大斜度井偏心環(huán)空鉆柱旋轉(zhuǎn)對巖屑運移的影響

孫曉峰，紀國棟，王克林，曲從鋒，蔣天洪

(1. 中國石油大學，北京 102200；2.中國石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100000；3.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000)

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大斜度井偏心環(huán)空鉆柱旋轉(zhuǎn)對巖屑運移的影響

孫曉峰1，紀國棟2，王克林3，曲從鋒2，蔣天洪3

(1. 中國石油大學，北京 102200；2.中國石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100000；3.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000)

在鉆井過程中，當液流速度小于巖屑懸浮運移速度時，巖屑容易在大斜度井段沉降并形成巖屑床，導致鉆柱卡鉆、高摩阻和扭矩、低機械鉆速等問題。建立大斜度偏心環(huán)空三維物理模型，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分環(huán)空流體域，用滑移網(wǎng)格模擬鉆柱旋轉(zhuǎn)。基于歐拉固液兩相流模型和Realizablek-ε紊流模型，考慮鉆井液對巖屑的舉升力、巖屑加速產(chǎn)生的虛質(zhì)量力以及固液間的動量交換，模擬了鉆柱旋轉(zhuǎn)條件下井斜角、巖屑注入濃度、鉆井液速度和黏度對巖屑運移的影響。研究表明：鉆柱旋轉(zhuǎn)使得巖屑床床面沿旋轉(zhuǎn)方向傾斜，沿井眼呈不對稱分布狀態(tài)，并能夠顯著減小環(huán)空巖屑濃度，其變化幅度受鉆井液入口流速、井斜角、鉆井液黏度和巖屑注入濃度的影響，但當轉(zhuǎn)速達到某一臨界值后，旋轉(zhuǎn)作用效果將減弱。研究結(jié)果可為采取合理措施提高巖屑運移效率提供參考。

偏心環(huán)空；大斜度井；鉆柱旋轉(zhuǎn)；巖屑運移；巖屑體積濃度

0 引 言

在大斜度和水平井段鉆進過程中，由于鉆井液攜帶巖屑效率較低，容易形成巖屑床，并引發(fā)鉆井事故，為此，有必要開展大斜度井段和水平井段巖屑運移規(guī)律研究，而鑒于影響巖屑運移的因素眾多[1]，應重點研究與實際鉆井工況接近的鉆柱旋轉(zhuǎn)條件下巖屑運移規(guī)律問題。針對鉆柱旋轉(zhuǎn)條件下的巖屑運移問題，國內(nèi)外學者進行了大量研究[2-12]。此次研究將利用CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬大斜度偏心環(huán)空鉆柱旋轉(zhuǎn)條件下井斜角、巖屑注入濃度、鉆井液黏度等參數(shù)對巖屑運移規(guī)律的影響，為采取合理措施提高巖屑運移效率提供參考。

1 數(shù)值模擬物理模型

為了模擬環(huán)空巖屑運移過程，建立了大斜度偏心環(huán)空三維物理模型(圖1)。環(huán)空結(jié)構(gòu)為215.9 mm×127.0 mm，偏心度為0.5，環(huán)空長度為12 m。利用滑移網(wǎng)格模擬鉆柱旋轉(zhuǎn)，CFD數(shù)值模擬邊界條件為速度入口和壓力出口。壁面附近低雷諾數(shù)區(qū)域選擇標準壁面函數(shù)，且鉆柱壁面和井壁采用不可滑移邊界。模擬參數(shù)見表1。

圖1 大斜度偏心環(huán)空物理模型

2 數(shù)值模擬控制方程

以鉆井液和巖屑的質(zhì)量守恒、動量守恒為基礎(chǔ)，考慮上舉力、固液間動量交換等因素，結(jié)合Realizableκ-ε紊流模型，采用壓力耦合方程的半隱式

表1 CFD模擬參數(shù)

算法SIMPLE求解封閉方程。

鉆井液質(zhì)量方程：

(1)

巖屑質(zhì)量方程：

(2)

式中：αf、αs為鉆井液和巖屑體積分數(shù)，αf+αs=1；vf、vs為鉆井液和巖屑運動速度，m/s；ρf、ρs為鉆井液和巖屑密度，kg/m3；▽為哈密頓算子。

鉆井液動量方程：

(3)

巖屑動量方程：

(4)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 鉆柱轉(zhuǎn)速對巖屑運移的影響

環(huán)空鉆井液攜巖效率受鉆井液流速影響較大，其切向和軸向速度分量在鉆井液攜巖過程中起不同作用。軸向速度主要是在環(huán)空寬間隙處形成流核區(qū)，將進入該區(qū)域的巖屑攜帶至井口，其受鉆柱轉(zhuǎn)速等參數(shù)的影響，隨著鉆柱轉(zhuǎn)速增加，在寬間隙處鉆井液軸向速度減小，而窄間隙處速度增加，且鉆井液流速越大，軸向速度越大；當轉(zhuǎn)速增至160 r/min后，軸向速度變化并不明顯。鉆井液切向速度主要由鉆柱旋轉(zhuǎn)作用產(chǎn)生，但由于鉆井液的黏性，切向速度沿井眼徑向呈指數(shù)衰減。因此，在窄間隙井壁附近處巖屑更易聚集形成巖屑床，而在鉆柱壁面附近不易成床。

