隨鉆選擇性擴(kuò)眼器錐直型水眼液力特性研究

摘要：在隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)中，擴(kuò)眼器的射流效率決定了整個擴(kuò)眼技術(shù)的效率，對整個擴(kuò)眼技術(shù)應(yīng)用極為重要。針對擴(kuò)眼器和擴(kuò)眼器刀翼水眼的液力特性，建立了其物理有限元模型。通過分析可知，射流可以起到清洗巖石切割和冷卻刀翼的作用，擴(kuò)眼器刀翼水眼的幾何結(jié)構(gòu)對射流性能有重要影響。為了優(yōu)化擴(kuò)眼器刀翼水眼射流性能，提出了將錐直型噴嘴應(yīng)用于擴(kuò)眼器刀翼水眼，對其進(jìn)行了優(yōu)化。該研究可為擴(kuò)眼器刀翼水眼結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)，對提高側(cè)鉆完井質(zhì)量、推廣側(cè)鉆改造技術(shù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：隨鉆擴(kuò)眼;擴(kuò)眼器;射流;水眼;優(yōu)化

中圖分類號：TE921.2" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.04.006

Study of Hydraulic Characteristics of Conical Straight Water Hole With Selective Reamer During Drilling

LIU Zihe，LI Haobo，LIU Zhihe

（Drilling Technology Research Institute of Sinopec Shengli Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Dongying 257100，China）

Abstract：" In reaming during drilling technology，the efficiency of the jet of the reamer determines the efficiency of the whole reaming technology，which is very important for the whole reaming technology. The physical finite element model of reamer and reamer blade water hole has been established. The results show that the jet can clean the rock cutting and cool the blade. The geometric structure of the reamer blade water hole has an important effect on the performance of the jet. In order to optimize the jet performance of the reamer blade water hole，a straight cone nozzle was applied to the reamer blade water hole and optimized. This study can provide theoretical guidance for the optimization design of the water hole structure parameters of the reamer blade and has important significance for improving the quality of sidetracking completion and popularizing the sidetracking transformation technology.

Key words： reaming during drilling;reamer;jet stream;water hole;optimize

隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)就是采用隨鉆擴(kuò)眼工具和常規(guī)鉆頭，在全面鉆進(jìn)的同時擴(kuò)大裸眼段尺寸，使其大于上部套管串內(nèi)徑的一種鉆井技術(shù)[1]。該技術(shù)減少了起下鉆次數(shù)，效率高，在超深井、小間隙井、側(cè)鉆井和復(fù)雜井況中得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。隨鉆擴(kuò)眼工具帶動了隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)的迅速發(fā)展，該技術(shù)可提高油氣井建井質(zhì)量;可實現(xiàn)小間隙套管程序，降低鉆井綜合成本;提高側(cè)鉆井套管尺寸和開發(fā)效果[5-6]。采用隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)可使側(cè)鉆井段井眼擴(kuò)大，改善井眼狀況，提高側(cè)鉆井完井質(zhì)量，這對側(cè)鉆井的應(yīng)用與推廣具有深遠(yuǎn)意義[7-10]。

國內(nèi)中東部各油田普遍進(jìn)入開發(fā)中后期，開窗側(cè)鉆定向井已成為復(fù)活低產(chǎn)井、停產(chǎn)井和報廢井大幅提高儲量動用程度，挖掘油氣藏潛力，提高單井產(chǎn)量和采收率，以及降低老油田開發(fā)成本的有效手段[10-15]。目前國內(nèi)許多油氣老井急需獲得大尺寸井眼，增大裸眼與待固套管之間的間隙，進(jìn)而提高固井質(zhì)量。常規(guī)擴(kuò)眼器常因為射流效率低導(dǎo)致水眼堵塞，巖屑清洗不干凈，導(dǎo)致擴(kuò)眼效率低。通過開展隨鉆擴(kuò)眼器液力特性研究，可為隨鉆選擇性擴(kuò)眼技術(shù)提供技術(shù)支撐，指導(dǎo)隨鉆選擇性擴(kuò)眼器的優(yōu)化設(shè)計，提高擴(kuò)眼工具的使用壽命。

