項(xiàng)。

考慮到在井眼環(huán)空內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中的混合流體滿足非牛頓流變特性，故選用冪律流體模型。冪律流體的流變方程為：

式中：η為剪切應(yīng)力，Pa；K為稠度系數(shù)，Pa·s；γ為剪切應(yīng)變率，s-1；n為流性指數(shù)。

2.1.2 巖屑的控制方程

選用DEM對(duì)井眼環(huán)空內(nèi)的巖屑運(yùn)移過程進(jìn)行分析，可有效提高攜巖流場(chǎng)的計(jì)算精度。每個(gè)運(yùn)動(dòng)的巖屑顆粒對(duì)應(yīng)1個(gè)離散單元，其動(dòng)量守恒方程為：

式中：mh為巖屑顆粒h的質(zhì)量，kg；xh為巖屑顆粒h的位移，m；ρp為巖屑密度，kg/m3；fch為巖屑顆粒h與其他巖屑顆粒以及壁面的接觸合力，N。

巖屑顆粒的角動(dòng)量守恒方程為：

式中：Tqh和Tch分別為巖屑顆粒h的切向扭矩和法向扭矩，N·m；Ih和wh分別為巖屑顆粒h的慣性張量和旋轉(zhuǎn)力矩，N·m；Tzh為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中巖屑顆粒h受到的軸向拖曳力矩，N·m。

在EDEM軟件中選擇Hertz-Mindlin模型（無滑移彈性接觸模型）來模擬巖屑顆粒與壁面間的碰撞、擠壓和形變等過程，以提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，為了保證求解的穩(wěn)定性，將CFD方法的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為DEM的20倍。

2.2 攜巖仿真模型建立

在鉆井過程中，普通鉆桿與新型脈沖射流鉆桿在重力作用下會(huì)偏向井眼環(huán)空下部，而懸浮式鋁合金鉆桿則恰好相反。為了提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)鉆桿模型設(shè)置一定的偏心度（令偏下部時(shí)為負(fù)，反之為正）。偏心度φ的計(jì)算式為：

式中：e為偏心距離，mm；Dw為井壁直徑，mm；Dn為鉆桿外徑，mm。

通過對(duì)川渝地區(qū)榮2頁巖氣井的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得到，該井現(xiàn)選用的是普通鉆桿，在實(shí)際鉆井過程中其轉(zhuǎn)速一般為70～120 r/min。由于受到井眼直徑、自身外徑與鉆鋌外徑的約束，該鉆桿在重力作用下實(shí)際偏離井眼軸線的距離約為19 mm，換算成偏心度約為-0.5?；诖?，構(gòu)建3種鉆桿的攜巖仿真模型，如圖3所示，并設(shè)3種鉆桿的轉(zhuǎn)速均為80 r/min；普通鉆桿與新型脈沖射流鉆桿的偏心度為-0.5，懸浮式鋁合金鉆桿的偏心度為0.5。

圖3 3種鉆桿的攜巖Fig.3 Cuttings carrying simulation model of three kinds of drill pipes

鑒于新型脈沖射流鉆桿含有噴嘴，而CFD軟件中沒有直接設(shè)置周期性脈沖噴射的仿真模塊，因此只能通過編寫UDF（user defined function，用戶自定義函數(shù)）來使鉆桿噴嘴處產(chǎn)生周期性脈沖噴射。UDF的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)Fluent軟件的功能進(jìn)行調(diào)整。通過加載UDF進(jìn)行仿真分析的結(jié)果具有較高的可靠性。

假設(shè)新型脈沖射流鉆桿噴嘴內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)為連續(xù)且不可壓縮，根據(jù)伯努利方程可得：

式中：ρa(bǔ)、ρb分別為噴嘴入口、出口處的流體密度（一般取ρa(bǔ)=ρb），kg/m3；va、vb分別為噴嘴入口、出口處的流體速度，m/s；pa、pb分別為噴嘴入口、出口處的壓力，MPa。

