通井規攜屑性能研究結構及參數優化

摘要：針對一體化井筒準備作業中巖屑通過通井規效果差，導致通井規攜屑能力低的問題，以攜屑能力為性能指標，采用正交試驗法對通井規進行結構優化設計，得到了最優結構參數：過流道深度6 mm、過流道螺旋角度80°、過流道寬度40 mm、扶正套錐角11°；同時以最優結構參數對通井規作業參數進行優選，優選出最佳作業參數：循環排量1.1 m3/min、轉速60 r/min。研究結果表明，對通井規結構參數優化和作業參數優選，提高了通井規攜屑能力，為通井規結構參數和工況參數的優化研究提供了參考，具有指導和借鑒意義。

關鍵詞：通井規；結構優化；正交試驗；攜屑能力

中圖分類號：TE934.2" " " " "文獻標志碼：A" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.05.008

Structural and Parameter Optimization of Well Gauges for Chip Carrying Performance Study

YANG Jian，WANG Han，LI Yufei，TANG Geng，ZHANG Lin

（Engineering Technology Research Institute，PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company，Chengdu 610031，China）

Abstract： Aiming to address the issue of the limited effectiveness of rock chips passing through the well gauge during the integrated wellbore preparation operation， which results in a reduced chip-carrying capacity of the well gauge， a structural optimization design of the well gauge was implemented through the use of an orthogonal test method， with the chip-carrying capacity serving as the performance index， and the optimal structural parameters were identified. The following parameters were obtained： the depth of the flow-through channel is 6 mm， the helix angle of the flow-through channel is 80°， the width of the flow-through channel is 40 mm， and the cone angle of the correcting sleeve is 11°. Furthermore， the optimal structural parameters were optimized and selected for the well gauge. In addition， the optimal structural parameters were employed to optimize the operating parameters of the well gauge， resulting in the selection of the optimal operating parameters： a circulating displacement of 1.1 m3/min and a rotational speed of 60 r/min. The results of the study demonstrate that the optimization of the structural parameters of the well gauge and the optimal selection of the operating parameters enhance the chip-carrying capacity of the well gauge， thereby providing a reference point for the optimization of the structural parameters of the well gauge and the operating parameters of the well gauge， which is of significant guidance and reference value.

Key words： well gauge; structural optimization; orthogonal test; chip carrying capacity

常規試油（氣）作業時，井筒準備工作有：起下替泥漿管柱、起下通井管柱、起下刮削管柱［1-2］。實現上述工作需要起下管柱六次，人員勞動強度大、施工周期長、綜合試油成本高。目前，井筒準備作業常采用一體化作業形式［3］，井筒準備一體化作業能夠實現一趟管柱完成通井、刮井、洗井等作業，去除套管內壁和井筒內的碎屑，大幅提升完井作業效率。

張俊成等人研制了一種套管通井刮削一體化工具，實現了一次管柱完成通井、試壓和刮削套管三種功能，節約大量作業成本，提高了現場作業效率［4］。邱小鋒等人研制出一種新型通井刮削多功能工具，實現了1趟管柱進行通井、試壓、刮削、正反洗井多種作業功能，在現場應用中，能夠減少作業時間、降低作業成本、提高作業效率，減少修井液對油層侵害時間［5］。師成燦等人設計開發了一種適用于連續油管作業機一體化通井規，實現通井、刮削、洗井作業一次完成［6］。王子海、李秀竹等人研制了一種可變徑的多功能防卡通井規，有效避免了中原油田開發中后期通井卡鉆事故的發生，改變了傳統的通井施工工藝［7-8］。曲占慶等人設計出高壓射流清污技術與通刮技術結合的清潔工具，具有套管刮削、高壓射流沖洗和防卡功能，提高了通刮作業效率［9］。劉練研發了刮削洗井一體化工具，可在刮削作業完成后通過投球打壓方式收回刮片，然后進行通井、洗井、替漿作業［10］。楊小華等人研制了一種大螺旋通井規，設計有寬距螺旋槽，有效降低了塔里木油田通井、刮削事故風險［11］。學者們研制了不同類型的通井規，多為對工具的整體結構進行分析，對其結構參數的優化缺乏深入研究，為此筆者設計了一種適用于套管的通井規，工具在通徑過程中具有一定的攜屑能力。建立通井規三維CFD模型，基于正交試驗法和運用Fluent軟件求解對通井規的結構參數進行優化，得到通井規最優結構參數；并以最優結構參數優選出通井規最佳作業參數。為通井規結構參數和工況參數的優化研究提供了參考，具有指導和借鑒意義。