1 隨鉆選擇性擴(kuò)眼器模型

1.1 物理模型

據(jù)隨鉆選擇性擴(kuò)眼工具設(shè)計尺寸，僅考慮工具內(nèi)腔流道，利用SolidWorks建立工具全尺寸流體計算模型，如圖1所示。

1.2 擴(kuò)眼器激活狀態(tài)流場計算模型

為了改進(jìn)水眼結(jié)構(gòu)，提出將錐直型噴嘴應(yīng)用于擴(kuò)眼器刀翼水眼中，將其與擴(kuò)眼器原設(shè)計水眼的射流性能對比，圖2為這兩種水眼類型的剖視圖。

為簡化計算，將井底鉆頭等效為單噴嘴，噴嘴的圓柱段直徑與鉆頭噴嘴的當(dāng)量直徑相等，取為20 mm。圖3為擴(kuò)眼器激活狀態(tài)的物理模型和對應(yīng)的邊界條件。圖4為擴(kuò)眼器激活狀態(tài)下計算模型的剖視圖。為減小計算量，選取擴(kuò)眼器流道模型的三分之一對稱模型為計算域，采用多面體對計算域劃分網(wǎng)格，局部網(wǎng)格如圖5所示。

1.3 湍流模型的選擇

目前湍流模型有很多，但不同模型均有一定的局限性和適用條件。通過對比常用的的k-ε及k-ω模型和多次試算發(fā)現(xiàn)，SST k-ω模型在近壁區(qū)比k-ε模型有更好的精度和算法穩(wěn)定性，對分離流的模擬有較高的精度。SST k-ω模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型的一種變形，以便其在廣泛的領(lǐng)域中可以優(yōu)于k-ε模型，并且在近壁剪切流中有廣泛的應(yīng)用范圍和精度。k-ε模型對近壁粘性影響區(qū)域處采用壁面函數(shù)處理，然而不當(dāng)?shù)谋诿婢W(wǎng)格加密會引起數(shù)值結(jié)果的惡化，而SST k-ω模型整合了k-ε和k-ω模型的優(yōu)點(diǎn)，粘性底層采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型計算，而高雷諾數(shù)的湍流核心區(qū)采用k-ε模型計算，使其計算精度受壁面網(wǎng)格尺寸影響小。

SST k-ω模型在預(yù)測近壁區(qū)繞流和旋流方面有優(yōu)勢，適用于存在逆壓梯度情況的邊界層流動、分離和轉(zhuǎn)捩。因此SST k-ω模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的墻壁束縛流動，適用于具有非光滑溝槽面的管流。

數(shù)值模擬中選用SST k-ω模型，其基本控制方程組為：

式中：i、 j分別為坐標(biāo)方向和速度分量方向，i=1，2，3，j=1，2，3;ui、uj是不同坐標(biāo)方向上的速度，m/s;ρ為水的密度，kg/m3;μ為動力粘度，mPa·s;-ρ[ui′uj′] 為雷諾應(yīng)力;Gk是由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能;Gω由ω方程產(chǎn)生;Γk、Γω分別代表k和ω的有效擴(kuò)散項;Yk和Yω分別代表k和ω由于擴(kuò)散產(chǎn)生的湍流，Dω代表正交發(fā)散項，Sk、Sω是用戶定義項。

1.4 相關(guān)參數(shù)設(shè)置

為了準(zhǔn)確對比出流體參數(shù)對水嘴流場的影響，排除其他因素對模擬結(jié)果的影響，不同參數(shù)的計算均采用相同的參數(shù)條件，具體設(shè)置為：

1） 入口設(shè)為速度入口，出口設(shè)為壓力出口，壁面設(shè)為無滑移固壁壁面，出入口的初始湍流強(qiáng)度可以由經(jīng)驗公式（6）進(jìn)行求解：