對(duì)于圓形噴嘴，基于連續(xù)性方程可得：

其中：

式中：Aa、Ab分別為噴嘴入口、出口的面積，mm2；da、db分別為噴嘴入口、出口的內(nèi)徑，mm。

聯(lián)立式（9）和式（10）可得：

由式（11）可知，噴嘴出口處流體的速度不僅與噴嘴入口、出口處的壓力有關(guān)，還與噴嘴尺寸和流體密度有關(guān)。為了使噴嘴噴射的流體速度一定，且為周期性高速脈沖流體，本文利用式（11）以及UDF來使新型脈沖射流鉆桿噴嘴噴射速度一定的高速脈沖流體，并令鉆桿每旋轉(zhuǎn)1周，噴嘴進(jìn)行0.2 s的周期性噴射。

2.3 攜巖仿真模型網(wǎng)格無關(guān)性與收斂性分析

為了提高求解速度，對(duì)普通鉆桿、懸浮式鋁合金鉆桿和新型脈沖射流鉆桿的攜巖仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：將前2種鉆桿簡(jiǎn)化為偏心長(zhǎng)直管，而新型脈沖射流鉆桿簡(jiǎn)化為偏心長(zhǎng)直管與實(shí)心小圓臺(tái)（模擬噴嘴）的組合。在對(duì)各攜巖仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，為了提高計(jì)算精度，選用六面體網(wǎng)格對(duì)偏心長(zhǎng)直管進(jìn)行劃分，選用四面體網(wǎng)格對(duì)實(shí)心小圓臺(tái)進(jìn)行劃分。為了提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，令實(shí)心小圓臺(tái)處的網(wǎng)格數(shù)不變，改變偏心長(zhǎng)直管的切向、徑向和軸向等分?jǐn)?shù)（5類網(wǎng)格劃分方式如表1所示），并對(duì)同類網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行多次仿真分析，以驗(yàn)證各仿真模型的網(wǎng)格無關(guān)性與收斂性。

表1 鉆桿攜巖仿真模型的網(wǎng)格劃分方式Table 1 Mesh generation methods of cuttings carrying simulation model of drill pipe 單位：個(gè)

通過分析不同網(wǎng)格劃分方式下3種鉆桿攜巖仿真模型的網(wǎng)格無關(guān)性與收斂性驗(yàn)證結(jié)果（見圖4至圖6）可知，基于普通鉆桿攜巖仿真模型計(jì)算得到的巖屑總質(zhì)量為7.18～7.45 kg，基于懸浮式鋁合金鉆桿攜巖仿真模型計(jì)算得到的巖屑總質(zhì)量為3.66～3.79 kg，基于新型脈沖射流鉆桿攜巖仿真模型計(jì)算得到的巖屑總質(zhì)量為2.43～2.48 kg。由此可見，這3種鉆桿攜巖仿真模型具有網(wǎng)格無關(guān)性且收斂性較好。此外，從圖中還可以看出，基于#4和#5這2種網(wǎng)格劃分方式仿真得到的巖屑總質(zhì)量的波動(dòng)較小，故下文對(duì)普通鉆桿、新型脈沖射流鉆桿攜巖仿真模型選用#4這種網(wǎng)格劃分方法，對(duì)懸浮式鋁合金鉆桿攜巖仿真模型選用#5這種網(wǎng)格劃分方法。

圖4 普通鉆桿攜巖仿真模型的網(wǎng)格無關(guān)性與收斂性驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Verification results of mesh independence and convergence of cuttings carrying simulation model of ordinary drill pipe

圖5 懸浮式鋁合金鉆桿攜巖仿真模型的網(wǎng)格無關(guān)性與收斂性驗(yàn)證結(jié)果Fig.5 Verification results of mesh independence and convergence of cuttings carrying simulation model of suspended aluminum alloy drill pipe

圖6 新型脈沖射流鉆桿攜巖仿真模型的網(wǎng)格無關(guān)性與收斂性驗(yàn)證結(jié)果Fig.6 Verification results of mesh independence and convergence of cuttings carrying simulation model of new pulsed jet drill pipe

