脈沖射流式巖屑床清理工具的研究

韓雪瑩，李衡，王漢卿，劉丹婷，張海超，夏成宇

(1.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州 434023；2.中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川德陽(yáng) 618000;3.中石化西南石油工程有限公司鉆井一分公司，四川成都 610000；4.山東威瑪裝備科技股份有限公司，山東東營(yíng) 257000)

0 前言

隨著深層油氣資源開(kāi)發(fā)，大位移及水平井被廣泛開(kāi)發(fā)應(yīng)用，由于該井段處于巖屑堆積嚴(yán)重井段，難以被鉆井液的反循環(huán)作用運(yùn)移到井口，隨著巖屑床厚度不斷增加，甚至埋沒(méi)鉆桿，進(jìn)而導(dǎo)致高摩阻、高扭矩、固井質(zhì)量差等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)造成卡鉆、鉆具斷裂等井下事故，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

為了解決此類問(wèn)題，提高巖屑運(yùn)移方法與巖屑床破壞器得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外針對(duì)巖屑床破壞器的研究主要為機(jī)械式葉片巖屑清理工具。RODMAN等研究了一種葉片結(jié)構(gòu)井眼清潔工具，AHMED等通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了不同葉片結(jié)構(gòu)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該工具能有效提高巖屑運(yùn)移效率。孫浩玉應(yīng)用CFD軟件對(duì)巖屑床清除器流場(chǎng)速度、壓力及液流運(yùn)動(dòng)跡線進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)V形槽可加快進(jìn)口軸向速度,增強(qiáng)周圍流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度,有利于井筒巖屑的運(yùn)移和清除。程玉生通過(guò)建立大斜度井巖屑運(yùn)移三層模型，開(kāi)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(huì)對(duì)井眼清潔狀況有所改善。孫曉峰等針對(duì)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(wèn)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析了井眼清潔工具在大位移及水平井段流場(chǎng)擾動(dòng)作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)該工具對(duì)流場(chǎng)具有導(dǎo)流和攪拌的作用，并且加速巖屑顆粒運(yùn)動(dòng)，有利于巖屑攜帶。吳百川等應(yīng)用有限元軟件對(duì)比分析了“V”形和螺旋型巖屑床清潔工具性能和安全系數(shù)，認(rèn)為螺旋型工具的巖屑清理效能比“V”形工具低。景帥等人通過(guò)建立井眼清潔數(shù)學(xué)模型，分析了不同鉆井參數(shù)對(duì)環(huán)空壓耗和井眼清潔程度的影響。

因此，本文作者根據(jù)環(huán)空巖屑運(yùn)移機(jī)制和兩相流理論，參考文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)一種射流式巖屑床清潔工具，分析了該工具的噴嘴噴射角度、噴嘴流速、巖屑粒徑、鉆井液排量對(duì)巖屑質(zhì)量的影響，得出最優(yōu)的噴射角度，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

1 結(jié)構(gòu)與原理

射流式巖屑床清理工具主要由母接頭、外套管、公接頭、軸承、中心管、密封橡膠圈組成，如圖1所示。鉆井液流向?yàn)榧^所指方向，該工具重力塊結(jié)構(gòu)在自身的重力作用下，使得中間脈沖射流噴嘴在徑向方向上產(chǎn)生一股脈沖高速流體，由于中心管兩端沒(méi)有與母接頭、公接頭進(jìn)行螺紋連接，不會(huì)與外套管一起旋轉(zhuǎn)，從而使主流道與噴嘴產(chǎn)生間斷式的脈沖射流。

圖1 脈沖射流式巖屑床清潔工具

脈沖射流噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖2所示，從圖中可以看出：噴嘴位于靜止的中心管，并且始終指向環(huán)空下部，外套管上的流道口均勻分布3個(gè)，并且與噴嘴出口形狀相同，中間圓形流道口始終處于接觸狀態(tài)。鉆桿帶動(dòng)外套管旋轉(zhuǎn)，從而使噴嘴出口的連通面積發(fā)生周期性變化，在環(huán)空內(nèi)外壓差作用下產(chǎn)生周期性脈沖射流。

