大位移井巖屑清潔工具仿真分析

吳百川，余文濤，鐘 震

(油氣鉆井技術國家工程實驗室防漏堵漏技術研究室，長江大學(武漢校區) 石油工程學院，武漢 430100)

在定向井鉆井作業中，巖屑易在大斜度井段堆積，形成巖屑床，導致機械鉆速低，井下卡鉆事故頻繁發生，嚴重影響鉆井安全與工作效率。一般認為，影響巖屑床堆積的因素包括環空流速、鉆井液流變性、井斜角[1]，單純依靠某一因素解決巖屑床問題，在現場應用中存在一定局限性。本文在對現有巖屑床清潔工具分析的基礎上，將不同形狀巖屑清理工具的井眼清洗能力進行對比。所得結論可為巖石清理工具的研制和應用提供理論支持。

1 巖屑清潔工具在冀東油區的應用簡介

冀東油田受海灘區域影響，油藏勘探開發以大斜度井及大位移井為主。為解決巖屑床在大斜度井鉆井施工中引起的摩阻增大、蹩泵、卡鉆等井下事故，設計并應用了“V”型巖屑清理工具和螺旋型巖屑清理工具，破壞巖屑床，并提高巖屑的環空返速[2]。

冀東油區某試驗井應用“V”型清潔工具清理巖屑床，由表1數據可知，最大井深4 385 m，設計最大井斜60.8°。實際鉆進中，鉆至3195 m井深，井斜達到45°，巖屑上返量明顯減少，摩阻增大。相鄰井完鉆時上提摩阻為700 kN，試驗井完鉆時上提摩阻為600 kN。對比相鄰井的泵壓，試驗井泵壓比相鄰井降低42%。

表1 試驗井井眼清潔工具現場試驗參數與鄰井對比情況

從圖1的鉆時數據分析可以看出，工具進尺1 100 m，平均鉆速21.19 m/h，與鄰井平均機械鉆速(9.41 m/h)相比提高120%。

圖1 試驗井與鄰井鉆時數據

通過摩阻轉矩以及平均鉆速可以看出，“V”型清潔工具下入后起到了降摩減扭的作用，說明井底巖屑清除效果較好。

2 巖屑清潔工具工作原理和力學仿真分析

2.1 巖屑清潔工具工作原理

螺旋型巖屑清理工具(如圖2)的旋轉使鉆井液在原來流速的基礎上產生軸向和切向的附加速度。螺旋槽道的旋轉產生漩渦，漩渦具有較大的能量，促使更多沉降在下環空低速區的巖屑顆粒進入上環空高速區。

圖2 螺旋型巖屑清理工具結構

“V”型工具(如圖3)在正常鉆進時，由于脖頸外徑的突降，環空泥漿會對巖屑床起到松動作用。同時，“V”型槽隨鉆桿旋轉，使泥漿產生劇烈的湍流，并影響附近環空的流體，這可以有效預防井段內巖屑顆粒的沉降(水力作用)。另一方面，可以對已經形成的巖屑床顆粒進行攪動，攪動起的巖屑顆粒被螺旋槽捕獲，然后被帶入到具有較高泥漿速度的懸浮層，運送至更遠的距離，繼而保證鉆進的順利進行[3-5]。

圖3 “V” 巖屑清理工具結構

2.2 井眼清潔工具力學仿真

運用ANSYS Workbench有限元軟件對不同種類井眼清潔工具進行靜力學仿真。工具采用40CrNiMo材料，屈服強度為931 MPa[6-7]。采用懸臂梁模型進行靜力學分析，靠近井底一端固定，靠近井口一端施加40 000 N·m的轉矩和700 kN的軸向拉力。

模擬不同種類井眼清潔工具在外力作用下的工況，由圖4可知，井眼清潔工具最大等效應力位置均在清潔器與桿體的過渡截面上，其中五槽道螺旋清潔工具的最大等效應力為258 MPa，六槽道清潔工具的最大等效應力為292.68 MPa，“V”型清潔工具的最大等效應力為202.83 MPa。

a 五槽道螺旋工具

b 六槽道螺旋工具

c 七槽道螺旋工具

d “V”型工具

利用鉆井技術手冊提供的公式[8]，分別計算此工況下清潔工具的安全系數，其中五槽道螺旋清潔工具的安全系數為3.247，六槽道清潔工具的安全系數為2.86，七槽道清潔工具的安全系數為2.516，“V”型清潔工具的安全系數為4.148。對比螺旋型清潔工具的力學特性，“V”型清潔工具的安全系數比螺旋型清潔工具高1.28～1.64倍。

3 工具流場及巖屑運移對比分析

3.1 流場邊界條件的設定

運用Fluent有限元軟件對井下環空流場進行模擬。由于模擬全井段巖屑運移難以實現，故選取部分管柱段作為研究對象。以井深4 300 m，井斜角60°為例，對模型的邊界條件進行了如下設定：

