基于CFD-DEM的循環(huán)閥清潔器攜屑特性研究

中圖分類號(hào)：FE242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.12473/CPM.202407035

Research on Cuttings Transport Performance of Circulating ValveCleanerBasedonCFD-DEM

Hu Wei1Guan Ning2 Zhang Yanping2Xu Binggui2Zhang JinyalZhu Hongwu1 （1.ColegeofMechncalndansportationngineeing，CinaUniesitofPetrole（Beijing）；.CNCEnineeingechol ogyRamp; D Company Limited）

Abstract： In the processof drilling，inefficient drill cuttings transport may lead toan increase inannular cuttings concentration and equivalent circulating density（ECD），thereby causing some problems such as tool wear and lost circulation.To solve these problems，anew type of borehole annulus circulating valve cleaner was developed.Basedonthe H-B non-Newtonian fluid model，a numerical model for evaluating the cutings transport performance of multi-stage borehole annulus circulating valve cleaner was built by using the coupled CFD-DEM calculation method.The effctsof the number of nozzles，nozzle diameter，nozzleangle and drillpipe rotation speed on thecuttings transport performance of the circulating valve cleaner were analyzed.The results show that increasing thediameterandnumber ofnozles orraising the drillpipe rotation speed leads to an increase in theconcentration of cuttings in annulusanda significant decrease in the cutings transport ratio（CTR）.When the numberof nozzles is 3 and the nozzle diameter is 10mm ，the cuttings transport performance is the best. As the nozzle angle increases，the CTR value increases and then decreases. When the nozzle angle is 30^° ， the CTR value is the highest，indicating the highest cutings transport efficiency.Invertical borehole，the rotationofthe circulating valve cleaner produces aswirling effect，whichmaycausethe spiral migrationof cutings，therebymaking cuttings retain longerinthe borehole to induceasignificantreductioninthecuttings transportefficiency.Thehighertherotational speed，the stronger the swirling effect，and the worse thecutings transport performane.Given the above optimal parameters，the borehole annulus flow rate increases by nearly 58% and the overall CTR increases by nearly 10% （20 after using the proposed circulating valve cleaner.The research conclusions are of great significance for improving the efficiency of annulus cuttings transport and ensuring efficient and safe oil and gas development.

Keywords： multi-stage borehole；circulating valve cleaner；cutings transport efficiency； CFD-DEM nozzle;drill pipe rotation speed

0 引言

在油氣鉆井過(guò)程中，鉆頭破碎巖石產(chǎn)生的大量巖屑需要被及時(shí)清理出井筒。自前，低效率的巖屑去除仍然是鉆井作業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。巖屑在井筒中的沉積會(huì)導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低，延長(zhǎng)了非生產(chǎn)時(shí)間（NPT），并可能導(dǎo)致堵塞，造成扭矩和阻力過(guò)大[1-4]。此外，低效的巖屑輸運(yùn)還會(huì)導(dǎo)致環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)增大，壓降升高。這會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致鉆井液的等效循環(huán)密度（ECD）增大，并引發(fā)一系列的井壁穩(wěn)定性問(wèn)題[5-7]。因此，深入開展井筒內(nèi)巖屑的運(yùn)移機(jī)制研究，提高巖屑清潔效率，對(duì)高效、安全的油氣開發(fā)至關(guān)重要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)和學(xué)者在環(huán)空巖屑輸運(yùn)方面開展了大量研究工作[8-12]。宋先知等[13-15]采用CFD和試驗(yàn)方法，分析了多種參數(shù)對(duì)偏心環(huán)空巖屑運(yùn)移的影響規(guī)律，并開發(fā)了新的旋流式井筒清潔工具。S.AKHSHIK等[利用CFD-DEM方法研究了傾斜細(xì)孔中巖屑的臨界沉積速度與環(huán)空底部的巖屑沉積規(guī)律。HUW.等[17]結(jié)合CFD-DEM和試驗(yàn)方法，全面分析了巖屑在非牛頓流中的運(yùn)移規(guī)律，并提出了評(píng)價(jià)井眼清潔效率的通用方法。還有學(xué)者利用CFD-DEM方法研究了四葉形鉆桿[18]和巖屑移除工具[19]對(duì)井眼清潔過(guò)程中巖屑輸運(yùn)效率的影響。然而，這些研究幾乎針對(duì)的是單一直徑的環(huán)空段，而在多級(jí)井眼中，井身結(jié)構(gòu)通常由多段不同直徑的井眼組成。流體從小井眼進(jìn)入大井眼后速度會(huì)迅速減小，導(dǎo)致巖屑輸運(yùn)效率降低。而循環(huán)閥清潔技術(shù)在有效增加環(huán)空流速的同時(shí)可以輔助攜屑，從而提升巖屑的輸運(yùn)效率。由于種種原因，目前業(yè)界尚未開展該項(xiàng)技術(shù)在井眼環(huán)空中的巖屑輸運(yùn)機(jī)理研究。其攜屑特性尚不明確，嚴(yán)重限制了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。