2.4 攜巖仿真模型的準(zhǔn)確性驗(yàn)證

在室內(nèi)搭建如圖7所示的巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)裝置，以驗(yàn)證鉆桿攜巖仿真模型的準(zhǔn)確性。搭建的裝置可以模擬長(zhǎng)度為20 m的水平井段，利用手搖葫蘆與起重架來改變裝置的傾斜角度，以模擬不同井斜段的巖屑運(yùn)移情況。為了直觀地分析巖屑的運(yùn)移過程，實(shí)驗(yàn)裝置外層選用較厚的透明玻璃管。由于鉆井液容易污染環(huán)境，本文用混合液體來模擬實(shí)際鉆井液，即人為地在清水中加入黃原膠與甲酸鈉粉末，其中黃原膠可以增大流體的黏度，甲酸鈉可以增大流體的密度，從而提高實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。對(duì)川渝地區(qū)的榮2頁巖氣井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，每隔15 m進(jìn)行一次巖屑采樣，得到了4 300～4 500 m井段的巖屑粒徑分布情況，其中巖屑粒徑均小于4 mm。為分析不同粒徑巖屑的運(yùn)移過程，選用不同孔徑的篩網(wǎng)對(duì)砂礫進(jìn)行篩選并稱重，最終篩選出了4種粒徑范圍的砂礫來模擬巖屑，如圖8所示。

圖7 室內(nèi)巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7 Indoor cuttings transport device

圖8 篩選的砂礫及篩選工具Fig.8 Screened gravel and screening tools

利用搭建的巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)裝置模擬井眼直徑為215.9 mm、鉆桿外徑為139.7 mm、鉆桿轉(zhuǎn)速為80 r/min條件下的巖屑運(yùn)移過程。設(shè)新型脈沖射流鉆桿噴嘴的直徑為12 mm；鉆井液密度為2 200 kg/m3，入口排量為25 L/s；機(jī)械鉆速為5 m/h，選用3～4 mm的砂礫代替巖屑顆粒，每隔一定時(shí)間稱取鉆桿與透明玻璃管之間環(huán)空內(nèi)砂礫的質(zhì)量（動(dòng)態(tài)穩(wěn)定時(shí)的質(zhì)量）并記錄。將記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。由圖9可知，在仿真分析中，當(dāng)井眼環(huán)空內(nèi)的巖屑總質(zhì)量逐漸穩(wěn)定后，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖9 鉆桿攜巖仿真模型的準(zhǔn)確性驗(yàn)證結(jié)果Fig.9 Accuracy verification result of cuttings carrying simulation model of drill pipe

3 鉆桿攜巖能力仿真分析與對(duì)比

以川渝地區(qū)的榮2頁巖氣井為例，其井眼直徑為215.9 mm，鉆桿外徑為139.7 mm。設(shè)：懸浮式鋁合金鉆桿的偏心度為0.5，材料密度為2 780 kg/m3；普通鉆桿與新型脈沖射流鉆桿的偏心度為-0.5，材料密度為7 850 kg/m3；3種鉆桿的長(zhǎng)度為20 m，機(jī)械鉆速為5 m/h，鉆桿轉(zhuǎn)速為80 r/min；巖屑密度為2 600 kg/m3；鉆井液的密度為2 200 kg/m3，稠度系數(shù)為0.45，流性指數(shù)為0.55。運(yùn)用控制變量法，對(duì)不同巖屑粒徑、鉆井液入口排量和井斜角下3種鉆桿的攜巖能力進(jìn)行仿真分析。

定義巖屑運(yùn)移率N來表征鉆桿的攜巖能力。巖屑運(yùn)移率為已離開井眼環(huán)空的巖屑總質(zhì)量（巖屑運(yùn)移穩(wěn)定時(shí)的巖屑質(zhì)量mw減去井眼凈化后的剩余巖屑質(zhì)量ms）與巖屑運(yùn)移穩(wěn)定時(shí)的巖屑質(zhì)量之比，即

