基于CFD-DEM耦合的導向鉆頭井底巖屑運移特性分析

（西安石油大學機械工程院， 陜西西安710065）

近些年，針對水平井、大位移鉆井、薄油層鉆水平井等鉆井技術需求的增加，旋轉導向技術應運而生[1]。為了提高鉆井效率、 控制鉆井成本，準確的掌控井底流場信息對于旋轉導向鉆井工具的研制十分重要。在實際鉆進時鉆頭切削巖石會產生大量巖屑顆粒，巖屑顆粒的增多會對鉆頭鉆進效率產生影響，為了使鉆井液帶動井底巖屑顆粒快速的運移出井底，針對旋轉導向鉆具井底巖屑顆粒進行運動學分析，對提高旋轉導向鉆具的破巖效率與井眼清潔度是必不可少的。

井底巖屑運移所涉及的流體與巖屑顆粒運動的信息是復雜多變的，導致井底流場的試驗難以復現真實工況。隨著計算流體力學的數值模擬計算的發展，采用新型理論計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）和離散單元法（discrete element method，DEM）耦合算法[2-4]對井底流場與巖屑顆粒的分析已成趨勢，國內外學者相關文獻主要關注于鉆井工具[5]、鉆頭水力結構[6]、鉆井液物性參數[7]對于巖屑顆粒運移的影響，采用的理論模型大多以分散相模型（discrete phase model，DPM）[8-9]與歐拉模型[10-12]為主，鮮見以巖屑顆粒動力學為基礎對旋轉導向鉆具實際工況下關于井底流場與巖屑顆粒運移情況的研究。旋轉導向鉆具會產生的不規則井底流場計算域，示意圖如圖1所示。不規則的井底空間對整個流場信息產生影響，目前對于旋轉導向鉆具鉆頭導向鉆進過程井底流場的研究很少。

圖1 旋轉導向鉆頭偏置下的井底流場示意圖Fig.1 Flow field at bottom of well under offset of rotary guide bit

本文中采用 CFD和DEM建立描述井底鉆井液與巖屑顆粒復雜兩相流動的雙向耦合算法，用來分析井底巖屑顆粒的運動學特性。使用有限元軟件FLUENT與離散元軟件EDEM耦合數值仿真模擬旋轉導向鉆頭鉆進時井底巖屑顆粒運移以及導向鉆進過程中井底流場巖屑運動情況。通過數值仿真模擬分析鉆頭偏置角度，鉆井液流速、鉆頭轉速、巖屑顆粒粒徑對井底巖屑顆粒運移速度的影響規律以及井底流場巖屑運動情況。

1 流體-顆粒耦合算法模型

旋轉導向鉆頭井底的巖屑運移研究對提高井底清潔能力、機械鉆速、鉆井效率具有至關重要的作用[13]。簡化的鉆頭模型如圖2所示。

1.1 流體力學控制方程

流體力學計算方程采用Navier-Stokes方程并考慮到巖屑顆粒的相互作用，

（1）

（2）

圖2 簡化的鉆頭模型Fig.2 Simplified drill model

T=μ[u+（u）T]，

（3）

式中：t為時間， s；φ為體積分數，即孔隙率；u為鉆井液的速度， m/s；ρ為鉆井液密度，g/cm3；p為孔隙壓力， Pa；T為鉆井液應力張量， Pa；g為重力加速度， m/s2；Rp為鉆井液和顆粒之間的相互作用， N；μ為流體黏度，Pa·s；T為溫度，℃。

1.2巖屑顆粒離散單元控制方程

為求得巖屑顆粒的運動速度以及所受到的力，采用離散單元中的巖屑顆粒運動由牛頓第二定律控制，即

（4）

（5）

1.3顆粒碰撞模型

（6）

（7）

式中：θp為巖屑雙顆粒的相對滾動角速度， rad/s；kr為滾動剛度， N/m。

（8）

（9）

式中：μr為巖屑滾動阻力系數，無量綱；Fn為巖屑顆粒法向應力, N；Rr為巖屑顆粒滾動有效半徑， m。

Rr表示為：

（10）

式中ri、rj為雙顆粒半徑， m。

1.4 CFD-DEM耦合算法計算流程

CFD-DEM耦合分析計算的關鍵在于鉆井液與巖屑顆粒數據交換， 基于FLUENT和EDEM軟件， 采用編程二次開發耦合接口， 建立流體力學與離散元法耦合的動力學分析模型。 CFD數值求解采用SIMPLE算法， 對環空流動的鉆井液進行流體力學連續性方程和動量方程進行求解， 數值求解迭代至收斂后得到巖屑顆粒與鉆井液的相關速度， 以及巖屑顆粒在鉆井液中所受力， 將求解數據傳輸到EDEM中并進行離散元求解， 并將顆粒運動方程代入， EDEM迭代計算完成得到離散相巖屑顆粒的空間位置、 速度、 受力等數據。 將數據再次傳遞回CFD求解器， 并更新計算域信息進入下一循環時間。 CFD-DEM耦合計算流程如圖3所示。

