射流磨鉆頭流場特性及其外排屑槽影響的數值模擬

陳緒躍 曹通 高德利 楊進 劉明濤 楊書港

1. 中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室；

2. 陜西省非常規油氣勘探開發協同創新中心(西安石油大學)；3. 遼河油田分公司鉆采工藝研究院

目前水平井廣泛應用于頁巖油氣、致密油氣、煤層氣、油頁巖、重油和油砂等非常規油氣資源的開發生產中，其鉆進時攜巖困難、托壓嚴重、機械鉆速慢、鉆井成本高等問題為生產帶來不利影響［1］。2013年高德利等提出采用粉碎巖屑的方法提高攜巖效率，并將射流磨粉碎技術首次引入鉆井行業，研發了一種水平井射流磨鉆頭［2-5］。它既能降低井底壓差實現欠平衡提速，又能粉碎巖屑實現其懸浮運移，有效減少甚至避免水平井鉆井過程中巖屑床的形成，為水平井安全高效鉆井作業提供技術支撐。然而，射流磨鉆頭水力結構復雜，其降低井底壓差與粉碎巖屑的性能除了與其結構設計和工作參數有關外，還與其外排屑槽尺寸和流場特性有很大關系。目前計算流體力學數值模擬技術被廣泛用于鉆頭水力結構優化設計［6］，筆者在前人研究基礎上基于計算流體力學方法，對射流磨鉆頭的流場特性及其外排屑槽尺寸的影響進行了數值模擬研究，揭示了外部排屑槽尺寸對射流磨鉆頭流場特性及其降壓性能的影響規律，對射流磨鉆頭水力結構的優化設計及改進有一定的指導意義。

1 物理模型及控制方程

1.1 物理模型

射流磨鉆頭在常規PDC鉆頭體內部加裝了抽吸井底流體和射流粉碎巖屑的流道［3?5］。圖1(a)所示為?215.9 mm 5刀翼射流磨鉆頭，具有5個正向噴嘴和5個反向噴嘴，正向噴嘴與反向噴嘴內徑均為7.76 mm；射流磨鉆頭保徑部位的外排屑槽深度為15 mm。圖1(b)所示為對外排屑槽尺寸，Ro為外排屑槽的外邊界半徑，Ri為外排屑槽的內邊界半徑，L為外排屑槽的內邊界弧長，則外排屑槽尺寸可表示為(Ro，Ri，L)，其中將L定為變量，通過改變L可以得到不同尺寸的外排屑槽。選取L的值分別為L=0、30、40、50、60、70 mm。井底簡化為平面，循環介質為水，建立計算域模型如圖2所示。

圖1 射流磨鉆頭冠部Fig. 1 Crown of jet mill bit

圖2 射流磨鉆頭流場計算域模型及網格Fig. 2 Calculation domain model and grid of the flow field of jet mill bit

1.2 控制方程

射流磨鉆頭內部流道及井筒內的流場皆為湍流流動，視內部流道及井筒內的流體為不可壓縮流體，采用標準k-ε雙方程模型進行數值模擬，其控制方程如下［7］。

連續方程為

動量方程為

其中

湍流動能方程k為

擴散方程ε 為

1.3 邊界條件

利用Fluent軟件對射流磨鉆頭進行流場仿真分析。邊界條件包含入口條件、壁面條件和出口條件。以射流磨鉆頭內部鉆井液泵入的主流道入口為流體入口，入口邊界采用入口速度條件，假設泥漿泵的排量為30 L/s，則入口速度即為16.5 m/s。壁面條件均假設為標準壁面。以射流磨鉆頭與井壁之間的環空頂部為出口，出口壓力值為60 MPa。利用SIMPLEC算法來解決速度和壓力耦合問題以提高迭代計算收斂速度，采用二階迎風格式來降低假擴散作用的影響。

2 數值仿真結果及分析

2.1 內部流道流場特性分析

如圖3和圖4所示，高壓鉆井液在通過反向噴嘴出口A處時產生了高速射流，從而形成了局部低壓，對井底流體產生了抽吸作用，可促使井底鉆井液攜帶巖屑加速上返。從圖中可以看出B區的鉆井液流速相對較高，然而壓力低于周圍鉆井液。C區域為反向射流與井底上返鉆井液的混合加速區，鉆井液流速比較高，有助于提高巖屑的剪切與水楔破碎效果。

圖3 射流磨鉆頭剖面速度云圖Fig. 3 Velocity contour of jet mill bit’s section

圖4 射流磨鉆頭剖面壓力云圖Fig. 4 Pressure contour of jet mill bit’s section

如圖5所示，由正向噴嘴射出的井底鉆井液在經過渦旋后，一部分進入內排屑孔，另一部分進入外排屑槽與井壁之間的間隙，這說明外排屑槽的存在對井底上返鉆井液具有分流作用。不同尺寸的外排屑槽對鉆井液的分流作用不同，且對井底流場的影響也不同，因此還需要對不同尺寸外排屑槽的射流磨鉆頭井底流場情況作進一步分析。