3.1 巖屑粒徑對(duì)鉆桿攜巖能力的影響

設(shè)井斜角為60°，鉆井液入口排量為30 L/s，對(duì)不同巖屑粒徑（2，3和4 mm）下3種鉆桿的攜巖能力進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，隨著巖屑粒徑的增大，井眼環(huán)空內(nèi)穩(wěn)定時(shí)的巖屑質(zhì)量與凈化后的剩余巖屑質(zhì)量均依次增大。通過計(jì)算3種鉆桿在不同巖屑粒徑下的平均巖屑運(yùn)移率得到，懸浮式鋁合金鉆桿和新型脈沖射流鉆桿的平均巖屑運(yùn)移率相比普通鉆桿分別提高了11%和2%左右。為分析新型脈沖射流鉆桿噴射的脈沖高速流體對(duì)巖屑運(yùn)移的影響，提取距離入口10 m的井眼環(huán)空截面處的巖屑體積分?jǐn)?shù)分布云圖，如圖11所示。由圖可知，隨著巖屑粒徑的增大，該截面處的巖屑體積分?jǐn)?shù)均逐漸增大，而采用新型脈沖射流鉆桿時(shí)該截面處的巖屑體積分?jǐn)?shù)及其增幅均較小，由此可見在巖屑粒徑不大于4 mm時(shí)，其噴射的脈沖高速流體可以較好地提高巖屑運(yùn)移速度。

圖10 不同巖屑粒徑下3種鉆桿的攜巖能力對(duì)比Fig.10 Comparison of cuttings carrying capacity of three kinds of drill pipes under different cuttings sizes

3.2 鉆井液入口排量對(duì)鉆桿攜巖能力的影響

鉆井液入口排量是影響鉆桿攜巖能力的關(guān)鍵因素之一，適當(dāng)提高排量有助于提高巖屑的運(yùn)移速度和井眼清潔度。設(shè)井斜角為30°，巖屑粒徑為4 mm，對(duì)不同鉆井液入口排量（25，30和35 L/s）下3種鉆桿的攜巖能力進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖12所示。從圖中可以看出，隨著鉆井液入口排量的增大，井眼環(huán)空內(nèi)穩(wěn)定時(shí)的巖屑質(zhì)量與凈化后的剩余巖屑質(zhì)量均減小。通過計(jì)算不同鉆井液入口排量下3種鉆桿的平均巖屑運(yùn)移率得到，懸浮式鋁合金鉆桿和新型脈沖射流鉆桿的平均巖屑運(yùn)移率相比普通鉆桿分別提高了13%和3%左右。為了分析新型脈沖射流鉆桿噴射的脈沖高速流體對(duì)巖屑運(yùn)移的影響，提取距離入口10 m的井眼環(huán)空截面處的巖屑體積分?jǐn)?shù)分布云圖，如圖13所示。由圖可知，隨著鉆井液入口排量的增大，巖屑體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，而采用新型脈沖射流鉆桿時(shí)該截面處的巖屑體積分?jǐn)?shù)幾乎為0，由此可見當(dāng)鉆井液入口排量大于30 L/s時(shí)，其噴射的脈沖高速流體可以較好地提高巖屑運(yùn)移速度。

圖11 不同巖屑粒徑下井眼環(huán)空某截面處的巖屑體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.11 Cloud map of volume fraction distribution of cuttings at a certain section of wellbore annulus under different cuttings sizes

圖12 不同鉆井液入口排量下3種鉆桿的攜巖能力對(duì)比Fig.12 Comparison of cuttings carrying capacity of three kinds of drill pipes under different drilling fluid inlet displacements

圖13 不同鉆井液入口排量下井眼環(huán)空某截面處的巖屑體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.13 Cloud map of volume fraction distribution of cuttings at a certain section in wellbore annulus under different drilling fluid inlet displacements

3.3 井斜角對(duì)鉆桿攜巖能力的影響

由于頁巖氣井內(nèi)的大中斜度井段容易產(chǎn)生巖屑堆積，在井斜角改變的情況下，通過分析普通鉆桿在30°（小斜度）、45°（中斜度）、60°（大斜度）井段的攜巖情況發(fā)現(xiàn)，隨著井斜角的增大，井內(nèi)沉降的巖屑越來越多，并且大多巖屑主要集中在中后段。設(shè)鉆井液入口排量為25 L/s，巖屑粒徑為4 mm，分析3種鉆桿在不同井斜角下的攜巖能力，如圖14所示。由圖可知，隨著井斜角的增大，井眼環(huán)空內(nèi)穩(wěn)定時(shí)的巖屑質(zhì)量與凈化后的剩余巖屑質(zhì)量均增大。通過計(jì)算3種鉆桿在不同井斜角下的平均巖屑運(yùn)移率得到，懸浮式鋁合金鉆桿和新型脈沖射流鉆桿的平均巖屑運(yùn)移率相比普通鉆桿分別提高了12%和4%左右。為了分析新型脈沖射流鉆桿噴射的脈沖高速流體對(duì)巖屑運(yùn)移的影響，提取距離入口10 m的井眼環(huán)空截面處的巖屑體積分?jǐn)?shù)分布云圖，如圖15所示。由圖可知，隨著井斜角的增大，該截面處巖屑體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，而采用新型脈沖射流鉆桿時(shí)該截面處的巖屑體積分?jǐn)?shù)的數(shù)值與增幅均較小，由此可見在井斜角不大于45°時(shí)，其噴射的脈沖高速流體可以較好地提高巖屑運(yùn)移速度。