" " " "I = 0.16 （Re）-1/8 （6）

2） 流體介質(zhì)為不可壓穩(wěn)定流。

3） 求解方法采用分離求解方法中的SMIPLEC算法，壓力采用標(biāo)準(zhǔn)格式，動量、湍流耗散率、湍流動能等方程均采用二階離散格式。

4） 連續(xù)性殘差設(shè)為1×10-5，其他為1×10-6。

2 擴(kuò)眼器激活狀態(tài)流場分析

在流量Q=35 L/s，刀翼水眼為錐直型噴嘴，水眼直徑為6 mm，水眼軸線與工具軸線夾角為60 °，流體介質(zhì)為純水的條件下，分析擴(kuò)眼器激活狀態(tài)時內(nèi)腔及環(huán)空流場特性。

2.1 壓力分布

圖6為擴(kuò)眼器刀翼水眼位置的流場靜壓云圖，可以看出，流體流經(jīng)刀翼水眼時靜壓突降，且射流沖擊井壁位置存在局部高壓。

2.2 速度分布

圖7為擴(kuò)眼器水眼位置的軸向截面和刀翼位置的周向截面速度云圖，從圖7中可以發(fā)現(xiàn)流體流過刀翼水眼后流體速度經(jīng)快速加速并沖擊到井壁上。同時，最大流動速度主要集中在前后刀翼的中間部分，以及兩個刀翼的中間部分。通過前后刀翼中間部分的流體可以對后刀翼起到?jīng)_洗降溫的作用。因此，可對水眼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，盡可能增大刀翼中間的最大流速，提高擴(kuò)眼器的沖洗效率。

2.3 流線分布

圖8為擴(kuò)眼器刀翼水眼位置的流線圖，可以看出射流撞擊井壁后沿井壁散射成多股射流，只有少量流體是通過前后刀翼的中間部分，大部分流體是從兩個刀翼的中間部分流過。可見水眼射流對擴(kuò)眼器的后刀翼清洗效果較好，但對前刀翼清洗效果一般。

3 水眼結(jié)構(gòu)對沖洗效率影響規(guī)律

擴(kuò)眼器刀翼水眼的射流性能對擴(kuò)眼工作時巖屑的沖洗起著至關(guān)重要的作用，同時刀翼水眼直徑直接影響流量分配情況，從而影響井底和擴(kuò)眼段巖屑的清洗效率。因此，從流量分配比、刀翼水眼射流速度和刀翼中間流場特性的角度，分析刀翼水眼結(jié)構(gòu)對鉆井液沖洗效率的影響規(guī)律，為擴(kuò)眼工具水眼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

3.1 水眼類型

數(shù)值模擬中流體介質(zhì)為純水，保持鉆頭水眼當(dāng)量直徑20 mm、水眼直徑為6 mm、水眼軸線與工具軸線夾角為60°不變，只改變水眼類型，得到不同類型的水眼壓耗隨流量的變化規(guī)律。通過圖9～12對比兩種水眼類型的流場特性可知，在相同流量條件下，錐直型水眼的鉆頭流量占比低、流速增長更快，刀翼水眼的射流速度更大，對巖屑的沖擊力更大，對應(yīng)的清洗效率更好。新提出的錐直型水眼在壓耗和清洗效率方面均優(yōu)于原設(shè)計水眼，因此將對錐直型刀翼水眼結(jié)構(gòu)的流場特性展開研究。

3.2 水眼直徑

以錐直型水眼為研究對象，流體介質(zhì)為純水，保持鉆頭水眼當(dāng)量直徑為20 mm、水眼軸線與工具軸線夾角為60°不變，只改變刀翼水眼的直徑大小，得到不同水眼直徑對錐直型刀翼流場特性的影響規(guī)律。

圖13給出了不同流速下水眼直徑對水眼壓耗的影響規(guī)律圖，可以看出水眼壓耗與水眼直徑呈反比例關(guān)系，水眼直徑越小，所消耗的壓力越大，這一規(guī)律與噴嘴壓降計算公式一致。