圖2 脈沖射流式噴嘴結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵參數(shù)分析

2.1 噴射時(shí)間

根據(jù)實(shí)際工況，設(shè)定該工具的鉆桿轉(zhuǎn)速為=80 r/min，鉆桿旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間為0.75 s，為了增加噴嘴噴射時(shí)間，故在外套管設(shè)置3個(gè)均布環(huán)槽，每個(gè)環(huán)槽角度=40°，故在一個(gè)周期內(nèi)的噴射時(shí)間為0.25 s,計(jì)算公式如下。由于環(huán)槽邊界與噴嘴接觸時(shí)間短，不考慮環(huán)槽與噴嘴初始接觸和分離時(shí)的過(guò)流面積變化，通過(guò)Fluent中Profile文件實(shí)現(xiàn)噴嘴周期性脈沖射流。

(1)

式中：為噴射時(shí)間；為噴嘴總角度；為一個(gè)周期的時(shí)間。

2.2 噴射速度

脈沖射流巖屑床清理工具示意如圖3所示，該工具通常安裝在水平井段。周期性脈沖鉆井液是鉆井液流經(jīng)該工具形成的，如圖2所示，為了得到噴嘴的噴射速度，需要對(duì)鉆桿內(nèi)和環(huán)空的反循環(huán)流體壓差進(jìn)行分析。由于鉆井液的壓力損失主要由螺桿總成和鉆頭造成，通過(guò)前人的研究，該壓差大小為2～6 MPa，文中設(shè)計(jì)的噴嘴直徑為25 mm，由公式(2)得噴嘴的噴射速度。結(jié)合以上噴射時(shí)間和噴射速度，通過(guò)Fluent讀取Profile文件產(chǎn)生周期性的脈沖射流。

圖3 脈沖射流式噴嘴結(jié)構(gòu)

(2)

式中：Δ為壓降，Pa;為流量，m/s；為過(guò)流總面積,m；為流體密度，kg/m;為小孔流量系數(shù)，一般取=0.82。

2.3 湍流模型

由于脈沖射流式巖屑床破壞器內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，并且環(huán)空內(nèi)屬于兩相流流動(dòng)。為了提高流場(chǎng)的計(jì)算精度，故采用RNG-湍流模型，該模型在旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中應(yīng)用效果良好，其輸運(yùn)方程為

(3)

式中：為鉆井液密度，kg/m；為湍動(dòng)能，m/s；為湍動(dòng)耗散率，m/s；為動(dòng)力黏度系數(shù)，kg/(m·s)；為時(shí)均速度，m/s；為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；為由浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；1、2、3為常量，1=142，2=168，3=13；和分別為方程和方程的湍流普朗特?cái)?shù)；和為用戶定義的源項(xiàng)。

考慮到該旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中的流體滿足非牛頓流變特性，故滿足冪律流體模型，其冪律流體的流變方程為

=

(4)

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

3 仿真模型

3.1 幾何模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際水平井組合參數(shù)建立脈沖射流工具與傳統(tǒng)攜巖鋼鉆桿三維模型，如圖4所示。實(shí)際水平井段很長(zhǎng)，為了研究方便取模型長(zhǎng)12 m，考慮井壁和鉆桿表面光滑。將帶噴嘴的三維環(huán)空井眼模型處于模型的中間位置，采用六面體單元對(duì)所建立模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖4 環(huán)空幾何模型

3.2 邊界條件

考慮模擬運(yùn)算中的收斂性和穩(wěn)定性，湍流流場(chǎng)的計(jì)算采用二階迎風(fēng)格式和Simple算法。根據(jù)實(shí)際工況對(duì)模型入口邊界條件定義為：鉆井液速度入口和巖屑顆粒為質(zhì)量入口；出口邊界條件定義為Outflow；壁面邊界條件定義為：將井壁設(shè)為Stationary Wall，鉆桿表面為Moving Wall；噴嘴入口為周期性速度入口，具體模擬參數(shù)見(jiàn)表1。表2為直讀式旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)試的密度分別為1.92、2.28 g/cm時(shí)鉆井液的讀數(shù)值。文中鉆井液的密度為1.92 g/cm，在轉(zhuǎn)速為600、300 r/min時(shí)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)讀數(shù)分別117 mPa·s和67 mPa·s，由公式(5)可以算出為0.8，為0.23。