圖3 CFD-DEM耦合算法模型Fig.3 CFD-DEM coupling algorithm model

2 計算與模型參數

2.1 旋轉導向鉆具井底流場網格劃分

選擇半徑為124 mm的PDC鉆頭，整個井底計算域長度為500 mm，流場域的厚度為6 mm。旋轉導向鉆頭的井底流場模型如圖4所示。在進行網格劃分時，對切削齒與噴嘴結構進行簡化，并且對井底部進行加密網格處理，網格示意圖如圖5所示。整個流場計算域只分析巖屑存在的外部流道、環空區、井底區，網格尺寸為巖屑顆粒尺寸的1.25～2.5倍。

圖4 井底流場計算域

圖5 計算域網格示意圖

2.2 計算參數與邊界條件

計算模型為非定常計算，總體時間0.6 s，流體計算時間步長設置為5×10-4s，CFD-DEM耦合計算中顆粒計算時間步長要求不能大于流體計算時間步長，參考瑞利時間步長大小，顆粒計算的時間步長控制在瑞利時間步長的60%以內，顆粒的計算步長為5×10-6s。在進行數值模擬時，鉆井液為連續介質，巖屑顆粒為離散介質，旋轉導向鉆具為運動無滑移邊界，其他壁面為固定無滑移邊界且壁面模型采用標準型，湍流模型為RNGk-ε模型。井底流場的復雜性使得重力影響較小，故忽略流體重力影響。湍流流場的計算采用二階迎風格式，對鉆井液的入口定義為速度入口邊界條件，出口定義為自由出流邊界；設置鉆井液和巖屑顆粒從入口進入，鉆井液設定為水，選擇速度入口，方向與鉆頭的噴嘴方向一致，選擇壓力出口。鉆頭的旋轉方向為順時針，且旋轉軸為鉆頭的中心軸線。為了能夠更好地契合室內試驗條件，鉆井液設定為水，密度為1 000 kg/m3，黏度為0.002 98 Pa·s，選擇能夠更好地描述水基鉆井液流變模式的赫謝爾-巴爾克萊模式; 巖屑顆粒粒徑大小為1.5 mm，巖屑顆粒密度為2 600 kg/m3，泊松比為0.26，楊氏模量為15 000 MPa，選擇井底的巖石面為巖屑顆粒產生面，模擬巖屑顆粒切削生成，顆粒工廠的顆粒生成速度為每秒5 000個。其中巖屑顆粒的物性參數如下表1所示。

表1 巖屑顆粒物性參數

圖6 網格無關性驗證圖Fig.6 Grid-independent verification graph

2.3 網格無關性驗證

以井底計算域中井底流場進出口壓降為指標，進行網格無關性驗證。以旋轉導向鉆頭偏置的指向角度為5°的井底計算域為例，結果如圖6所示。從圖中可以看出，網格數量大于20萬時，繼續增加網格數量也不會對進出口壓降產生影響。

3 模擬分析

3.1 巖屑顆粒在不同轉速時的運移規律

在旋轉導向鉆頭工作過程中，鉆頭的旋轉會在井底流場產生漩渦流，鉆頭在切削巖石，并不斷地碾磨較大的巖石顆粒，帶動巖屑顆粒產生旋轉，沿著排屑槽進入環空區域。為探究不同鉆速下井底流場的巖屑顆粒運移規律，選擇4種不同鉆速下的工況，對旋轉導向鉆頭的井底流場進行數值模擬。轉速分別為6、 7、 8、 9 rad/s。旋轉導向鉆頭井底流速如圖7所示，巖屑顆粒在井底分布及運移速度如圖8所示。從圖中可以看出，在靠近噴嘴區域的鉆井液流速較大，而遠離噴嘴區域的鉆井液流速較小，位于鉆頭中心區域的鉆井液流速較小，在中心區域易產生巖屑聚集，當巖屑聚集較多時，則會產生泥包，進而影響到整個鉆井的工作效率。隨著鉆頭鉆速的增大，各個區域的流速增大，空間區域中巖屑被快速攜帶，流速相對較小的區域面積逐漸減少。鉆頭的旋轉可造成井底巖屑受力不均，能夠有助于巖屑快速脫離井底上返。