1) 進口條件。采用速度入口，鉆井液在入口流速垂直于邊界面。入口速度1.03 m/s。

2) 出口條件。采用壓力邊界大小與環境壓力保持一致，巖屑顆粒回流率為0。

3) 壁面邊界條件。將鉆桿等設定為光滑無滑移，井壁為固定壁面，且速度滿足無滑移條件，鉆具外表面為旋轉壁面，對壁面進行封閉。

4) 其他。鉆井液為冪律流體，稠度系數取0.45，流性指數取0.55，泥漿密度為1.2×103kg/m3。巖屑顆粒設置為球形，密度為2.6×103kg/m3，粒徑為2 mm。井眼壁面采用無滑移壁面條件。工具旋轉速度1 rad/s，巖屑床厚度為13 mm[9-11]。設定y軸負方向為重力場方向，且重力加速度設定為9.81 m/s2。

3.2 內流場仿真計算

3.2.1 巖屑運移速度的計算

以“V”型清潔工具為例，改變井眼清潔工具的類型，研究不同種工具性能的影響，以表征流場運移性能的運移速度和體積系數作為評價指標。

圖5為“V”型巖屑清理工具的中心位置處巖屑運移速度分布。初始階段，脖頸外徑突降，環空中的鉆井液對巖屑床起到松動作用，同時螺旋槽隨鉆桿旋轉引起泥漿產生劇烈的湍流，并影響附近環空的流體，進一步將已經形成的巖屑床顆粒進行攪動，攪動起的巖屑顆粒被螺旋槽捕獲，最后被帶入到具有較高泥漿速度的懸浮層，并運送至更遠的距離。

圖5 “V”型巖屑清理工具的巖屑運移速度云圖

運用Fluent軟件計算各個清潔工具的最大巖屑運移速度，由圖6可知，螺旋型五槽道清潔工具對巖屑運移的速度最快，數值為2.78 m/s，比“V”型清潔工具對巖屑的運移速度提高11.9%。將“V”型與五槽道螺旋型清巖工具對巖屑運移的速度進行對比，結果發現，螺旋型葉片具有最強的造渦和保持渦流的能力，雖然“V”型槽道能夠形成兩種轉向不同的渦流，但由于水力機械對巖屑顆粒有阻礙作用，導致巖屑運移速度下降，巖屑最大運移速度為2.48 m/s，對于螺旋型槽道，巖屑顆粒在運動路徑上沒有阻礙作用的影響。

圖6 不同巖屑清潔工具對巖屑的運移速度

3.2.2 巖屑體積系數的計算

通過改變巖屑粒徑，研究不同巖屑粒徑(1 mm和3 mm)下不同種工具對巖屑運移的影響，計算10 s范圍內巖屑體積系數的變化曲線，計算結果如圖7所示。

圖7 不同清潔工具的巖屑體積系數

巖屑沿著軸向運動，巖屑體積系數先減小，后增大，表現出類似與鉆柱轉速作用機理，即在1.5 m位置時達到最小，由于此位置是清潔設備出口，環空面積急劇增大導致單位體積巖屑量減少，從而使巖屑體積系數降低；從1.8 m到5.0 m位置，巖屑體積系數逐漸增大。隨著巖屑粒徑增大，巖屑體積系數逐漸增大，巖屑運移速度逐漸減小，巖屑粒徑對巖屑運移影響較大。對比發現，使用五槽道螺旋型清潔工具在清潔大粒徑巖屑時效果最好，使用“V”型清潔工具在清潔小粒徑巖屑時效果最好。

圖8為模擬10 s后環空流體在軸向距離4 m位置處巖屑體積系數切面，巖屑粒徑為1 mm時，“V”型清潔工具的清潔能力比螺旋型清潔工具高14%，巖屑粒徑為3 mm時，V型清潔工具的清潔能力比螺旋型清潔工具低30%。

圖8 巖屑體積系數

通過改變井壁粗糙度，研究了不同井壁粗糙度(1 mm和3 mm)情況下，工具類型對巖屑運移的影響，計算10 s范圍內巖屑體積系數的變化曲線，計算結果如圖9所示。

圖9 不同清潔工具的巖屑體積系數

由圖9可知，巖屑沿著軸向運動，巖屑體積系數先減小，后增大。此外，對比發現，使用“V”型工具時，流場中巖屑體積系數低于沒有使用螺旋型工具時流場中巖屑體積系數。井壁越不光滑，巖屑運移越通暢，參數的敏感性越不明顯。

4 結論

1) 現場試驗結果表明，“V”型清潔工具清理巖屑的效果顯著，使用壽命長。在大位移井作業中，可以減小鉆具運動時的摩阻、泵壓，同時可提高機械鉆速，改善井眼質量。

2) 運用有限元軟件計算不同類型井眼清潔工具在井下工況的受力，其中，“V”型清潔工具在同等工況下的安全系數最高，是螺旋型清潔工具的1.28～1.64倍。因此，適用于高水垂比的大位移鉆井作業。

3) 巖屑進入工具槽道后，軸向速度會快速增大，螺旋型工具增速效果明顯強于“V”型工具。對比不同槽道螺旋工具可知，五槽道螺旋工具的清潔效果及對巖屑運移的速度優于另外兩種工具。

4) 對比分析不同巖屑粒徑下工具的清潔效果。“V”型清潔工具適用于清潔小粒徑巖屑，六槽道螺旋型清潔工具適用于清潔大粒徑巖屑；井壁在相對粗糙時，使用“V”型工具清理巖屑的效果優于螺旋型清潔工具。