1 工具結構與工作原理

1.1 結構

通井規由通徑短節、扶正套和固定環組成，其結構如圖1所示。工具內部為通孔，上下端分別加工有螺紋，用于連接鉆柱或其他井下工具。扶正套最大外徑158 mm，上設置有四個過流道凹槽（如圖2），安裝在通徑短節上，并通過固定環固定。

1.2 工作原理

在井筒準備一體化作業過程中，整套工具下入井內進行上下通井，通井規實現常規通井規功能；鉆磨水泥塞和刮管器刮削的巖屑隨環空液體流經通井規快速旋轉的過流道結構時，流動速度和方向劇烈變化，產生旋流，這會進一步增強工具周圍液流的紊流強度，使鉆井液攜巖和清巖的能力提高。

2 攜屑能力數值仿真分析

2.1 仿真模型

通井規的扶正套結構是攜屑最核心部分，對鉆井液的流場影響最大，因而對通井規進行簡化處理，只對扶正套段進行模擬分析［12］，建立模型如圖3所示。

通井規流場數值模擬選用滑移網格模型進行模擬，將整個計算域分為三個，相鄰的計算域之間存在交界面。選用混合單元劃分網格，其湍流模型采用標準e方程模型，選用 Simplec 算法作為模型解法［13］。

連續性方程為：

（1）

k方程：

（2）

著方程：

（3）

式中：Gk為湍動能產生率，Gk=μ1+；μe為有效黏性系數，μe=μ1+μ；ρ為鉆井液密度；r為極坐標計算半徑；u為井口方向速度；v為r方向速度；C1、C2、？滓k和？滓？著為模型系數。

進口采用velocity-inlet速度入口邊界條件。出口采用壓力出口pressure-outlet外壁面按無滑移處理，內壁面按旋轉壁面處理。

2.2 參數設置

旋轉區域的轉速設置為60 r/min，液相采用泥漿，密度為1 510 kg/m3，黏度為 0.04 Pa·s，泥漿的排量為0.8 m3/min，固相為沙粒，密度為2 500 kg/m3。按照上述的初始結構參數和操作條件來模擬通井規的作業過程。

2.3 結果分析

通井規流場跡線云圖如圖4所示，由于通井規設置有過流道，泥漿大部分從過流道經過通井規，少部分從通井規外壁和套管內壁之間的間隙流過。泥漿通過過流道時，由于過流面積減小而沿著過流道速度增加。同時，由于通井規的旋轉，使泥漿產生切向速度，出現螺旋運動軌跡。

巖屑體積分數云圖如圖5所示，由圖5可以看出，在經過通井規后，由于過流道的分流作用，巖屑分布不再均勻。通井規流場速度矢量圖如圖6所示，由圖6可知，通井規扶正套處的巖屑速度最大，且巖屑在通過扶正套區域后逐漸減小，這是由于通井規的旋轉和流道的縮頸，使得巖屑最大速度增大5倍。還可以看出，巖屑主要由過流道通過通井規，因此過流道的結構參數影響著通井規的巖屑通過能力。

3 正交試驗設計

3.1 因素水平及評價指標

通井規評價指標如圖7所示。為評價通井規的攜屑能力，采用出口流出砂的質量與入口流入砂的質量的比值作為評價指標，定量的評價不同試驗組的巖屑運移效果。其中比值越大說明通過扶正套區域的砂質量越大，代表通井規的攜屑效果越好。

