基于流体仿真超深井钻井液搅拌设备的优化

2014-12-14 03:56张璐阳胡丽春吴天琪

设备管理与维修 2014年7期

张璐阳胡丽春吴天琪

（西南石油大学成都）

在石油钻井工程中，钻井液被誉为“钻井的血液”是钻井过程正常运行不可缺少的物质[1]。而钻井液系统的正常运作与钻井液搅拌器的工作效率有着极大的关系。钻井液搅拌器对钻井液进行连续可靠的搅拌，使钻井液内固相颗粒悬浮，防止其在循环系统中沉积，保证循环钻井液性能稳定、混合均匀、密度适合[2][3]。然而，通过调研国内某油田的7000～9000 m的6口超深井发现，油田现场钻井液有效利用率较低，造成此问题的原因在于钻井液搅拌器设计不合理。提出基于流体仿真对钻井液搅拌器进行优化设计的方法，提高了钻井液循环系统的效率。

一、问题分析

目前国内石油钻井过程中，经常使用高密度聚合物钻井液和絮凝钻井液[4]。钻井液的黏度高，液体流动的阻力大，被搅拌时能量损失大，很难形成湍流，而处于层流状态。这种层流状态只出现在搅拌叶轮附近，较远处的液体仍为静止状态[5]。高黏度下搅拌叶轮排出流量很少，即使转数高时，稍远处高黏度液仍为死区，其结果是钻井液中固体颗粒大部分沉淀于罐底，各级固控设备不能有效地工作，钻井液中各种化学添加剂不能充分发挥作用，最终导致钻井液性能达不到要求，使钻井液维护费用升高[6]。解决液体对流问题，不能单靠提高搅拌叶轮的转数和循环流量。提出的优化方法主要是根据超深井钻井液成分及黏度，选择合适的叶轮形式进行分析，设计出符合流动状态特性的最佳搅拌器结构。

二、叶轮优化分析

根据钻井液罐尺寸和钻井液的黏度，选择合适的叶轮形式，使钻井液的上升速度大于固相沉降速度，从而让固体颗粒悬浮起来。由于超深井高密度钻井液对搅拌器的性能要求较高，且涡轮式叶片有较强的流循环能力、湍流扩散能力和剪切力，故采用涡轮式直平叶片，叶片倾角一般为45°或60°。搅拌器台数也将对搅拌效果产生很大的影响。由于要评估搅拌器启动时叶片的受力状况，因此结合钻井液密度为2.5 g/cm3时的搅拌器进行流场分析。

1.不同叶片组合流场分析

选取3种组合，上下层倾斜角均为90°、上下层均为60°及上层为60°、下层为90°。通过观察计算速度云图中0～0.2 m/s的结果（以下分析相同），可看出死角部位速度是否＞0.2 m/s，进而比较3种叶片组合的优劣，结果见图1～图3。

图1 上下层均为90°

图2 上层60°+下层90°

通过比较3种组合方式的云图，可知上层为60°+下层为90°的叶轮布置方式形成的流态较好。再对3种组合在不同钻井液黏度下的速度进向分析。为了更好的描述搅拌效果，在钻井液罐角落取一点（该点距离钻井液罐底和两个侧壁的距离都为10 cm），分析该点的速度情况，得到不同的黏度下分析该点的绝对值速度。钻井液罐内特征点速度随钻井液黏度变化情况如图4所示。