由于噴嘴位置分布的不規則，鉆頭的旋轉使得水力能量在規律性變化，形成高速與低速水流交錯出現，有助于井底巖屑的清洗。巖屑顆粒運移平均速度如圖9所示。由圖可知，鉆頭旋轉速度為6 rad/s時， 位于井底流場區域的鉆井液流速最高僅為1.84 m/s， 巖屑顆粒運移速度在迭代時間t=0.6 s時僅為1.73 m/s， 隨著鉆頭旋轉速度逐漸增大至9 rad/s時， 巖屑運移平均速度高達2.12 m/s， 在迭代時間t=0.6 s時可達到1.98 m/s，在井底流場中的鉆井液最大流速和巖屑顆粒的最大運移速度相近。綜上所述，旋轉導向鉆具鉆頭旋轉的轉速增大，鉆井液與巖屑顆粒的運動速度也增大，對于井底巖屑顆粒的運移起到正反饋的作用，提高了井底清潔度。

3.2 巖屑顆粒在不同鉆井液流速時的運移規律

在鉆井過程中，井底流場可能會出現水力能量不足夠，巖屑顆粒不易被攜帶至環空，井底中心出現處低速區與中心漩渦[17]，鉆井液流速對調節井底的水力能量起重要作用，同時對井底巖屑顆粒的運移也產生影響。選定4種不同的鉆井液流速對旋轉導向鉆頭井下巖屑顆粒運移進行數值模擬分析，鉆井液流速分別為1.5、 2、 2.5、 3 m/s。井底鉆井液流速如圖10所示，不同鉆井液流速時井底巖屑顆粒分布及運移速度如圖11所示。由圖10可得到，隨著鉆井液流速的增大，鉆頭中心部位的低流速區域明顯變小，在每個流道以及排屑槽中的流速變大，整個鉆頭表面的鉆井液流速大幅度提高。

（a）6 rad/s

（b）7 rad/s

（c）8 rad/s

（d）9 rad/s

（a）6 rad/s

（b）7 rad/s

（c）8 rad/s

（d）9 rad/s

圖9 不同轉速時巖屑顆粒運移平均速度Fig.9 Transport velocity of rock chip particles at different rotational speeds

（a）1.5 m/s

（b）2.0 m/s

（c）2.5 m/s

（d）3.0 m/s

圖12所示為巖屑顆粒在不同流速時的平均運移速度。由圖可知，隨著鉆井液流速的增大，巖屑顆粒所得到的動能增大，顆粒的運動軌跡更加復雜，獲得更大的動能使得巖屑顆粒被快速通過流道運移至環空的概率增加，足夠的水力能量作用于巖屑顆粒使得井底巖屑濃度大幅度的減小，巖屑顆粒在井底的聚集也大大減少。鉆井液流速的提升使得最大巖屑顆粒運移速度從1.4 m/s增大至2.82 m/s，當迭代時間為0.6 s時，巖屑運移平均速度由最低的1.32 m/s提升至2.66 m/s。由此可知，增大流速可以使得井底水力能量增大，巖屑顆粒運移效率增加，提高了井眼清潔度。

3.3 不同粒徑巖屑顆粒的運移規律

（a）1.5 m/s

（b）2.0 m/s

（c）2.5 m/s

（d）3.0 m/s

巖屑顆粒粒徑也時刻影響著井底流場的變化， 當巖屑顆粒粒徑過大時， 大塊巖屑可能會堵塞排屑槽， 使得井底巖屑顆粒不能通過排屑槽運移至環空處， 排屑槽的堵塞會造成鉆井液的回流， 鉆井液回流會攜帶巖屑重新回到井底[18]，導致巖屑顆粒重復碾磨，不利于井底巖屑清理， 嚴重影響鉆井效率。為探究巖屑顆粒粒徑大小對井底巖屑顆粒運移規律的影響， 選定顆粒直徑分別為1、 2、 2.5、 3 mm的球形顆粒進行數值仿真模擬， 在不同巖屑顆粒粒徑條件下鉆井液流速如圖13所示， 不同巖屑顆粒粒徑時井底巖屑顆粒分布及運移速度圖如圖14所示。 由圖可知， 隨著顆粒粒徑的增大， 井底流場的流速變化明顯， 在鉆頭邊緣部的鉆井液速度受到影響較為顯著， 巖屑顆粒的增大會增加上返環空的難度。

圖12 不同鉆井液流速時巖屑顆粒平均運移速度Fig.12 Rock chip particle transport velocity under different drilling fluid flow rates

（a）1.0 mm

（b）2.0 mm

（c）2.5 mm

（d）3.0 mm

巖屑顆粒粒徑的增大， 巖屑顆粒運移出井底所需的水力能量就會增大， 隨著巖屑顆粒的產生增多， 巖屑顆粒就會因水力能量的缺乏而無法快速運移到上返環空， 最終導致井底巖屑顆粒聚集。 巖屑顆粒的運移平均速度如圖15所示。 由圖可知， 隨著粒徑的增大， 巖屑運移的速度降低，直徑為1 mm的巖屑顆粒最大的運移平均速度可達到2.1 m/s，而直徑為3 mm的巖屑顆粒最大的運移平均速度僅為1.71 m/s。由此可知，粒徑較大的巖屑會大大影響巖屑顆粒的運移效果。巖屑顆粒粒徑的增大導致巖屑顆粒自身的質量增大，鉆頭的旋轉與鉆井液的流動所產生的水力能量不足，不能夠帶動大顆粒巖屑至環空； 在狹窄的井底環境中， 巖屑的聚集減少了顆粒之間的碰撞， 導致更多的巖屑聚集， 從而產生鉆頭泥包， 導致鉆井效率降低。

