圍壓條件下脈沖射流提高清巖效果數值模擬研究

劉　爽　李根生　史懷忠

（中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室，北京　102249）

圍壓條件下脈沖射流提高清巖效果數值模擬研究

劉爽李根生史懷忠

（中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249）

脈沖射流鉆井技術具有高效清巖能力，但其提速機制還不十分清楚。通過建立圍壓條件下單噴嘴脈沖射流井底清巖物理模型，對脈沖射流清巖過程進行了數值模擬研究，分析了影響脈沖射流清巖效果的主要因素。結果表明，非穩態旋流是脈沖射流提高清巖效果的主要原因之一，在相同排量條件下，脈沖射流清巖效率比連續射流平均提高約1~1.6倍。脈沖射流清巖效率隨著噴嘴直徑和入口流速的增大而增大；圍壓對脈沖射流清巖過程影響較小；低頻率脈沖射流的清巖總體效果較好；隨著巖屑粒徑增大，井底沖擊區域內巖屑分布非均勻性增強，脈沖射流清巖效率降低。研究結果對指導脈沖射流提速技術的工程實踐具有一定的參考價值。

鉆井；脈沖射流；清巖；巖屑；數值模擬

隨著深地層和超深地層油氣的開發，低鉆井速度和長鉆井周期已經成為深井鉆井巨大的挑戰［1-2］。井底巖屑的有效清除是鉆井提速的一個重要方面，針對鉆井過程中井底清巖問題，增大泵排量是最直接有效的方法，但由于地面和井下設備、井深、水力能量等條件的限制，增大排量受到設備、成本等各個方面的制約。利用射流鉆井技術可以改善井底水力能量分布，提高井底凈化能力，從而達到提高深井鉆速的目的［3-4］。

脈沖射流鉆井技術是在常規射流鉆井技術基礎上提出的，近幾年快速發展的有效提速鉆井技術，應用在井下增壓、超高壓射流等多個方面［5］。脈沖射流鉆井技術利用有限的井底水力能量產生局部脈沖負壓、瞬時沖擊壓力等作用，改善井底凈化條件和巖石應力狀態［6］。Wells和Bizanti對射流紊流和波動產生的攜巖效果進行了實驗與理論研究，得出射流流體的紊流和波動有利于提高攜巖效果［7-8］。熊繼有等通過對脈沖射流噴嘴的研究，理論分析了脈沖射流清巖機理，得出脈沖射流有利于降低井底巖屑的壓持效應［9］。王瑞和等對自激脈沖射流技術進行了水動力的分析，進一步實驗驗證了脈沖射流技術對井底清巖具有較好的效果［10］。因此深入研究脈沖射流高效清巖原理對工程應用具有重要意義。

目前，國內外學者多關注射流輔助破巖機理與相關工具的研制開發，對常規射流的清巖作用也有相關研究，但對脈沖射流高效清巖對鉆井提速的影響研究較少。借鑒常規射流清巖研究經驗，射流沖擊所產生的應力波與靜壓力共同作用導致巖屑層的破壞［11］，因此對于脈沖射流清巖研究，巖屑層的破壞主要是脈沖射流產生的應力波與波動壓力共同作用的結果。為了研究脈沖射流清除井底巖屑效果，筆者根據流體力學原理，利用有限元方法，建立了井底邊界條件下單噴嘴脈沖射流井底清巖物理模型，在模型中設定了初始靜止巖屑層模擬井底巖屑。研究中，對比分析了脈沖射流與常規連續射流的清巖效果差異，并對巖屑尺寸、圍壓、脈沖射流頻率和噴嘴尺寸等因素的影響規律進行了詳細分析。

1　物理模型

在脈沖射流清巖過程中，脈沖流體經噴嘴首先進入射流沖擊區域，再對井底壁面的巖屑層產生沖擊清巖作用，懸浮的巖屑隨流體流動被攜帶出井底。筆者將井底空間和圍壓條件進行簡化，建立了單噴嘴脈沖射流井底清巖流場物理模型，該模型主要由噴嘴、射流流體區域和巖屑區域三部分組成，如圖1所示。

圖2是脈沖射流清巖物理模型三維網格圖，在對模型進行網格劃分時，網格單元采用非結構性的混合網格，以四面體網格單元為主，在適當位置采用六面體、錐體、楔形的網格單元，并且采用局部網格劃分法，在壓力梯度變化較大的噴嘴直線段和巖屑沖擊區域加密網格，共劃分了296 030個網格單元。

