井眼清潔工具流場及巖屑運移數值模擬分析

吳欣袁，張恒，王建龍，楊文領，柳鶴

（渤海鉆探工程技術研究院，天津大港300280）

井眼清潔工具流場及巖屑運移數值模擬分析

吳欣袁，張恒，王建龍，楊文領，柳鶴

（渤海鉆探工程技術研究院，天津大港300280）

在大位移井、水平井鉆井過程中，常有巖屑運移不暢，形成巖屑床的現象發生，導致摩阻增大、蹩鉆等復雜問題，嚴重時甚至影響鉆井安全。本文分析了一種短節式的井眼清潔工具，采用計算流體動力學對其偏心旋轉工況下的流場進行模擬，通過特征截面流線圖、速度云圖等分析了工具對該井段的流場擾動作用機理；通過多相流計算，得出了巖屑顆粒運動情況。分析表明，工具對流場具有導流和攪拌的作用，加速巖屑顆粒運動；隨著工具轉速增大，工具對流場的擾動作用加大，巖屑顆粒離開模型的最終速度增大，因此顆粒滑落距離增加，有利于巖屑攜帶。在某油田1603井的現場試驗顯示，合理安放多個井眼清潔工具后振動篩返屑量明顯增加，后兩次收集巖屑體積分別是使用前的3.75倍和1.6倍。

井眼清潔；巖屑運移；大位移井；水平井；數值模擬

隨著國內外油氣田勘探開發的不斷深入，大位移井、水平井應用越來越廣泛。井眼中巖屑運移不暢，不斷沉積在環空的底邊形成越來越厚的巖屑床，導致摩阻增大、蹩鉆、卡鉆等現象產生，嚴重時甚至影響鉆井安全和鉆進效率。因此，提高井眼清潔效率，防止和清除巖屑床是亟待解決的問題。目前主要有以下幾種提高井眼清潔的方法：加大排量提高環空返速，增加鉆桿轉速，改善鉆井液攜巖性能，機械清除巖屑床等。其中，加大排量受到現場泵功率的限制，而且返速過快會過度沖刷井壁；增加鉆桿轉速在一定程度上可以提高井眼清潔效率，但會增加鉆具風險；改善鉆井液性能對攜巖能力的提高有限；機械清除法包括短起下和使用井眼清潔工具。頻繁的短起下鉆具，會增加司鉆工作量，減少純鉆時間，影響鉆井效率。就現場應用情況來看，使用井眼清潔工具是一個既經濟又有效的方法。這類工具的代表性產品有國外VAM公司的HydroClean高效清潔鉆桿[1]，DBS公司的CBI（Cutting Bed Impeller）工具，OILSCO公司的HCS（Hole Cleaning Sub）工具[2]。本文研究了一種短節式井眼清潔工具，采用流體動力學對其流場和巖屑顆粒運移進行了數值模擬，并根據結果分析了其工作機理，為工具的設計和結構優化提供了理論依據。

1 工具的流體力學模型

1.1 物理模型

井眼清潔工具安裝在鉆桿上，其外形特征在于外表面布置了V型或螺旋型溝槽結構[3]。在鉆具旋轉過程中這些結構將作用于井筒內部環空流場，改善流動性能[4]。本文所研究的井眼清潔工具簡化物理模型（見圖1），工具中段有葉輪型結構，起到擾流作用，工具左右兩側具有對稱的螺旋溝槽結構，起到導流作用。模型的基本幾何參數如下：模型整體水平放置，工具最大外徑172 mm，工具長度1 600 mm，井筒內徑為215.9 mm。由于重力的作用，鉆具與井筒不同軸，而是位于環空下方，設在x和y方向偏心距為10 mm。為了觀察不同階段井筒中流體狀態，分別在x=30 mm，x=500 mm，x= 680 mm，x=875 mm處設置特征截面。

1.2 邊界條件

入口處采用體積流量邊界條件，速度為30 L/s（0.03 m3/s），鉆井液密度為1.2 g/cm3；出口采用壓力邊界條件與環境壓力保持一致；井筒內表面設為真實壁面，固定且具有粗糙度；工具轉速設為0 r/min、30 r/min、60 r/min、90 r/min四種情況，具體邊界條件設定（見表1）[5，6]。

圖1 井眼清潔工具簡化物理模型及剖面圖Fig.1 Hole cleaning tools simplify physical model and sectional view