2.2 井底流場特性分析

圖6為不同單個外排屑槽寬度下的井底壓力云圖，按照壓力值的不同，可將井底壓力區域分為a、b、c，壓力由小到大的排列順序為a＜b＜c，由圖6可看出，單個外排屑槽寬度不同，對應的井底壓力分布也不同。

圖5 射流磨鉆頭剖面流線圖Fig. 5 Streamline chart of jet mill bit’s section

圖6 井底壓力云圖Fig. 6 Bottom hole pressure contour

如圖6和7所示，隨著單個外排屑槽寬度的增大，低壓a區的面積逐漸減小，且在L=0時低壓區面積遠大于L取其他值的情況。中壓b區主要分布在刀翼與刀翼之間的區域，隨著單個外排屑槽寬度的增大，中壓b區面積逐漸增大，直到占據大部分井底區域。高壓c區集中在噴嘴射流出口區域，隨著單個外排屑槽寬度的增大，高壓c區面積基本保持不變。在其他條件相同的情況下，隨著單個外排屑槽寬度的增大，井底低壓區和中壓區呈現一降一升的趨勢，井底壓力總體在增大。

圖7 井底壓力云圖中各壓力區間面積占井底面積的比例Fig. 7 The area ratio of each pressure interval in the bottom hole pressure contour to the bottom hole area

圖8為井底流體質點沿鉆頭直徑方向的壓力分布曲線，鉆頭直徑方向如圖3的箭頭指向所示，可以看出，隨著單個外排屑槽寬度L的增大，井底壓力相應增大，L=0時井底壓力最小，即無外排屑槽時射流磨鉆頭的降壓效果最好。沿鉆頭直徑方向井底壓力分布極不均勻，呈現出高壓與低壓交錯出現，在實鉆中隨著鉆頭的旋轉可造成井底巖屑受力不均，可能有助于巖屑快速脫離井底上返。

圖8 井底流體質點沿鉆頭直徑方向的壓力分布Fig. 8 Pressure distribution of bottom hole fluid particles along the diameter direction of the bit

圖9為井底流體質點沿鉆頭直徑方向的流速分布情況，可以看出，隨著單個外排屑槽寬度L的增大，井底流體質點的速度變化規律不太明顯。沿鉆頭直徑方向井底流體質點的速度變化較大，呈現出高速與低速交錯出現，在實鉆中隨著鉆頭的旋轉有助于井底巖屑的清洗。

由圖5可知，外排屑槽可能會對井底上返鉆井液有分流作用，不同尺寸的外排屑槽對鉆井液的分流作用不同，且對井底流場的影響也不一樣。如圖10所示(縱坐標正向表示流體流向沿井壁流向井底，縱坐標負向表示流體流向沿井底流向井口)，隨著單個外排屑槽寬度的增大，通過外排屑槽的總體積流量和通過內排屑孔上返的總體積流量都逐漸增多，但兩者的鉆井液流向相反，通過外排屑槽的鉆井液流向為沿著井壁流向井底方向，通過內排屑孔的鉆井液流向為從井底流向井口方向。內排屑孔的總體積流量占入口體積流量的比例超過了100%，這是由于部分上返流體通過外排屑槽重新回流到井底，在井底又通過內排屑孔上返流出，因此使得內排屑孔出口體積流量大于鉆頭的入口體積流量。這表明射流磨鉆頭的降壓效果比較明顯。鉆井液回流可能使部分攜巖鉆井液重新回到井底，造成巖屑的重復破碎，不利于井底巖屑清除，然而鉆井液回流的體積流量占比非常小，基本都在4%以內，因此分流影響基本可以忽略。

圖9 井底流體質點沿鉆頭直徑方向的流速分布Fig. 9 Flow velocity distribution of bottom hole fluid particles along the diameter direction of the bit

圖10 射流磨鉆頭出口體積流量分流比例Fig. 10 Distribution ratio of volume flow at the exit of the jet mill bit

3 結論與建議

(1)無外排屑槽時射流磨鉆頭的降壓效果最好，隨著單個外排屑槽寬度的增大，降壓效果逐漸降低，井底低、中壓區呈現一降一升的趨勢；沿鉆頭直徑方向井底壓力分布極不均勻，高壓與低壓交錯出現。

(2)隨著單個外排屑槽寬度的增大，井底流體質點的速度變化規律不太明顯；沿鉆頭直徑方向井底流體質點的速度變化較大，高速與低速交錯出現。

(3)在開外部排屑槽的情況下，內排屑孔的總體積流量占比達100%以上，隨單個外排屑槽寬度的增大，內排屑孔的總體積流量占比增加，且外排屑槽存在鉆井液回流的現象，回流體積流量占比基本在4%以內，因此外排屑槽的分流影響可以忽略。