（a）1.0 mm

（b）2.0 mm

（c）2.5 mm

（d）3.0 mm

圖15 不同巖屑顆粒粒徑時巖屑運移平均速度Fig.15 Rock chip transport velocity under different particle size of rock chip

3.4 巖屑顆粒在不同鉆頭偏置角度時的運移規律

旋轉導向鉆具在進行造斜時，鉆頭偏置一定角度會導致井底空間結構的改變，同時也影響著整個井底流場巖屑顆粒的運移效率。為了探究旋轉導向鉆頭的不同指向角度對井底流場的影響，設定鉆井液流速為3 m/s，選定旋轉導向鉆頭偏置的指向角度分別為0°、 2.5°、 5°進行數值模擬分析，在不同鉆頭偏置角度時的井底鉆井液流速云圖如圖16所示，不同鉆頭偏置角度時井底巖屑顆粒分布及運移速度圖如圖17所示。由圖可知，鉆頭未發生偏置時，鉆頭兩側的速度分布均勻且呈軸對稱分布，最小流速區域處于鉆頭中心部位。當鉆頭的偏置的指向角度發生改變時，偏置導致一側與井壁的間隙變小，另一側間隙增大，間隙大的鉆井液流速因巖屑可快速通過；但是由于空間體積增大，鉆井液的流動力量被削弱，因此巖屑顆粒所獲得水力能量也被減弱。間隙小的鉆井液流速雖然增大，但是較大顆粒可能會堵塞空隙，大大降低巖屑運移效率。鉆頭偏置的指向角度逐漸增大到最大5°時，整個流場分布呈現不均勻分布，間隙大的一側鉆井液流速低于間隙小的一側的，井底流場空間內的低速區域增大。

圖16 不同鉆頭偏置角度時井底流場云圖Fig.16 Flow field clouds at bottom of well with different drill bit offset angles

圖17 不同鉆頭偏置角度時井底巖屑顆粒分布及運移速度Fig.17 Distribution and transport rate of rock chip particles at bottom of well under different bit offset angles

旋轉導向鉆頭的偏置會使得巖屑顆粒的運動變得更加復雜，空間結構的改變加劇了顆粒間的碰撞，大量無規則的碰撞與運動會消耗巖屑顆粒的動能，導致巖屑顆粒上返回運移至環空的運動速度不足。圖18所示為不同鉆頭偏置角度時巖屑顆粒運移平均速度，隨著鉆頭偏置的角度的增大，最大巖屑顆粒平均速度從2.95 m/s減小至2.41 m/s，在迭代時間為0.7 s時未發生鉆頭偏置的井底流場巖屑顆粒平均速度為2.75 m/s，而在鉆頭偏置角度為5°時，井底流場中巖屑顆粒的動能損耗較為明顯，巖屑顆粒運移平均速度僅為2.34 m/s。由此可得，在進行導向鉆進過程中，鉆進時間不易過長，應進行間歇鉆進以清理井底巖屑顆粒，也可在導向鉆進時加大鉆井液流速。旋轉導向鉆頭的偏置會使得巖屑顆粒的運移效率降低，可能會加劇鉆頭磨損與泥包問題。

圖18 不同鉆頭偏置角度時巖屑運移平均速度Fig.18 Chip transport velocity at different bit offset angles

4 結論

1）CFD-DEM耦合算法考慮到鉆井液與巖屑顆粒的相互作用，能夠更加接近實際工況，為后續的理論研究和實驗研究提供參考。

2）提高旋轉導向鉆頭轉速與鉆井液流速，巖屑顆粒的運移動速度增大，對于井底巖屑顆粒的運移起到正反饋的作用，提高了井底清潔度；巖屑顆粒粒徑的增大會減小巖屑顆粒的運移速度，降低巖屑運移效率。當巖屑顆粒直徑大于3 mm時，巖屑運移速度降低更加明顯。

3）旋轉導向鉆頭偏置會導致井底空間結構的變化，同時也影響著整個井底流場巖屑顆粒的運移效率。導向鉆進的流場是不規則的井底形狀，加劇巖屑顆粒之間碰撞導致動能損耗，水力能量也因空間結構的改變而削弱，使得巖屑顆粒的運移速度降低，最終可能會加劇鉆頭磨損，并產生泥包問題。