為此，筆者基于循環(huán)閥清潔技術(shù)開發(fā)了一套新型循環(huán)閥清潔器?；贖-B非牛頓流體模型，采用耦合的CFD-DEM數(shù)值模擬方法，建立多級(jí)井眼環(huán)空中循環(huán)閥清潔器攜屑特性的數(shù)值計(jì)算模型。分析新型循環(huán)閥清潔器的水眼個(gè)數(shù)、水眼直徑、水眼角度和鉆桿轉(zhuǎn)速對(duì)井眼環(huán)空巖屑輸運(yùn)效率的影響規(guī)律。揭示循環(huán)閥清潔器作用下的環(huán)空巖屑運(yùn)移機(jī)理及其攜屑特性，進(jìn)一步指導(dǎo)工具改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高巖屑輸運(yùn)效率。研究結(jié)論對(duì)提高井眼環(huán)空巖屑輸運(yùn)效率，確保高效、安全的油氣開發(fā)具有重要意義。

1技術(shù)分析

循環(huán)閥清潔器結(jié)構(gòu)如圖1所示。循環(huán)閥清潔器主要由外殼體、O形密封圈、上滑套、剪釘、下滑套、中心水眼、投球、旁通水眼等部件組成。外殼體上布置了若干個(gè)水眼，用于旁通分流作用。上滑套和下滑套通過(guò)剪釘固定在外殼體上，用O形密封圈進(jìn)行密封。通過(guò)投球憋壓方式可控制循環(huán)閥清潔器的開啟和關(guān)閉。

循環(huán)閥清潔器工作原理如圖2所示。在正常鉆井操作中，循環(huán)閥清潔器通過(guò)中心流道將鉆井液從上部鉆桿傳輸至下部鉆桿，確保鉆井工作順利進(jìn)行。當(dāng)需要打開旁通水眼時(shí)，可通過(guò)投球憋壓的方法實(shí)現(xiàn)。具體操作包括控制流體流量，確保投球在進(jìn)入循環(huán)閥清潔器時(shí)不直接通過(guò)球座，而是落在球座上。若需要打開旁通水眼，可投擲小球。當(dāng)小球落在下滑套的小球座上時(shí)，中心流道會(huì)關(guān)閉，循環(huán)閥內(nèi)的流體壓力迅速增大，直至剪釘被剪斷，下滑套開始下行，旁通孔被打開。此時(shí)，鉆井液可以通過(guò)中心流道和旁通孔流出，實(shí)現(xiàn)鉆井液循環(huán)，從而對(duì)井眼進(jìn)行清洗作業(yè)。如需關(guān)閉旁通水眼，可再次投擲大球。當(dāng)大球落在上滑套的大球座上時(shí)，中心流道再次被關(guān)閉并實(shí)現(xiàn)憋壓。當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力后，剪釘被剪斷，上滑套下行，直至關(guān)閉旁通水眼。

總的來(lái)說(shuō)，循環(huán)閥清潔器通過(guò)投球憋壓方式可以方便地控制旁通水眼的開啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)在任何井段進(jìn)行井眼清潔作業(yè)，在巖屑輸運(yùn)及井眼清洗方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，該工具的攜屑特性尚不明確，一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)難以確定。例如，水眼直徑、水眼數(shù)量、水眼角度以及鉆桿轉(zhuǎn)速對(duì)巖屑輸運(yùn)效率的影響規(guī)律尚不清楚。為了揭示循環(huán)閥清潔器在不同參數(shù)下的攜屑特性，這里主要基于耦合的CFD-DEM數(shù)值計(jì)算方法研究其在多級(jí)井眼環(huán)空中的攜屑特性，從而為工具結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2 循環(huán)閥清潔器攜屑數(shù)值計(jì)算方法