表1 基本參數(shù)

表2 鉆井液參數(shù)

(5)

式中：為鉆具內(nèi)鉆井液流變指數(shù)，無(wú)因次；為鉆具內(nèi)鉆井液稠度系數(shù)，Pa·s；為鉆井液轉(zhuǎn)速為600 r/min的讀數(shù)；為鉆井液轉(zhuǎn)速為300 r/min的讀數(shù)。

4 數(shù)值計(jì)算

4.1 脈沖工具使用前后井眼環(huán)空內(nèi)巖屑質(zhì)量對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)水平井環(huán)空內(nèi)巖屑質(zhì)量數(shù)值仿真研究，圖5為使用脈沖射流式巖屑床清潔工具的前后環(huán)空內(nèi)巖屑質(zhì)量隨時(shí)間變化的曲線。可知：隨著時(shí)間的推移，巖屑沉降逐漸趨于穩(wěn)定，未使用射流巖屑床清潔工具時(shí)沉降的環(huán)空內(nèi)巖屑質(zhì)量最多時(shí)達(dá)到了7.5 kg左右，容易造成巖屑堆積；相較于使用射流巖屑床清潔工具前，工具使用后的巖屑質(zhì)量有了明顯的降低，環(huán)空內(nèi)巖屑質(zhì)量降低了30%左右。由此可見(jiàn)，脈沖射流式巖屑床清潔工具沖擊巖屑的效果非常明顯。其原理為在重力作用下，脈沖射流噴嘴在徑向方向上產(chǎn)生一股脈沖高速流體來(lái)沖擊沉積在管壁下方的巖屑，使巖屑床發(fā)生破壞。由于該工具不會(huì)隨著外套管一起旋轉(zhuǎn)，因此會(huì)在主流道與噴嘴之間產(chǎn)生間斷式的脈沖射流，阻止巖屑床的產(chǎn)生，使環(huán)空井眼內(nèi)低速區(qū)的巖屑更易進(jìn)入上部高速區(qū)，便于巖屑在環(huán)空內(nèi)的橫向運(yùn)移，提升了井筒清潔效率。

圖5 脈沖工具使用前后巖屑質(zhì)量對(duì)比

4.2 噴嘴角度對(duì)脈沖工具攜巖能力的影響

在實(shí)際鉆井過(guò)程中，鉆桿的旋轉(zhuǎn)會(huì)使巖屑的沉積發(fā)生偏移，因此改變噴嘴與豎直方向的角度對(duì)脈沖工具進(jìn)行巖屑清理及巖屑沉降影響是非常顯著的。圖6分別為無(wú)噴嘴狀態(tài)下的脈沖工具(普通攜巖鉆桿的仿真模型)與噴嘴角度在0°、30°、60°及90°之間巖屑體積分?jǐn)?shù)云圖。可知：帶有噴嘴的脈沖工具的云圖中巖屑在井眼環(huán)空沉積量明顯減少，且?guī)r屑在無(wú)噴嘴狀態(tài)下沉積量最多，噴嘴角度在90°時(shí)沉積量最少，沖擊巖屑的效果最好。說(shuō)明噴嘴在90°時(shí)，噴嘴射流能有效地破壞巖屑床，巖屑所受的剪切力最大，環(huán)空中的巖屑更容易向環(huán)空上方流動(dòng)，巖屑運(yùn)移的效果更好。圖7為噴嘴角度分別在0°、30°、60°及90°時(shí)隨時(shí)間變化，環(huán)空中巖屑質(zhì)量的對(duì)比分析圖，可以看出隨著時(shí)間的變化，噴嘴在90°時(shí)巖屑的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他角度，清潔效果更好。