1.3 巖屑顆粒分析條件

設巖屑直徑為1 mm的球形固體顆粒[7，8]，密度為2 500 kg/m3，質量流量為0.2 kg/s，初始速度為Vz= 0.2 m/s；入口處注入巖屑顆粒，在入口環形面積上均勻分布30個巖屑顆粒；出口處邊界條件設為吸收，即巖屑顆粒在出口處消失；井筒內表面與工具外表面設為反射壁面，即巖屑顆粒在撞擊這些表面后發生反彈，速度與方向發生變化[9]。

表1 邊界條件Tab.1 Boundary conditions

圖2 特征截面處流線圖Fig.2 Streamlines at feature cross sections

2 數值模擬結果分析

2.1 流場分析

同一時刻四個特征截面上的流線分布（見圖2）。其中，圖2a為入口處（x=30 mm）流線圖，圖2a中流線分布比較均勻，幾乎沒有彎曲，屬于層流流動狀態，只在環空底部由于流道變窄而出現了壓力梯度；圖2b為前部螺旋槽處（x=500 mm）流線圖，由于螺旋槽的擾動作用，流線出現彎曲，底部以及左側出現渦流先兆；圖2c為中部葉輪結構處（x=680 mm）流線圖，圖中出現了明顯的渦流，并且可以看到工具旋轉將流體拋向上側井壁；圖2d為后部螺旋槽處（x=875 mm）流線圖，此處渦流得到充分發展，在旋轉方向上產生較大位移，產生旋流，提高巖屑運移效率。

在螺旋槽道的作用下，環空流體明顯地呈現出從小環空流向大環空的趨勢。根據偏心環空流體流動特征可知，大環空處流體的軸向速度大于小環空處的軸向速度，巖屑從小環空甩到大環空之后，更容易被鉆井液帶走[10，11]。

2.2 巖屑顆粒運移分析

工具不同旋轉速度下，巖屑在該段井筒中的運動情況（見圖3）。圖3a為轉速0 r/min，即靜止情況下，可以看到巖屑顆粒在鉆井液的攜帶下進入井筒，由于重力的原因，運動一段距離后滑落到環空的下部，并且速度越來越小，逐漸在下井壁堆積，形成巖屑床。圖3b為轉速30 r/min時，由于工具對流場的擾動作用，一部分巖屑顆粒被拋向上環空，被流速較快的鉆井液帶走，在下井壁堆積的巖屑顆粒數量明顯減少。圖3c為轉速60 r/min時，可以看到工具對整體流場的擾動作用已經非常充分，大部分巖屑顆粒在做旋轉前進的運動。圖3d為轉速90 r/min時，擾動作用增強，在環空底部的顆粒運動速度也明顯增加。

隨著鉆具旋轉速度的增加，井眼清潔工具對流場擾動加大，對巖屑顆粒運移產生積極作用。取其中3個巖屑顆粒進入模型出口表面的速度VZ，即顆粒離開模型的最終速度，繪制曲線圖（見圖4）。總體上來說在相同的初速度條件下，隨著鉆具轉速的增大，顆粒最終速度增大，巖屑從環空高邊滑落到環空低邊的距離也就越長，有利于巖屑運移。

圖3 不同轉速下巖屑運移圖Fig.3 Cuttings migration patterns at different speeds

圖4 顆粒在不同轉速下進入出口表面速度VZFig.4 The particles enter the exit surface velocity VZat different rotational speeds

3 現場應用

某油田1603井，為三段制井，井眼清潔工具應用井段2 114 m～3 011 m，井眼直徑215.9 mm，井斜65°。該井段為長穩斜段，從現場情況來看返屑不佳，井眼內應有一定量的巖屑堆積。根據參考文獻[3]，采用有限元模型中計算的巖屑顆粒最終速度，可計算巖屑顆粒在經過工具作用以后沿井筒運動多遠之后滑落到井壁下側，也就是工具安放位置的參考距離L。

其中：α-工具的攜帶因子，α=1～2；β-工具的加速因子，β=流場速度增加倍率；θ-井斜角；Dh-環空直徑；vh-環空返速；vsx-巖屑顆粒在井筒中的滑落速度，其計算方法在參考文獻[3]中有詳述。