2.1數(shù)值計(jì)算模型建立

2.1.1幾何模型與網(wǎng)格劃分本研究中，物理模型是由2段變徑井眼、鉆桿和連接在鉆桿中間的清潔器組成的環(huán)空，如圖3所示。井眼傾角為 0^° （垂直井），上端井眼直徑 D_u= 215.9mm ，下端井眼直徑 D_b=178mm 。鉆桿和清潔器外徑均為 D_p=127mm ，鉆桿內(nèi)徑 D_i=76mm 。模型的總長(zhǎng)度為 6m ，其中上端環(huán)空井眼長(zhǎng)度為4m ，下端為 2m 。循環(huán)閥清潔器位于井筒變徑位置的上方 0.5m 處，鉆桿底部距離井底 0.2m 。模擬中使用的鉆屑直徑為 3mm ，以恒定的質(zhì)量流量從井底產(chǎn)生。由于考察的是循環(huán)閥清潔器在工作狀態(tài)下旁通分流對(duì)環(huán)空巖屑輸運(yùn)的影響[20]，所以物理模型中的循環(huán)閥清潔器始終處于激活狀態(tài)（見圖2）。鉆井液從鉆桿中心流道流入，一部分通過(guò)旁通孔分流直接進(jìn)入環(huán)空，另一部分到達(dá)井底后攜帶巖屑沿環(huán)空上返，并與旁通孔流出的鉆井液匯合后流出井口。模型中還考慮了的清潔器和鉆桿的旋轉(zhuǎn)作用。

利用FluentMeshing專業(yè)網(wǎng)格劃分工具，采用多面體網(wǎng)格對(duì)環(huán)空流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)循環(huán)閥清潔器內(nèi)水眼等特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化?？紤]到工具的旋轉(zhuǎn)作用，采用滑移網(wǎng)格方法進(jìn)行處理。將整個(gè)流體域劃分為靜態(tài)域網(wǎng)格和旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格，劃分結(jié)果如圖4所示。

2.1.2計(jì)算模型設(shè)置

入口邊界采用速度入口邊界條件，以H-B非牛頓流體（剪切應(yīng)力 τ_o=0.25Pa ，流變指數(shù) n=0.6 ，稠度系數(shù) K=0.05Pa?sⁿ. ）為模擬流體，流量為 30L/s 出口采用壓力出口邊界條件，壓力值設(shè)為0（等于大氣壓）。壁面均采用無(wú)滑移邊界條件，井壁為靜止壁面，鉆桿和清潔器采用旋轉(zhuǎn)壁面邊界。將鉆屑簡(jiǎn)化為相同直徑的球形顆粒，并以恒定的質(zhì)量流量從入口連續(xù)注人環(huán)空。通過(guò)將機(jī)械鉆速在10m/h 時(shí)產(chǎn)生的巖屑體積流量轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量，來(lái)實(shí)現(xiàn)井底產(chǎn)生恒定體積分?jǐn)?shù)的巖屑。本研究采用有限體積法對(duì)上述控制方程進(jìn)行離散，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε RNG湍流模型?；趬毫εc速度耦合求解器，采用SIMPLEC算法。采用二階隱式時(shí)間積分求解控制方程。采用二階逆風(fēng)方案求解動(dòng)量、體積分?jǐn)?shù)和湍流方程。在DEM模擬中，采用顯式時(shí)間積分法求解分散粒子運(yùn)動(dòng)方程。DEM的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為 1×10^-5 s（ 16.7% 的瑞利時(shí)間步長(zhǎng)）。CFD的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001s（是DEM時(shí)間步長(zhǎng)的100倍）。

2.2數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證

2.2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

考慮到計(jì)算成本的限制，還必須確保流體網(wǎng)格分辨率在捕獲流體細(xì)節(jié)時(shí)具有一定的精度。這里對(duì)流體域分別劃分了約45萬(wàn)、55萬(wàn)、60萬(wàn)、65萬(wàn)和70萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。以水為介質(zhì)，在流體流速為 35L/s 下計(jì)算了工具壓降。圖5所示為工具壓降隨網(wǎng)格數(shù)量的變化規(guī)律。從圖5可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到約55萬(wàn)時(shí)，計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定。因此，為了縮短計(jì)算時(shí)間，選擇了劃分約55萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

