新型鋁合金鉆桿對巖屑運移效率提升研究

李俊雄，吳昱，王海斌，周國彬，張海超，趙小龍，夏成宇

(1.長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北荊州 434023；2.中石化西南石油工程有限公司鉆井一分公司，四川成都 610500；3.中石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司，山東東營 257000；4.山東威瑪裝備科技股份有限公司，山東東營 257000；5.中石化勝利油田石油工程技術(shù)研究院，山東東營 257000)

0 前言

隨著深層油氣資源的開發(fā)，大位移及水平井因能有效增大油層的開采面積而被廣泛開發(fā)應(yīng)用。大位移及水平井的應(yīng)用雖提高了油氣開采的效率，但同樣面臨諸多問題。在鉆井過程中，水平井及大斜度井內(nèi)的巖屑通常會在環(huán)空井眼下部沉積形成巖屑床。由于水平井井段井深很長，巖屑床的厚度會不斷增加，甚至將鉆桿埋沒，進而導(dǎo)致高摩阻、高扭矩等問題，嚴(yán)重時會造成卡鉆、鉆具斷裂等井下安全事故。因此，提出一種提高巖屑清理能力、增強井眼清潔效果的方法顯得尤為重要。

為提高巖屑運移效率，傳統(tǒng)方式通常是采用增大鉆井液排量、改善鉆井液性能等來提高攜巖能力，這些方式在一定程度上能減緩巖屑床的形成，但同時也增加了鉆井成本。國內(nèi)外學(xué)者近些年對于井眼內(nèi)巖屑清理的問題進行了大量研究。相較于傳統(tǒng)方式，多數(shù)學(xué)者偏向于采用機械式巖屑床破壞工具，并取得了很多大的進步。RODMAN等研究了一種葉片結(jié)構(gòu)井眼清潔工具。AHMED等通過實驗方法研究了不同葉片結(jié)構(gòu)工具的巖屑清理效率。PUYMBROECK等提出了一種復(fù)合型葉片井眼清潔工具，并通過實驗驗證了該工具能有效提高巖屑運移效率。HAKIM等提出一種巖屑清除新方法，通過室內(nèi)實驗，將聚合物作為泥漿添加劑，研究了水平井水基泥漿中聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)聚合物濃度對巖屑運移效率的影響。PANG等針對脈沖射流鉆井對巖屑運移的影響，運用CFD分析了鉆井液進口速度振幅和頻率變化對巖屑運移的影響規(guī)律。相比于傳統(tǒng)鉆井，脈沖鉆井有利于改善巖屑運移。國內(nèi)有關(guān)井筒清潔方面的研究中，孫浩玉應(yīng)用CFD軟件對巖屑床清除器流場速度、壓力及液流運動跡線進行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)V形槽可加快進口軸向速度,增強周圍流場的湍流強度,有利井筒巖屑的運移和清除。程玉生通過建立大斜度井巖屑運移三層模型，開發(fā)井眼清潔狀況分析軟件，發(fā)現(xiàn)提高鉆井液密度、排量、轉(zhuǎn)速等都會改善井眼清潔狀況。孫曉峰等針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)井在大斜度和水平井段易出現(xiàn)井眼清潔問題，系統(tǒng)地研究了巖屑清理工具以及優(yōu)化。吳欣袁等采用計算流體動力學(xué)分析了井眼清潔工具在大位移及水平井段流場擾動作用機制，發(fā)現(xiàn)該工具對流場具有導(dǎo)流和攪拌的作用，并且可加速巖屑顆粒運動，有利于巖屑攜帶。劉少胡等基于CFD，對巖屑床破壞器的清潔機制進行研究，并通過對比分析得到巖屑床破壞器的清潔效果，分析了不同井斜角、鉆井液排量和鉆柱轉(zhuǎn)速下巖屑床破壞器對水平井斜井段巖屑床的影響規(guī)律，并對巖屑床破壞器的工況參數(shù)進行優(yōu)選，以更好地發(fā)揮其清潔作用。