由鉆柱轉(zhuǎn)速對環(huán)空巖屑濃度分布的影響(圖2)可知，鉆柱旋轉(zhuǎn)會使巖屑分布沿井眼呈不對稱分布狀態(tài)，且?guī)r屑床面極其不規(guī)則，此次研究選擇巖屑體積濃度來衡量井眼清潔狀況，在低鉆柱轉(zhuǎn)速下，環(huán)空巖屑處于懸浮層、移動巖屑床和靜止巖屑床3層流動狀態(tài)，增加鉆柱轉(zhuǎn)速會使靜止巖屑床逐漸消失。

圖2 鉆柱轉(zhuǎn)速對環(huán)空巖屑濃度分布的影響

圖3為鉆井液在不同入口流速條件下，鉆桿轉(zhuǎn)速對環(huán)空巖屑濃度影響的對比曲線，隨著鉆柱轉(zhuǎn)速的增加，巖屑體積近似線性減小，當增至160 r/min后，鉆柱轉(zhuǎn)速對改善巖屑運移效率的作用不再顯著，環(huán)空巖屑濃度降低幅度減小。

3.2 井斜角對巖屑運移的影響

圖4為巖屑注入濃度為1.0%、鉆井液入口速度為1.67 m/s和黏度為30 mPa·s時，井斜角為60～90 °的大斜度和水平井段巖屑體積濃度分布情況。大斜度井段中巖屑主要以翻滾形式向井口方向運移。當鉆柱轉(zhuǎn)速恒定時，增大井斜角，會使得巖屑運移速度增大，環(huán)空巖屑體積濃度減小；隨著鉆桿轉(zhuǎn)速增加，不同井斜角井段巖屑體積濃度均近似線性減小，這與Ali等[13]實驗指出在大斜度井段增加井斜角有助于提高鉆井液攜巖能力的結(jié)論一致。

圖3 鉆井液入口流速對巖屑體積濃度的影響

圖4 井斜角對巖屑體積濃度的影響

3.3 巖屑注入速度對巖屑運移的影響

圖5為井斜角為75 °、鉆井液入口速度為1.67 m/s和黏度為30 mPa·s時不同巖屑注入濃度對環(huán)空巖屑體積濃度的影響。隨著巖屑注入濃度增加，進入環(huán)空巖屑濃度增大，在保持其他參數(shù)不變時，最終滯留在環(huán)空中的巖屑體積濃度將增加。低巖屑注入濃度時，鉆桿轉(zhuǎn)速增加到160 r/min后，鉆柱轉(zhuǎn)速對改善巖屑運移效率的作用不再顯著，而高巖屑注入濃度時，環(huán)空巖屑濃度隨著鉆桿轉(zhuǎn)速增加呈線性減小。

圖5 巖屑注入濃度對巖屑體積濃度的影響

3.4 鉆井液黏度對巖屑運移的影響

圖6為巖屑注入濃度為1.0%、井斜角為75 °和鉆井液入口速度為1.67 m/s時鉆井液黏度對環(huán)空巖屑體積濃度的影響。隨著鉆井液黏度增加，鉆井液攜帶巖屑能力增強，環(huán)空巖屑體積濃度減小，有利于保持井眼清潔，同時隨著鉆桿轉(zhuǎn)速增加，巖屑體積濃度線性減小，這與Ford等[14]的實驗結(jié)果和Li等[15]的理論計算結(jié)果一致。

圖6 鉆井液黏度對巖屑體積濃度的影響

4 結(jié)論與建議

(1) 建立了大斜度井偏心環(huán)空三維物理模型，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分環(huán)空流體域，用滑移網(wǎng)格模擬鉆柱旋轉(zhuǎn)。基于歐拉固液兩相流模型和Realizablek-ε紊流模型，考慮鉆井液對巖屑的舉升力、巖屑加速產(chǎn)生的虛質(zhì)量力以及固液間的動量交換，建立了數(shù)字模擬模型。

(2) 鉆柱旋轉(zhuǎn)使得巖屑床床面沿旋轉(zhuǎn)方向傾斜，呈不對稱分布，當鉆柱轉(zhuǎn)速較小時，環(huán)空巖屑處于3層流動狀態(tài)，且隨著鉆柱轉(zhuǎn)速增大，靜止巖屑床逐漸消失，巖屑體積濃度減小，而當增至160 r/min后，旋轉(zhuǎn)作用效果減弱。

(3) 鉆井液入口流速、黏度或井斜角越大，巖屑運移速度越大，環(huán)空體積濃度越小，有利于保持井眼清潔，但增加巖屑注入濃度，會使得環(huán)空巖屑體積濃度增大。

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編輯 孟凡勤

20150718；改回日期：20150923

國家自然科學基金項目“鉆柱旋轉(zhuǎn)作用的大位移井環(huán)空巖屑運移機制研究”(51204056)；中國石油天然氣集團公司科學研究與技術(shù)開發(fā)項目“鉆井新裝備新工具研制”(2014B-4314)

孫曉峰(1980-)，男，講師，2005年畢業(yè)于大慶石油學院油氣儲運專業(yè)，2014年畢業(yè)于東北石油大學石油與天然氣工程專業(yè)，獲博士學位，現(xiàn)從事油氣鉆井井眼清潔技術(shù)和井控工藝科研工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.031

TE24

A

1006-6535(2015)06-0133-04