圖14～15分別給出了不同流速下水眼直徑對刀翼中間的流量和最大流速的影響規(guī)律圖，可以看出，流量和最大流量受水眼直徑影響不大，隨著水眼直徑的增大，刀翼中間的流量和最大流速均呈緩慢增大的趨勢。這是因為水眼直徑越大，水眼獲得的流量配比越大，從而有更多的流體流經(jīng)刀翼中間部分。

通過以上分析可知，減小水眼直徑的大小可以提高水眼射流的流速，但會降低水眼的流量分配比，因此后期還需結(jié)合室內(nèi)試驗來確定合適的水眼尺寸，以確保擴(kuò)眼器獲得更高的清洗效率。

3.3 水眼角度

以錐直型水眼為研究對象，流體介質(zhì)設(shè)為純水，保持鉆頭水眼當(dāng)量直徑為20 mm、擴(kuò)眼器水眼直徑為7 mm不變，只改變水眼角度，得到刀翼水眼角度對工具水嘴和水眼的壓耗影響規(guī)律，如圖16所示，兩者均隨著水眼角度的增大而緩慢減小。這是因為水眼角度越大，噴嘴的圓柱段長度越小，從而使水眼壓耗減小。

圖17為水眼角度對刀翼中間流量和最大流速的影響規(guī)律圖，可以看出，水眼角度對刀翼中間的流量和最大流速影響顯著，均隨著水眼角度的增大而減小。可見，通過減小水眼角度，可以改變刀翼水眼的流場特性，使更多的鉆井液流過刀翼中間部分，從而提高對后刀翼的沖洗效率。

4 錐直型水眼幾何參數(shù)優(yōu)選

錐直型水眼幾何參數(shù)優(yōu)選選用正交表來安排試驗，用極差分析法來作為分析方法，可確定各因素對試驗指標(biāo)的影響程度（如表1）。確定對噴嘴射流流場特性有影響作用的4個試驗因素：噴嘴收縮角θ，收縮段長度L1，圓柱段長度L2，圓柱段直徑D。

表1給出了詳細(xì)幾何參數(shù)設(shè)置和正交分析結(jié)果。影響噴嘴壓耗的因素主次順序為：D、θ、L1、L2;影響噴嘴射流最大靜壓值的因素主次順序為：D、L2、θ、L1。取不同評價指標(biāo)得到的最優(yōu)噴嘴幾何參數(shù)不同，得到的兩組最優(yōu)幾何參數(shù)可作為后期試驗的理論依據(jù)。

5 結(jié)論及建議

1） 通過對隨鉆選擇性擴(kuò)眼器的數(shù)值模擬研究，利用SST k-ω湍流模型計算了隨鉆選擇性擴(kuò)眼工具的內(nèi)外流場特性，分析了不同狀態(tài)下擴(kuò)眼工具的內(nèi)部流場特性，得到了流量和刀翼水眼結(jié)構(gòu)參數(shù)對擴(kuò)眼器流場特性和清洗效果的規(guī)律。

2） 從流量分配比、刀翼水眼射流速度和刀翼中間流場特性的角度，分析了刀翼水眼結(jié)構(gòu)對鉆井液沖洗效率的影響規(guī)律，相比原設(shè)計水眼結(jié)構(gòu)，錐直型水眼結(jié)構(gòu)的射流性能更好，為擴(kuò)眼工具水眼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

3） 錐直型水眼的結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流沖擊壓力和壓耗影響顯著，通過數(shù)值模擬初步優(yōu)選出兩組幾何參數(shù)。

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收稿日期： 2023-12-19

基金項目： 中石化勝利石油工程有限公司科研項目“隨鉆選擇性擴(kuò)眼工具研制”（SKG2214）。

作者簡介： 劉子赫（1995-），男，山東濱州人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事鉆井工具研發(fā)工作，E-mail：zjylzh1218@163.com。