2.2.2數(shù)值計(jì)算模型驗(yàn)證

在計(jì)算環(huán)空巖屑運(yùn)移方面，采用CFD-DEM方法能否準(zhǔn)確預(yù)測(cè)離散相的體積分?jǐn)?shù)和運(yùn)移行為是驗(yàn)證該方法可靠性的關(guān)鍵，試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證必不可少。為此，基于Osgouei的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和參數(shù)[21]，采用CFD-DEM方法預(yù)測(cè)了水平井環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)。圖6展示了在鉆桿轉(zhuǎn)速為 80r/min ，ROP為30.48m/h 時(shí)，不同入口流體流速下環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比。由圖6可以看出，隨著流速的增大，環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)顯著降低，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)符合良好，這進(jìn)一步表明所提出的計(jì)算模型具有可靠性。

3循環(huán)閥清潔器攜屑特性分析

本研究基于構(gòu)建的CFD-DEM巖屑輸運(yùn)計(jì)算模型，研究了水眼數(shù)量、直徑、角度以及鉆桿轉(zhuǎn)速對(duì)循環(huán)閥清潔器攜屑性能的影響。以巖屑輸運(yùn)比 R_CT 來(lái)評(píng)價(jià)循環(huán)閥清潔器的攜屑效率，從而評(píng)價(jià)其攜屑性能。 R_CT 越大，攜屑效率越高。 R_CT 可以表示為：

式中： v_m 為鉆井液的平均流速， m/s ； υ_c 為巖屑的平均速度， m/s 。

3.1水眼數(shù)量對(duì)循環(huán)閥清潔器攜屑效率的影響

為研究不同水眼數(shù)量對(duì)循環(huán)閥清潔器攜屑特性的影響，在鉆桿轉(zhuǎn)速為 60r/min ，水眼角度為30^° ，直徑為 10mm ，數(shù)量分別為2、3、4、5和6個(gè)時(shí)，研究了環(huán)空巖屑的運(yùn)移情況。其中水眼在周向上為等間隔角度的均勻布置，模擬結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7展示了在恒定的入口流速下，水眼數(shù)量對(duì)環(huán)空巖屑輸運(yùn)效果的影響。從圖7可以看出，隨著水眼數(shù)量的增加，巖屑的運(yùn)移速度減小，環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)總體呈增大趨勢(shì)。具體而言，當(dāng)水眼數(shù)量為3時(shí)，環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)最低。然而，當(dāng)水眼數(shù)量減小到2時(shí)，反而出現(xiàn)了負(fù)面影響。這是由于在鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)下，2個(gè)水眼噴射的流體在大井眼段產(chǎn)生了較強(qiáng)的旋流，導(dǎo)致巖屑在環(huán)空中的螺旋運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了巖屑在井孔中的停留時(shí)間，因而巖屑體積分?jǐn)?shù)增大。因此，在考慮鉆桿旋轉(zhuǎn)的情況下，需確保旁通分流水眼的數(shù)量至少為3個(gè)。從圖8可以看出，當(dāng)水眼數(shù)量從3增加到6時(shí)，環(huán)空巖屑輸運(yùn)比明顯減小，巖屑輸運(yùn)效率顯著降低。這是因?yàn)榕酝ǚ至魉蹟?shù)量的增加導(dǎo)致旁通分流比增加，進(jìn)而使流經(jīng)小井眼段的環(huán)空流體流量隨之減小，流速下降。這會(huì)導(dǎo)致流體進(jìn)入大井眼后動(dòng)力不足，巖屑體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大。