綜上所述，機械式巖屑床清理工具通過增強流場湍流強度的方式破壞巖屑床以提升巖屑運移效率。巖屑床破壞工具雖然可以在短距離范圍內(nèi)提升井眼清潔度，但是水平井及大斜度井井深很長，工具的使用難以達到很好的效果。為此，本文作者提出并設(shè)計一種新型鋁合金鉆桿。該鉆桿內(nèi)設(shè)有浮腔，可以使鉆桿懸浮在環(huán)空井眼的上方，使井眼內(nèi)鉆井液高速區(qū)與巖屑床處于相近區(qū)域，以提升巖屑運移的效率。對新型鋁合金鉆桿進行強度校核分析，以確保滿足使用需求。通過Fluent軟件分析不同巖屑粒徑、鉆井液排量、鉆井液密度、鉆桿轉(zhuǎn)速下，新型鋁合金鉆桿相較于傳統(tǒng)鋼鉆桿對巖屑清理能力的提升。

1 新型鋁合金鉆桿原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 新型鋁合金鉆桿原理

鉆井過程中鉆頭破巖所產(chǎn)生的巖屑由鉆井液攜帶返回地面，由于巖屑的密度大于鉆井液的密度，巖屑顆粒在大斜度及水平井段運動時受到重力作用會逐漸向環(huán)空井眼底部沉降。環(huán)空井眼內(nèi)的巖屑顆粒受到流體的拖曳作用、舉升作用、浮力作用等，并克服重力、塑性力等阻力作用，形成3種運動形式，分別為固定式、移動式和懸浮式。在環(huán)空井眼內(nèi)，因鉆桿的旋轉(zhuǎn)和鉆桿所在的位置不同會導(dǎo)致鉆井液呈現(xiàn)不同的軸向速度。

如圖1所示，當(dāng)鉆桿偏向于環(huán)空下部時，流體高速區(qū)位于環(huán)空上部，巖屑沉降的位置相對于豎直方向有一定的偏移；當(dāng)鉆桿偏向于環(huán)空上部時，流體高速區(qū)位于環(huán)空下部，與巖屑床位置有很大程度的重合。

圖1 流體高速區(qū)位置

如圖2所示，當(dāng)鉆桿偏向于環(huán)空上部時，巖屑顆粒都是懸浮狀態(tài)，處于流體高速區(qū)，鉆井液更容易攜帶巖屑在環(huán)空井眼內(nèi)運動，提高井眼的清潔程度，同時也可以減少鉆井液壓耗、降低摩阻，有效避免鉆井事故的發(fā)生。

圖2 井筒內(nèi)巖屑顆粒分布

1.2 新型鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，油氣的開采向深井和超深井邁進，傳統(tǒng)鋼鉆桿因自重過大、彈性余量不足等問題已難以滿足現(xiàn)場需求。而鋁合金鉆桿因其密度低、強度高、無磁性等特性備受青睞，成為了取代鋼鉆桿的最佳選擇。在大斜度及水平井段，為使鉆桿能懸浮在井眼上部，結(jié)合現(xiàn)有鋁合金鉆桿設(shè)計出一種新型鋁合金鉆桿。由于鋁合金鉆桿相對于鉆井液密度較大，需給鋁合金鉆桿內(nèi)添加浮力腔體結(jié)構(gòu)，以給整個鉆桿提供浮力，使新型鋁合金鉆桿能在井眼內(nèi)懸浮。新型鋁合金鉆桿內(nèi)部的浮腔結(jié)構(gòu)能改變鉆桿內(nèi)部流場和鉆井液的流變性、降低鉆桿內(nèi)部的壓耗。在大斜度井及水平井段安裝新型鋁合金鉆桿，可以極大程度地降低鉆具所受的重力，增加鉆井的延伸率。同時，由于鉆桿懸浮在井眼上部，也可以降低鉆桿所受的摩擦力，減緩鉆桿的磨損。此外，新型鋁合金鉆桿的使用增大了鉆桿的攜巖能力，提升了井眼清潔度。