圖6 不同噴嘴角度下巖屑的體積云圖

圖7 不同噴嘴角度下巖屑質(zhì)量對(duì)比

4.3 噴嘴流速對(duì)脈沖工具攜巖能力的影響

脈沖工具射流噴嘴的速度由鉆桿內(nèi)和環(huán)空的反循環(huán)流體壓差所決定。根據(jù)實(shí)際工況對(duì)不同的噴嘴速度進(jìn)行仿真分析，在仿真模型中設(shè)置機(jī)械轉(zhuǎn)速為14 m/h、巖屑粒徑為4 mm、鉆井液排量為30 L/s、鉆井液密度為1.8 g/cm，通過(guò)上述公式設(shè)置不同壓差下的噴嘴流速，分析不同的噴嘴流速對(duì)環(huán)空井眼內(nèi)巖屑質(zhì)量的影響。由圖8可知：隨著噴嘴速度的增加，巖屑的質(zhì)量逐漸減少，當(dāng)流速達(dá)到一定數(shù)值之后，巖屑的質(zhì)量逐漸趨于穩(wěn)定。因此，在鉆井過(guò)程中該工具的使用不需要很大的壓差，即可以得到很好的巖屑清潔效果。

圖8 不同噴嘴速度下巖屑質(zhì)量對(duì)比

4.4 巖屑粒徑對(duì)脈沖工具攜巖能力的影響

在鉆井過(guò)程中，環(huán)空內(nèi)巖屑質(zhì)量受巖屑粒徑的影響較大。巖屑粒徑越大，巖屑所受的重力也大大增加，更易沉積在環(huán)空底部形成巖屑床，導(dǎo)致巖屑難以啟動(dòng)；巖屑粒徑越小，巖屑之間的附著力也會(huì)增加，所以巖屑粒徑太小也會(huì)導(dǎo)致巖屑粘接在一起難以運(yùn)移。在仿真模型中設(shè)置機(jī)械轉(zhuǎn)速為14 m/h、鉆井液排量為30 L/s、鉆井液密度為1.8 g/cm，通過(guò)改變巖屑粒徑的大小，分析脈沖工具使用前后對(duì)環(huán)空內(nèi)巖屑質(zhì)量的影響。如圖9所示，使用工具后，隨著巖屑粒徑的變大，環(huán)空井眼內(nèi)巖屑的沉積質(zhì)量增加；相同粒徑時(shí)，使用脈沖工具后巖屑質(zhì)量大幅度降低，可見(jiàn)脈沖工具能有效地破壞巖屑床，極大地提高巖屑運(yùn)移效率。

圖9 不同粒徑下巖屑質(zhì)量對(duì)比

4.5 鉆井液排量對(duì)脈沖工具攜巖能力的影響

巖屑在井筒運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中分為固定層、擴(kuò)散層和懸浮層。為使井眼達(dá)到更好的清潔效果，應(yīng)使更多的巖屑處于懸浮層。鉆井液的排量決定了環(huán)空井眼內(nèi)鉆井液的速度，而鉆井液速度的增加，巖屑所受的舉升力和拖曳力也會(huì)增加，也會(huì)加快巖屑向井眼運(yùn)移。在仿真模型中設(shè)置機(jī)械轉(zhuǎn)速為14 m/h、巖屑粒徑為3 mm、鉆井液密度為1.8 g/cm，通過(guò)改變鉆井液排量的大小，分析脈沖工具使用前后對(duì)環(huán)空內(nèi)巖屑質(zhì)量的影響。如圖10所示，在不同的排量下，脈沖工具的使用也能達(dá)到好的效果，可見(jiàn)巖屑清理工具能提高井眼清潔效率。

圖10 不同排量下巖屑質(zhì)量對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)環(huán)空巖屑運(yùn)移機(jī)制和兩相流理論的研究，設(shè)計(jì)出一種脈沖射流式巖屑床清理工具。脈沖工具通過(guò)射流破壞沉積在底部的巖屑床，使巖屑由環(huán)空內(nèi)的低速區(qū)更易進(jìn)入高速區(qū)，可提高巖屑運(yùn)移的效率。通過(guò)Fluent對(duì)脈沖工具噴嘴角度和射流速度的研究，得出在鉆桿轉(zhuǎn)速為80 r/min時(shí)，最佳的噴嘴角度為90°。而當(dāng)射流速度逐漸增大時(shí)，環(huán)空內(nèi)巖屑質(zhì)量趨于穩(wěn)定。此外，對(duì)比分析了脈沖工具使用前后在不同鉆井液排量、巖屑粒徑下的巖屑運(yùn)移能力，得出巖屑床破壞工具可極大提高巖屑運(yùn)移效率并預(yù)防鉆井時(shí)由于巖屑堆積造成的卡鉆事故。