3.2水眼直徑對(duì)循環(huán)閥清潔器攜屑效率的影響

為研究不同水眼直徑對(duì)循環(huán)閥清潔器攜屑特性的影響，在鉆桿轉(zhuǎn)速為 60r/min ，水眼角度為30^° ，數(shù)量為6個(gè)，直徑分別為6、8、10、12和14mm 時(shí)，研究了環(huán)空巖屑的運(yùn)移情況，結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9展示了不同水眼直徑下環(huán)空巖屑的運(yùn)移狀態(tài)。從圖9可以看出，隨著水眼直徑的增大，環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)顯著增加。而且，當(dāng)水眼直徑超過(guò)10mm 后，巖屑從小井眼進(jìn)入大并眼時(shí)，速度顯著下降，容易發(fā)生沉降。這是因?yàn)樗壑睆降脑龃髮?dǎo)致旁通分配的流體流量增加，使流入井眼底部的流體流量減小。井眼底部流量越小，導(dǎo)致上返到小井眼的環(huán)空流體流速越小。這也會(huì)使流體在進(jìn)入大井眼后水動(dòng)力不足，攜帶巖屑效果變差，巖屑體積分?jǐn)?shù)因此增大。從圖10可以發(fā)現(xiàn)，水眼直徑越大， R_CT 值越小，巖屑輸運(yùn)效率越低。尤其在水眼直徑超過(guò)10mm 后，巖屑輸運(yùn)效率顯著下降。

3.3水眼角度對(duì)循環(huán)閥清潔器攜屑效率的影響

為研究不同水眼角度對(duì)循環(huán)閥清潔器攜屑特性的影響，在鉆桿轉(zhuǎn)速為 60r/min ，水眼直徑為10mm ，數(shù)量為6個(gè)，角度分別為 15^° 、 30^° 、 45^° 、60^° 、 90^° 時(shí)，研究了環(huán)空巖屑運(yùn)移情況，結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11展示的是不同水眼角度（水眼與鉆桿中心線的夾角）下，環(huán)空巖屑運(yùn)移狀態(tài)。從圖11可以看出，當(dāng)水眼角度為 30^° 時(shí)，環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)最低，即井眼清潔效果最佳。但是，當(dāng)水眼角度偏離 30^° 時(shí)都會(huì)導(dǎo)致水眼下端的環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)明顯升高。主要原因在于水眼角度影響了環(huán)空流場(chǎng)的狀態(tài)。理論上講，水眼角度越大，其噴射的流體越容易沖刷到井壁。流體碰撞壁面后會(huì)在噴嘴尾部方向產(chǎn)生漩渦，對(duì)巖屑的運(yùn)移具有阻礙作用。然而角度過(guò)小可能會(huì)不利于壁面處的巖屑輸運(yùn)，從而影響巖屑的輸運(yùn)效果。從圖12可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水眼角度為 30^° 時(shí)， R_CT 最大，巖屑輸運(yùn)效率最高。說(shuō)明存在一個(gè)臨界角度可以使循環(huán)閥清潔器的巖屑輸運(yùn)效率最高。

3.4鉆桿轉(zhuǎn)速對(duì)循環(huán)閥清潔器攜屑效率的影響

為研究不同鉆桿轉(zhuǎn)速對(duì)循環(huán)閥清潔器攜屑特性的影響，在水眼角度為 30^° ，直徑為 10mm ，數(shù)量為6個(gè)，鉆桿轉(zhuǎn)速分別為0、30、60、90、 120r/min 時(shí)，研究了環(huán)空巖屑運(yùn)移情況，結(jié)果如圖13和圖14所示。

圖13展示了不同鉆桿轉(zhuǎn)速下，環(huán)空巖屑運(yùn)移狀態(tài)。從圖13可以發(fā)現(xiàn)，隨著鉆桿轉(zhuǎn)速的增大，環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)顯著升高。在鉆桿轉(zhuǎn)速為0時(shí)，環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)最低，井眼清潔效果最佳。說(shuō)明在垂直井中，鉆桿不旋轉(zhuǎn)更有利于循環(huán)閥清潔器的巖屑輸運(yùn)。相反，鉆桿旋轉(zhuǎn)則會(huì)減弱循環(huán)閥清潔器的攜屑性能，導(dǎo)致環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)升高。從圖14可以看出，轉(zhuǎn)速越大，環(huán)空巖屑輸運(yùn)比下降越明顯。這是由于鉆桿旋轉(zhuǎn)使清潔器產(chǎn)生了旋流作用，導(dǎo)致巖屑在環(huán)空中呈螺旋運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)速越大巖屑的螺旋運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)越明顯，而顆粒的螺旋運(yùn)動(dòng)會(huì)延長(zhǎng)其在井眼中的停留時(shí)間并增加碰撞次數(shù)，因此旋流對(duì)于垂直井的巖屑輸運(yùn)具有一定負(fù)面影響。