本次現場試驗，井眼清潔工具共兩次入井，進尺897 m，第一趟鉆下入井眼清潔工具5個，第二趟鉆下入井眼清潔工具6個，根據公示計算，間隔距離100 m～150 m。井眼清潔工具最直接的功能就是破壞巖屑床，防止新的巖屑床生成，因此采用最直接的方法根據返出巖屑體積來判斷工具效果。本次試驗共三次收集巖屑，第一次為工具未入井之前1 759 m～1 789 m，第二次為工具下入第一趟鉆2 030 m～2 060 m，第三次為工具下入第二趟鉆2 955 m～2 985 m。三次分別收集巖屑體積為5.6×104cm3、2.1×104cm3、8.96×104cm3（見圖5）。

圖5 三趟鉆收集巖屑量Fig.5 The amount of cuttings collected in three trips

對比使用前后巖屑收集體積，第二次、第三次收集巖屑量為第一次的3.75倍，1.6倍。第二次巖屑量最多，是因為上一趟鉆在井眼中沉積的巖屑較多，使用井眼清潔工具后破壞了前期形成的巖屑床，返出量隨即增大；第三次巖屑量也比第一次多，可見井眼清潔工具能預防新的巖屑床生成，保證巖屑順利返出。

4 結論

（1）井眼清潔工具外形結構起導流和攪拌作用，對該井段流場產生巨大擾動，環空流體呈現從小環空向大環空流動趨勢，對巖屑顆粒有加速作用，并可將沉積到底部的巖屑顆粒帶離環空底邊。

（2）工具旋轉速度增加，對流場擾動作用加大，巖屑顆粒離開模型的最終速度增大，因此顆粒滑落距離增加，有利于巖屑攜帶。

（3）現場試驗表明，使用井眼清潔工具后，返出巖屑量明顯大于使用工具之前，證明該工具可起到破壞前期生成巖屑床，并預防新的巖屑床生成的作用。

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大慶煉化開發EP300M填補中國石油生產空白

近日，大慶煉化公司成功開發出的聚丙烯新產品中熔抗沖共聚注塑料EP300M銷售取得階段性成功，產品已投入批量生產，填補了中國石油此領域的生產空白。據了解，大慶煉化EP300M產品現已成功進入華南地區高端市場，客戶反映良好，產品需求廣泛，地區銷售公司建議大慶煉化持續排產，保障市場穩定供應。

據悉，中熔抗沖共聚注塑料EP300M是大慶煉化去年9月組織試生產的聚丙烯新產品，已通過國家CQC標志認證。此產品具有良好的抗沖性、高光澤度和耐應力，適合各類家電的生產。目前國內僅少數幾家廠商具備生產EP300M的能力。大慶煉化生產的EP300M在產品光澤度等方面質地更優，具備較強的市場競爭力，已得到包括美的集團在內的國內主要家電生產商的廣泛認可。

此產品市場前景廣闊，僅華南地區的需求量即達18萬噸/年。截至目前，大慶煉化已累計向華南地區市場供應2.79萬噸。

（摘自中國石油新聞中心2016-12-27）

Hole clean tools flow field and cuttings migration numerical simulation

WU Xinyuan，ZHANG Heng，WANG Jianlong，YANG Wenling，LIU He
（Engineering Technology Research Institute BHDC，Dagang Tianjin 300280，China）

During the drilling of the extended reach well and horizontal well,often poor cuttings transportation,forming cuttings bed.Cuttings bed will lead to increased friction,limping and other complex problems,serious and even affect the safety of drilling.This paper analyzes a short-section hole cleaning tool.The flow field under eccentric rotation is simulated by CFD.The flow field disturbance mechanism of the tool is analyzed by the characteristic cross-section flow chart,velocity cloud diagram and so on.Through the calculation of multiphase flow,the movement of cuttings particles is obtained.The analysis shows that the tool has the effect of diversion and stirring on the flow field and accelerates the movement of cuttings particles.As the tool speed increases,the disturbance effect of the tool on the flow field increases,the final velocity of the cuttings particles leaving the model increases.Therefore,the distance of particle slippage increases,which is favorable for cuttings to carry.In a field test wells 1603 proved reasonable placement of multiple hole cleaning tools,the amount of cuttings produced by shaking screen increased obviously.The volume of cuttings collected in thelast two times was 3.75 times and 1.6 times as before.

hole clean；cuttings migration；extended reach well；horizontal well；numerical simulation

TE927

A

1673-5285（2017）01-0073-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.022

2016－11-02

吳欣袁，男（1981-），四川宜賓人，博士研究生，高級工程師，主要從事井下工具研發工作，郵箱：bhzt_wxy@163.com。