假設條件：（1）脈沖射流入口速度簡化為余弦函數；（2）僅考慮單噴嘴情況，噴嘴位于井眼中心；（3）不考慮鉆頭的旋轉與振動，簡化圍壓和鉆頭條件，將鉆頭面簡化為平面約束；（4）忽略流體的壓縮性。

圖2　脈沖射流清巖物理模型網格劃分

2　邊界條件及特殊處理

文中進行的數值模擬計算主要研究脈沖射流清巖過程中沖擊區域內剩余巖屑的體積分數隨時間的分布規律，在模型中設定固定量的巖屑層作為清巖對象，暫不考慮巖屑的產生。由于脈沖射流為非定常流動，采用非穩態模型進行計算。考慮到模型中液固兩相流動，采用Euler多相流模型。脈沖射流在沖擊區域內的流動狀態為復雜的湍流運動并伴有旋流產生，因此采用Realizable k-ε湍流模型。對邊界條件進行以下的設定。

（1）入口邊界條件。采用速度入口邊界條件，以余弦型時間函數為例進行分析，脈沖射流速度為

（2）出口邊界條件。采用了壓力出口（pressureoutlet）的邊界條件，其物理意義是在出口施加一定壓力值模擬環空圍壓的效果。

（3）其他壁面邊界條件。采用固定壁面邊界條件對模擬計算的區域進行封閉。

（4）在模型設置中設定巖屑區域和流體區域如圖1。初始時刻設定流體區域內巖屑濃度為0，流體介質為水，密度為1 000 kg/m3，黏度0.001 Pa·s；初始時刻設定巖屑區域為靜止巖屑，初速度為0，巖屑濃度為100%。

3　數值模擬結果及討論

3.1脈沖射流與連續射流井底清巖效果對比分析

脈沖射流與連續射流的區別在于噴嘴入口的射流流動方式不同，脈沖射流是非定常流動，連續射流則為定常流動。為了對比研究脈沖射流與連續射流清巖能力，在相同排量條件下對脈沖射流清巖和連續射流清巖進行了對比分析。方案的具體參數設計為噴嘴直徑10 mm；圍壓5 MPa； 初始時刻噴距30 mm； 巖屑直徑5 mm； 初始時刻固相體積分數55.5%。

圖3所示為在巖屑粒徑5 mm條件下井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度隨時間變化的曲線。在連續射流作用下，井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度近似呈直線下降；在脈沖射流作用下，整個井底沖擊區域的流體流速均具有隨時間變化的不穩定性，導致對射流清巖和流體攜巖能力產生波動影響。在脈沖射流清巖過程中，前期巖屑體積濃度快速下降，當剩余巖屑量較少達到某一值時，出口處出現攜巖不連續，剩余的少量巖屑隨渦流在井底空間內由上到下旋轉，直至再次運動到出口處，巖屑隨流體被攜出井底，因此出現井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度呈階梯狀下降。

如圖3，在任意時刻，脈沖射流作用下的井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度總低于連續射流作用下的井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度，說明脈沖射流清巖效果優于連續射流。以單位時間內清除的巖屑體積為清巖效率進行2種射流的比較，得到脈沖射流清巖效率比連續射流清巖效率平均提高約1~1.6倍。

圖3　不同射流方式沖擊區域內巖屑體積濃度隨時間變化

圖4為脈沖射流清巖過程中部分時間的井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度變化云圖。從云圖中可以看到，由于脈沖射流的射流速度隨時間具有脈動性，并且受到不穩定旋流的影響，脈沖射流清巖過程：脈沖射流沖擊到巖屑區域，逐漸穿過巖屑層，由于噴距的延長，沖擊面積逐漸擴大，并通過漫流推動表層巖屑向出口移動，當射流到達巖層底部，脈沖射流在有限的空間內就形成非穩態旋流，巖屑濃度較高時，局部旋流卷吸巖屑運動，當巖屑濃度降低時，旋流占據井底全部空間，清掃井底不同位置的巖屑，流場上端鉆頭面處巖屑隨脈沖旋流運動。