在標(biāo)準(zhǔn)鋁合金鉆桿[圖3(a)]的基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計，新型鋁合金鉆桿的整體結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。改進鋁合金鉆桿主要結(jié)構(gòu)有母接頭、鉆桿主體、浮力腔體、公接頭。

圖3 鉆桿結(jié)構(gòu)

2 新型鋁合金鉆桿的強度校核

對鋁合金鉆桿進行力學(xué)分析，該鉆桿在實際工況中隨著鉆柱下放到水平井段處，在鉆進過程中,鉆桿柱受到的載荷主要有鉆桿自重、轉(zhuǎn)盤扭矩、泥漿靜壓力和浮力作用、鉆壓等作用，鉆桿柱的受力情況如圖4所示。假設(shè)該鉆桿已經(jīng)懸浮在環(huán)空上部某個位置，忽略鉆井液和鉆桿內(nèi)部與外部流動作用力。該鉆桿一端連接處視為固定端約束，鉆桿懸浮依靠浮力腔體提供的浮力。浮力腔體、鉆桿內(nèi)腔和鉆桿外表面受到流體的壓力，視浮力腔體受到向上的浮力和表面壓力，鉆桿內(nèi)腔和外表面受到表面壓力。其中，為母接頭端面，受固定約束，、和分別為鉆桿外表面、浮力腔體表面和鉆桿內(nèi)腔面受內(nèi)壓力，為鉆桿所受重力，為鉆桿所受浮力，為鉆桿所受扭矩，為公接頭端面受鉆壓。

圖4 鋁合金鉆桿載荷施加示意

運用ANSYS軟件對懸浮式鋁合金鉆桿進行力學(xué)分析，模型材料為軟件自帶鋁合金材料，在多種復(fù)合載荷作用下，通過分析得到懸浮式鋁合金鉆桿受到的Mises等效應(yīng)力以及等效應(yīng)變，結(jié)果如圖5所示。可知：公母接頭的最大等效應(yīng)力位于加強筋與浮力腔體的連接處，浮力腔體最大等效應(yīng)力位于中間部位，此處有較大的應(yīng)力集中，并且相比于其他零件，所受等效應(yīng)力最大。如圖6所示，由于浮力腔體提供較大的浮力，為防止浮力腔體有較大彎曲變形，中部安裝的支撐架最大等效應(yīng)變?yōu)?.003 2。

圖5 鉆桿各零件的Mises等效應(yīng)力云圖

圖6 浮力腔體的Mises等效應(yīng)變云圖

此設(shè)計強度校核基于形狀改變比能理論(第四強度理論)。形狀改變比能是引起材料屈服的主要原因，無論在何種應(yīng)力狀態(tài)下，只要危險點處的形狀改變比能達到了與材料性質(zhì)相關(guān)的極限值，材料就會發(fā)生屈服。對于塑性材料，例如鋼材、鋁、銅等，這個理論與實驗結(jié)果相符合，且第四強度理論比第三強度理論更符合實驗結(jié)果。Al-Zn-Mg材料的屈服應(yīng)力=350 MPa，設(shè)安全系數(shù)為1.2，則材料的許用應(yīng)力[]=291.67 MPa。新型鋁合金鉆桿內(nèi)部浮力腔體受到的最大應(yīng)力為228.87 MPa，小于許用應(yīng)力[]，故改進后的鋁合金鉆桿強度可滿足要求。