3.5循環(huán)閥清潔器攜屑性能評(píng)價(jià)

通過(guò)上述分析，這里采用了3個(gè)直徑為10mm ，角度為 30^° 的水眼作為循環(huán)閥清潔器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在鉆桿轉(zhuǎn)速為 60r/min 時(shí)，分析了該清潔器在多級(jí)井眼環(huán)空中的巖屑攜帶性能。圖15展示了在恒定泵壓（ 9MPa） ）下，使用循環(huán)閥清潔器與未使用循環(huán)閥清潔器的巖屑輸運(yùn)狀態(tài)和攜帶性能對(duì)比。從圖15b可以看出，在使用循環(huán)閥清潔器后，并眼中鉆井液流量增加了近 58% ，意味著達(dá)到相同的環(huán)空流速時(shí)，采用循環(huán)閥清潔器需要更低的泵壓。而從圖15a可以看出，由于循環(huán)流體流量增加，大井眼段的環(huán)空流速提升，使巖屑體積分?jǐn)?shù)明顯降低，巖屑輸運(yùn)比得到了顯著提升，但對(duì)于小孔段的巖屑輸運(yùn)效率影響較小。這表明循環(huán)閥清潔器能有效解決多級(jí)井中大井眼段巖屑攜帶效率低的問(wèn)題。綜合來(lái)看，循環(huán)閥清潔器使井眼的巖屑輸運(yùn)比提升了近 10% 。

4結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）建立了循環(huán)閥清潔器在多層次井身結(jié)構(gòu)下的H-B非牛頓流體CFD-DEM雙向耦合仿真模型。該模型可以考慮鉆桿的旋轉(zhuǎn)、鉆井液的非牛頓流變性能、巖屑之間的接觸力以及巖屑與鉆井液之間的相互作用。并通過(guò)已發(fā)表的文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型的可靠性。

（2）基于數(shù)值計(jì)算方法分析了循環(huán)閥清潔器水眼數(shù)量、水眼直徑、水眼角度和旋轉(zhuǎn)速度對(duì)攜屑性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，增加水眼數(shù)量，增大水眼直徑，提高鉆桿轉(zhuǎn)速均會(huì)導(dǎo)致環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)增大，巖屑的輸運(yùn)效率顯著降低。在水眼數(shù)量為3，直徑為 10mm 時(shí)，攜屑效果最佳。此外，存在一個(gè)臨界水眼角度（ 30^° ），使環(huán)空巖屑體積分?jǐn)?shù)最低，巖屑輸運(yùn)效率最高。

（3）鉆桿旋轉(zhuǎn)會(huì)引起循環(huán)閥清潔器旁通水眼產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)射流。在垂直井眼中，相較于鉆桿不旋轉(zhuǎn)的情況，旋轉(zhuǎn)引起的旋流作用并不利于巖屑輸運(yùn)。轉(zhuǎn)速越大旋流作用越強(qiáng)，增加了巖屑的螺旋運(yùn)動(dòng)，使巖屑在井眼中的停留時(shí)間延長(zhǎng)，巖屑輸運(yùn)效率顯著下降。因此，在垂直井眼中可以配合螺桿鉆具使用，以確保鉆桿和清潔器不旋轉(zhuǎn)，從而最大限度提升巖屑輸運(yùn)效率。

（4）使用循環(huán)閥清潔器可以有效增加井眼環(huán)空鉆井液流量，提升環(huán)空流速，從而降低巖屑體積分?jǐn)?shù)。由于循環(huán)流體流量增大，提升了大井眼段的環(huán)空流速，巖屑輸運(yùn)比得到了顯著提升。說(shuō)明循環(huán)閥清潔器能有效解決多級(jí)井眼中大井眼段攜屑效率低的問(wèn)題。整體來(lái)看，循環(huán)閥清潔器使井眼環(huán)空巖屑輸運(yùn)比提升了近 10% 。

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第一

作者簡(jiǎn)介：胡偉，在讀博士研究生，生于1991年，研究方向?yàn)槎嘞嗔骼碚摷傲黧w機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)。地址：（102249）北京市昌平區(qū)。email：hu_wei2022@126.com。通信作者：張金亞，副教授。email：Zhjinya@163.com。

收稿日期：2024-07-10 修改稿收到日期：2024-11-01（本文編輯劉鋒）