圖14 不同井斜角下3種鉆桿的攜巖能力對(duì)比Fig.14 Comparison of cuttings carrying capacity of three kinds of drill pipes under different well inclination angles

圖15 不同井斜角下井眼環(huán)空某截面處的巖屑體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.15 Cloud map of volume fraction distribution of cuttings at a certain section in wellbore annulus under different well inclination angles

3.4 結(jié)果討論

通過對(duì)比井眼環(huán)空內(nèi)穩(wěn)定時(shí)的巖屑質(zhì)量可以看出，2種新型鉆桿的攜巖能力較好，而普通鉆桿較差；通過對(duì)比井眼環(huán)空內(nèi)凈化后的剩余巖屑質(zhì)量可知，懸浮式鋁合金鉆桿的凈化效果最好，采用該鉆桿時(shí)井眼環(huán)空內(nèi)幾乎沒有剩余巖屑，而采用新型脈沖射流鉆桿和普通鉆桿時(shí)井眼環(huán)空內(nèi)還剩余較多巖屑。這是因?yàn)樾滦兔}沖射流鉆桿噴射的脈沖高速流體雖然可以提高巖屑運(yùn)移速度，但巖屑在移動(dòng)過程中受到自身重力作用，使得大量巖屑回落到井眼環(huán)空底部，從而導(dǎo)致巖屑的軸向運(yùn)移速度減小，致使最終的凈化效果與普通鉆桿的差別不大；而懸浮式鋁合金鉆桿在鉆進(jìn)過程中依靠浮力作用改變了井眼環(huán)空內(nèi)流體高速區(qū)的位置，使得流體高速區(qū)移動(dòng)到井眼環(huán)空下部，從而提高了環(huán)空底部巖屑的運(yùn)移速度，使得巖屑的軸向運(yùn)移速度增大。此外，適當(dāng)減小巖屑粒徑或井斜角、或增大鉆井液入口排量均可以較好地提高水平井內(nèi)的巖屑運(yùn)移能力。

4 結(jié) 論

1）為了提高水平井內(nèi)的巖屑運(yùn)移能力，設(shè)計(jì)了懸浮式鋁合金鉆桿和新型脈沖射流鉆桿，通過對(duì)二者結(jié)構(gòu)與攜巖原理的分析得到：懸浮式鋁合金鉆桿利用自身的可浮性改變了流體高速區(qū)的位置，使其移動(dòng)到環(huán)空下部，從而提高了環(huán)空底部巖屑的運(yùn)移能力；新型脈沖射流鉆桿利用定向噴射功能破壞了巖屑床的生成并提高了巖屑的運(yùn)移速度。

2）選用六面體網(wǎng)格對(duì)普通鉆桿、懸浮式鋁合金鉆桿和新型脈沖射流鉆桿的攜巖仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終驗(yàn)證了3種鉆桿攜巖仿真模型的網(wǎng)格無關(guān)性與收斂性，并通過室內(nèi)巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)與有限元仿真結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

3）通過對(duì)比分析3種鉆桿在改變巖屑粒徑、鉆井液入口排量和井斜角時(shí)的攜巖能力得到：懸浮式鋁合金鉆桿的攜巖能力相比普通鉆桿大約提高了12%，而新型脈沖射流鉆桿的定向噴射雖然可以較好地減少巖屑床生成，但攜巖能力相比普通鉆桿只提高了3%左右。