3 仿真模型及邊界條件

3.1 幾何模型

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，分析在水平井段使用傳統(tǒng)鋼鉆桿和新型鋁合金鉆桿對巖屑運移的效果。由于水平段很長，為便于研究和計算仿真模型，設(shè)水平段長為20 m、井眼直徑為215.9 mm、鉆桿外徑為139.7 mm，模型如圖7所示。實際工作中，鉆桿在環(huán)空井眼內(nèi)的位置難以確定，但為研究方便，采用偏心度來表示鉆桿在井眼內(nèi)的位置。傳統(tǒng)鋼鉆桿由于自重過大，會沉向井眼底部，所設(shè)計的新型鋁合金鉆桿為懸浮式鉆桿，會浮在井眼上部。根據(jù)模型坐標(biāo)，設(shè)置鋼鉆桿為負偏心，鋁合金鉆桿為正偏心，分別如圖7(b)(c)所示。

圖7 環(huán)空幾何模型

3.2 邊界條件

將上述模型劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入Fluent，仿真時選用Eulerian多相流模型，考慮到模擬運算中的收斂性和穩(wěn)定性，湍流流場采用二階迎風(fēng)格式和Simple算法。計算流體域為井壁和鉆桿外表面之間的區(qū)域，將兩表面考慮為光滑。入口邊界條件設(shè)置為速度入口，根據(jù)反循環(huán)鉆井液的排量來計算，方向為垂直于入口。出口邊界條件設(shè)置為壓力出口。表1所示為仿真所使用的基本參數(shù)。

表1 基本參數(shù)

4 數(shù)值分析

4.1 鉆桿轉(zhuǎn)速對巖屑運移的影響

鉆桿轉(zhuǎn)速是影響巖屑沉降及井眼清潔程度的重要因素之一，不同轉(zhuǎn)速的鉆桿其攜巖能力及凈化能力也不同。在實際鉆井過程中，鉆柱的旋轉(zhuǎn)使流場產(chǎn)生循環(huán)力，有利于攪動巖屑，破壞巖屑床。同時，鉆柱的旋轉(zhuǎn)也有利于巖屑進入高速區(qū)，更易于被鉆井液攜帶至地面。在仿真過程中，以鉆柱轉(zhuǎn)速為變量，分別分析不同轉(zhuǎn)速下傳統(tǒng)鋼鉆桿和新型鋁合金鉆桿的攜巖能力。圖8所示為排量為30 L/s、巖屑粒徑為3 mm、鉆井液密度為2.1 g/cm時，不同鉆桿轉(zhuǎn)速下的鉆井液速度云圖?？芍?同一類型鉆桿下，鉆井液高速區(qū)呈月牙狀，隨著鉆柱的旋轉(zhuǎn)方向偏移一定的角度，并且轉(zhuǎn)速越大，高速區(qū)的偏移量越大。圖9所示為鉆桿轉(zhuǎn)速為80 r/min時，環(huán)空井眼內(nèi)巖屑質(zhì)量隨時間變化的曲線?？芍盒滦弯X合金鉆桿的使用改變了環(huán)空井眼內(nèi)高速區(qū)的位置，穩(wěn)定后，井眼內(nèi)使用傳統(tǒng)、新型鉆桿所沉降的巖屑質(zhì)量分別為3.58、2.95 kg，新型鋁合金鉆桿相對于傳統(tǒng)鋼鉆桿提升效率21.4%，能有效地提高井眼清潔度。

圖8 鉆井液速度云圖

圖9 環(huán)空井眼內(nèi)巖屑質(zhì)量變化曲線(鉆桿轉(zhuǎn)速80 r/min)

4.2 巖屑粒徑對巖屑運移的影響

根據(jù)現(xiàn)場實際鉆井，巖屑顆粒為不規(guī)則的塊狀結(jié)構(gòu)，巖屑粒徑通常與鉆具類型、地層巖石特性有關(guān)，主要分布在1～4 mm。巖屑顆粒越大，巖屑所受重力越大，沉降速度越快，越難以被啟動。在黏度較低的鉆井液中，小粒徑的巖屑顆粒也比較難被清潔。為增加計算收斂性和減少迭代時間，將顆粒模型等效為球形模型。圖10和11所示分別為排量為30 L/s、鉆桿轉(zhuǎn)速為80 r/min、鉆井液密度為2.1 g/cm時，不同巖屑粒徑下環(huán)空井眼內(nèi)巖屑質(zhì)量隨時間變化時曲線及直方圖和效率提升折線圖?？芍簬r屑粒徑越大，越難以被清潔，井眼內(nèi)沉積的巖屑越多，新型鋁合金鉆桿提升的效率越高。這表明，在大粒徑下，新型鋁合金鉆桿在提升井眼清潔程度上具有較大優(yōu)勢。