圖4　脈沖射流清巖過程巖屑體積濃度變化云圖

圖5為連續射流清巖過程中部分時間點的井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度變化云圖。從云圖可看到，連續射流清巖過程是：連續射流沖擊到巖屑區域，以恒定速度逐漸射穿巖屑區域，由于噴距的延長，沖擊范圍逐漸增大，并通過漫流推動表層巖屑向出口移動，當射流到達巖層底部后，漫流是推動沖擊區域內剩余巖屑完全脫離巖層底部的主要動力，穩態旋流的作用很小，上部鉆頭面處巖屑較難清除。

圖5　連續射流清巖過程巖屑體積濃度變化云圖

3.2脈沖射流井底清巖參數影響規律分析

3.2.1巖屑直徑巖屑直徑是影響水力脈沖射流井底清巖效果的主要因素之一。小粒徑巖屑便于被攜帶，大粒徑巖屑很容易二次沉積，導致鉆頭重復研磨破碎巖屑，降低鉆井效率。數值模擬方案具體參數設計為：巖屑直徑1 mm、3 mm、5 mm、7mm； 影響分析時的參數組合，噴嘴直徑10mm； 圍壓5 MPa；初始時刻噴距30 mm； 脈沖頻率10Hz； 初始時刻固相體積分數55.5%；速度脈沖幅值100 m/s。

圖6是在不同巖屑粒徑條件下脈沖射流清巖過程中井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度隨時間變化曲線。從圖中曲線可以觀察到，在脈沖射流清巖過程中，巖屑粒徑越小，脈沖射流快速清巖時間越早，清巖時間越短。隨著巖屑粒徑增加，大顆粒巖屑分布的非均勻性增強，清巖難度增大，脈沖射流快速清巖時間延后。

圖7所示為在脈沖射流清巖過程中不同時刻井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度隨巖屑粒徑的變化曲線。從圖中可以觀察到，在任意時刻，隨巖屑粒徑越大，井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度越高，近似呈線性增加。

圖6　不同巖屑粒徑條件下沖擊區域內巖屑體積濃度隨時間變化

圖7　不同時刻沖擊區域內巖屑體積濃度隨巖屑直徑變化

3.2.2圍壓研究圍壓對于脈沖射流井底清巖的影響，數值模擬方案具體設計如下：圍壓值分別為 0 MPa，5 MPa，10 MPa，30 MPa； 圍壓影響分析時其余參數組合：巖屑粒徑5 mm； 噴嘴直徑5mm； 初始時刻噴距30 mm； 脈沖頻率10 Hz； 初始時刻固相體積分數55.5%；速度脈沖幅值100 m/s。

圖8所示為不同圍壓條件下井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度隨時間變化曲線。不同圍壓條件的曲線變化趨勢相同，且基本重合。圖9所示為不同時刻井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度隨環空圍壓變化曲線，在保證其他參數一定的情況下，隨著環空圍壓增大，井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度稍有增加，但增加量很小，基本可以忽略。說明在巖屑脫離井底母巖后圍壓對脈沖射流清巖效果基本沒有影響。

圖8　不同圍壓下沖擊區域巖屑體積濃度隨時間變化

圖9　不同時刻沖擊區域內巖屑濃度隨圍壓值變化曲線

3.2.3脈沖頻率在研究脈沖頻率對于脈沖射流井底清巖的影響時，改變入口脈沖射流速度頻率，模擬不同脈沖頻率條件對脈沖射流清巖的影響，數值模擬方案具體設計如下：脈沖頻率分別為5 Hz、10 Hz、20 Hz、30 Hz； 脈沖頻率影響分析時其余參數組合: 巖屑粒徑5 mm； 噴嘴直徑5 mm； 初始時刻噴距30 mm； 圍壓5 MPa； 初始時刻固相體積分數55.5%；速度脈沖幅值100 m/s。

圖10所示為不同脈沖頻率條件下井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度隨時間變化曲線。在清巖前期，巖屑濃度較高時，低頻率的脈沖射流清巖效果較好，低頻脈沖射流在井底能夠產生長周期的脈沖旋流，這樣的旋流具有較強的卷吸作用；隨著巖屑濃度降低，高頻率的脈沖射流清巖效果逐漸改善，高頻率脈沖射流縮短了旋流的旋轉周期，加快了攜巖速度。隨著入口脈沖射流頻率改變，井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度發生一定的變化，對比不同脈沖頻率清巖的總體效果，低頻率脈沖射流具有較高的清巖能量。