通井規的攜屑能力與扶正套的結構參數直接相關，影響其工作效果的參數有過流道深度、過流道寬度、過流道螺旋角度及扶正套錐角，每個尺寸參數采取 5種水平進行正交試驗，如表1 所示。

3.2 試驗結果

通井規結構參數采用的是4因素5水平的正交試驗設計，標準正交試驗表中有與之最接近的標準表格為L25（56）標準正交表，此時就需要結合組合法得到正交試驗表。依據正交試驗表，通過fluent流體仿真，得到設計方案和仿真計算結果如表2所示。

對正交試驗的結果進行極差分析，能夠得到各因素對計算結果的影響程度，能夠獲得最優的組合。每個因素對結果的影響可以通過極差值R來表示，R值越大，說明對應的因素對結果的影響越大［14］。如表2所示，通過極差值R值分析，對通井規運移出去的砂的質量與前區域砂質量比值影響的主次順序是： A、C、D、B，即對通井規攜屑效果影響程度從大到小依次是過流道寬度、過流道深度、扶正套錐度、過流道螺旋角度；通過極差分析優選出通井規的結構參數組合為：A1B4C2D5，即為過流道深度6 mm、過流道螺旋角度80°、過流道寬度40 mm、扶正套錐角11°的結構參數組合。

4 工況參數優選

一體化管柱井筒準備作業的工作參數受鉆井設備和工況的限制。通過調研相同工具，通井規的轉速選取40、60、80、100、120 r/min的，循環排量選取0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 m3/min。通過對上述兩個因素的5個水平進行組合，得到25組組合方式，進行計算，得到結果如表3所示。

不同轉速、不同排量對通井規攜屑能力的影響如圖8所示，通過對比可以看出，比值隨著排量的增加而增加，當排量增加到0.9 m3/min后，比值隨排量增加變得緩慢。當通井規的轉速高于80 r/min時，攜屑效果會隨著轉速的增加而變差，這是因為轉速過高會對通井規區域流體的上返產生阻礙，影響砂粒的上返運移［15］。根據出口流出砂的質量與入口流入砂的質量的比值，能夠看出排量1.1 m3/min、轉速60 r/min這組的比值最大，攜屑效果最好。因此通井規的最佳作業參數為：排量1.1 m3/min、轉速60 r/min。

5 結論

本文基于正交試驗法對通井規結構參數進行了優化分析，并對通井規作業參數進行了優選，通過研究得到以下結論：

1） 通過正交試驗和CFD仿真技術，確定了對通井規攜屑能力影響最大的兩個參數為過流道寬度和過流道深度。

2） 應用正交試驗法和極差法，對影響通井規的全部結構參數進行主次順序排序，得出了應用于177.8 mm套管通井規的最佳結構參數組合為：過流道深度6 mm、過流道螺旋角度80°、過流道寬度40 mm、扶正套錐角11°。

3） 應用優化得到的最佳結構參數組合設計通井規，在不同排量和轉速作業工況下進行 CFD 模擬仿真，優選出最佳作業參數為排量1.1 m3/min、轉速60 r/min。

4） 相對于單因素分析結構參數對通井規攜屑性能的影響，采用正交試驗法能夠減少試驗次數，擴大結構參數研究范圍，為通井規結構參數的優化研究提供了參考，具有指導和借鑒意義。

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基金項目： 湖北省教育廳科學研究計劃資助項目“不同鉆井工況下溢流識別算法及自動化關井機理研究”（D20201305）；中石化科技部攻關項目“深層頁巖氣尾管回接壓裂管柱技術研究”（P21015）。

作者簡介： 楊 建（1978-），男，四川射洪人，高級工程師，博土，從事油氣井工程鉆完井、采氣工藝、儲層改造相關技術的管理及研究工作，E-mail：yj0@petrochina.com.cn。