圖10 巖屑粒徑對巖屑質(zhì)量的影響

圖11 巖屑質(zhì)量及效率提升折線圖

4.3 鉆井液排量對巖屑運移的影響

在所有影響井眼清潔的參數(shù)中，鉆井液的排量造成的影響最大，在實際操作中的可控性也最強。增大排量有利于巖屑在井眼內(nèi)懸浮，降低巖屑床厚度。理論上，只要鉆井液排量足夠大，就可以保證完全攜巖，但在實際作業(yè)中，排量的設(shè)計也需要考慮井壁的沖蝕、循環(huán)壓耗及泵壓等多方面因素。圖12和13所示分別為巖屑粒徑為3 mm、鉆桿轉(zhuǎn)速為80 r/min、鉆井液密度為2.1 g/cm時,不同排量下環(huán)空井眼內(nèi)巖屑質(zhì)量隨時間變化的曲線及直方圖和效率提升折線圖?？芍恒@井液排量增大，增加了流體的攜巖能力，促進了巖屑顆粒在環(huán)空中的流動性，有效提高了井眼清潔程度。在不同排量下，新型鋁合金鉆桿相對于傳統(tǒng)鋼鉆桿對巖屑的清潔能力都有一定程度的提升。

圖12 鉆井液排量對巖屑質(zhì)量的影響

圖13 巖屑質(zhì)量及效率提升折線圖

4.4 鉆井液密度對巖屑運移的影響

根據(jù)上文所述，巖屑在井筒內(nèi)的運移分為3種形式，增加鉆井液密度有利于提高巖屑顆粒所受的浮力，能夠使更多的巖屑顆粒處于懸浮狀態(tài)，有利于被鉆井液攜帶回井口，降低巖屑床的厚度。鉆井液同時用于維持井底的壓力，高密度的鉆井液會導(dǎo)致機械鉆速降低。圖14和15所示分別為巖屑粒徑為3 mm、鉆桿轉(zhuǎn)速為80 r/min、鉆井液排量為30 L/s時,不同鉆井液密度下環(huán)空井眼內(nèi)巖屑質(zhì)量隨時間變化的曲線及直方圖和效率提升折線圖?？芍焊呙芏鹊你@井液通過減緩巖屑顆粒下沉的趨勢能有效抑制巖屑床的產(chǎn)生，但隨著鉆井液密度的增大，新型鋁合金鉆桿所體現(xiàn)的優(yōu)勢也逐漸變小。

圖14 鉆井液密度對巖屑質(zhì)量的影響

圖15 巖屑質(zhì)量及效率提升折線圖

5 結(jié)論

(1)當(dāng)鉆桿處于環(huán)空井眼上部時，鉆井液高速區(qū)與巖屑床高度有一定程度的重合，可以有效提高巖屑運移的效率?；诖?，在現(xiàn)有鋁合金鉆桿的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種帶懸浮腔體的懸浮式鋁合金鉆桿。對新型鋁合金鉆桿進行了載荷分析及各零件強度校核，驗證了新型鉆桿滿足強度要求。

(2)在Fluent中建立環(huán)空井眼巖屑運移三維模型，定性地對比分析了不同鉆桿轉(zhuǎn)速、巖屑粒徑、鉆井液排量和鉆井液密度下新型鋁合金鉆桿相對于傳統(tǒng)鋼鉆桿巖屑運移效率的提升。新型鋁合金鉆桿在不同條件下都有更好的攜巖能力，特別是對于大粒徑的巖屑運移有較大優(yōu)勢。