3.2.4噴嘴直徑噴嘴直徑是脈沖射流井底清巖的重要影響因素之一。研究噴嘴直徑對于脈沖射流井底清巖影響的數值模擬方案具體設計如下：噴嘴直徑5 mm、10 mm、15 mm、20 mm； 影響分析時的參數組合， 巖屑粒徑5 mm； 圍壓5 MPa； 初始時刻噴距30 mm； 脈沖頻率10 Hz； 初始時刻固相體積分數55.5%；速度脈沖幅值100 m/s。

在噴嘴入口脈沖射流速度相同的前提下，噴嘴直徑的大小直接影響排量。圖11所示為不同噴嘴直徑條件下井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度隨時間變化曲線。隨時間延長，不同噴嘴直徑條件下井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度均呈下降趨勢，隨著噴嘴直徑的越大，曲線的梯度變化越小。圖12所示為不同時刻井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度隨噴嘴直徑的變化曲線。噴嘴直徑的越大，噴嘴截面積越大，井底沖擊區域內剩余巖屑的體積濃度近似呈線性降低。

圖10　不同脈沖頻率下沖擊區域巖屑體積濃度隨時間變化

圖11　不同噴嘴直徑下沖擊區域內巖屑體積濃度隨時間變化曲線

圖12　不同時刻沖擊區域巖屑濃度隨噴嘴直徑變化曲線

4　結論

（1）在相同條件下，連續射流井底清巖的巖屑體積濃度隨時間呈線性下降，脈沖射流井底清巖的巖屑體積濃度呈波動下降，且在任意時刻，脈沖射流清巖能力都強于連續射流。

（2）隨著巖屑粒徑增大，井底沖擊區域內巖屑分布非均勻性增強，脈沖射流清巖效率降低。

（3）在巖屑脫離井底母巖后圍壓對脈沖射流清巖效果基本沒有影響。

（4）針對巖屑濃度較高的區域，低頻脈沖射流清巖效果較好。在現場作業條件允許下，應該選擇低頻脈沖射流，不僅降低設備共振破壞的風險，還能夠提高脈沖射流的清巖效果。

（5）在噴嘴入口脈沖射流速度恒定的條件下，在任意時刻，隨著噴嘴直徑提高，脈沖射流沖擊壓力增強，沖擊范圍增大，脈沖射流井底清巖能力增強。在現場工況允許的前提下，應該適當增大泵排量和噴嘴直徑，提升脈沖總能量，從而可以提升脈沖射流清巖速度。

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（修改稿收到日期2015-04-05）

〔編輯薛改珍〕

Numerical simulation research on improving cleaning cuttings effectiveness with pulsed jet under confining pressure

LIU Shuang, LI Gensheng, SHI Huaizhong
（State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

The drilling technology with pulsed jet is highly capable of cleaning the cuttings, but its acceleration mechanism remains unknown. By establishing a physical model for bottom hole cleaning cuttings by pulsed jet with single-nozzle under confining pressure, the numerical simulation research was conducted on the whole process of cleaning cuttings by pulsed jet, and the main factors affecting the cleaning cuttings effect by pulsed jet was analyzed. The research finding shows that unsteady state rotational flow is one of the main reasons for improvement of cleaning cuttings effect by pulsed jet. Under the same flow rate, the cleaning cuttings efficiency by pulsed jet is about 1-1.6 times that of continuous jet in average. The efficiency of cleaning cuttings by pulsed jet increases with the increase of nozzle diameter and inlet flowrate. The confining pressure has small effect on the process of cleaning cuttings by pulsed jet. The overall effect of cleaning cuttings by low frequency pulsed jet is good, with the increase of particle sizes, the heterogeneity of cuttings distribution within the impact area at hole bottom is intensified and the efficiency of cleaning cuttings by pulsed jet is reduced. The resulting conclusions provide a theoretical guidance for research on acceleration technique by pulsed jet.

drilling; pulsed jet; cleaning cuttings; cuttings; numerical simulation

TE21

A

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0006– 05

10.13639/j.odpt.2015.03.002

國家自然基金創新群體項目“復雜油氣井鉆井與完井基礎研究”（編號：51221003）；國家自然科學基金重大國際（地區）合作項目 （編號：51210006）。

劉爽，1986年生。油氣井工程專業在讀博士研究生。電話：010-89733988。E-mail：851846623@qq.com。通訊作者：李根生，1961年生。博士生導師。

引用格式：劉爽，李根生，史懷忠.圍壓條件下脈沖射流提高清巖效果數值模擬研究［J］.石油鉆采工藝，2015，37（3）：6-10.