大斜度井偏心环空钻柱旋转对岩屑运移的影响

孙晓峰，纪国栋，王克林，曲从锋，蒋天洪

(1. 中国石油大学，北京 102200；2.中国石油钻井工程技术研究院，北京 100000；3.中国石油塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000)



大斜度井偏心环空钻柱旋转对岩屑运移的影响

孙晓峰1，纪国栋2，王克林3，曲从锋2，蒋天洪3

(1. 中国石油大学，北京 102200；2.中国石油钻井工程技术研究院，北京 100000；3.中国石油塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000)

在钻井过程中，当液流速度小于岩屑悬浮运移速度时，岩屑容易在大斜度井段沉降并形成岩屑床，导致钻柱卡钻、高摩阻和扭矩、低机械钻速等问题。建立大斜度偏心环空三维物理模型，采用结构网格划分环空流体域，用滑移网格模拟钻柱旋转。基于欧拉固液两相流模型和Realizablek-ε紊流模型，考虑钻井液对岩屑的举升力、岩屑加速产生的虚质量力以及固液间的动量交换，模拟了钻柱旋转条件下井斜角、岩屑注入浓度、钻井液速度和黏度对岩屑运移的影响。研究表明：钻柱旋转使得岩屑床床面沿旋转方向倾斜，沿井眼呈不对称分布状态，并能够显著减小环空岩屑浓度，其变化幅度受钻井液入口流速、井斜角、钻井液黏度和岩屑注入浓度的影响，但当转速达到某一临界值后，旋转作用效果将减弱。研究结果可为采取合理措施提高岩屑运移效率提供参考。

偏心环空；大斜度井；钻柱旋转；岩屑运移；岩屑体积浓度

0 引 言

在大斜度和水平井段钻进过程中，由于钻井液携带岩屑效率较低，容易形成岩屑床，并引发钻井事故，为此，有必要开展大斜度井段和水平井段岩屑运移规律研究，而鉴于影响岩屑运移的因素众多[1]，应重点研究与实际钻井工况接近的钻柱旋转条件下岩屑运移规律问题。针对钻柱旋转条件下的岩屑运移问题，国内外学者进行了大量研究[2-12]。此次研究将利用CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟大斜度偏心环空钻柱旋转条件下井斜角、岩屑注入浓度、钻井液黏度等参数对岩屑运移规律的影响，为采取合理措施提高岩屑运移效率提供参考。

1 数值模拟物理模型

为了模拟环空岩屑运移过程，建立了大斜度偏心环空三维物理模型(图1)。环空结构为215.9 mm×127.0 mm，偏心度为0.5，环空长度为12 m。利用滑移网格模拟钻柱旋转，CFD数值模拟边界条件为速度入口和压力出口。壁面附近低雷诺数区域选择标准壁面函数，且钻柱壁面和井壁采用不可滑移边界。模拟参数见表1。

图1 大斜度偏心环空物理模型

2 数值模拟控制方程

以钻井液和岩屑的质量守恒、动量守恒为基础，考虑上举力、固液间动量交换等因素，结合Realizableκ-ε紊流模型，采用压力耦合方程的半隐式

表1 CFD模拟参数

算法SIMPLE求解封闭方程。

钻井液质量方程：

(1)

岩屑质量方程：

(2)

式中：αf、αs为钻井液和岩屑体积分数，αf+αs=1；vf、vs为钻井液和岩屑运动速度，m/s；ρf、ρs为钻井液和岩屑密度，kg/m3；▽为哈密顿算子。

钻井液动量方程：

(3)

岩屑动量方程：

(4)

3 数值模拟结果分析

3.1 钻柱转速对岩屑运移的影响

环空钻井液携岩效率受钻井液流速影响较大，其切向和轴向速度分量在钻井液携岩过程中起不同作用。轴向速度主要是在环空宽间隙处形成流核区，将进入该区域的岩屑携带至井口，其受钻柱转速等参数的影响，随着钻柱转速增加，在宽间隙处钻井液轴向速度减小，而窄间隙处速度增加，且钻井液流速越大，轴向速度越大；当转速增至160 r/min后，轴向速度变化并不明显。钻井液切向速度主要由钻柱旋转作用产生，但由于钻井液的黏性，切向速度沿井眼径向呈指数衰减。因此，在窄间隙井壁附近处岩屑更易聚集形成岩屑床，而在钻柱壁面附近不易成床。

由钻柱转速对环空岩屑浓度分布的影响(图2)可知，钻柱旋转会使岩屑分布沿井眼呈不对称分布状态，且岩屑床面极其不规则，此次研究选择岩屑体积浓度来衡量井眼清洁状况，在低钻柱转速下，环空岩屑处于悬浮层、移动岩屑床和静止岩屑床3层流动状态，增加钻柱转速会使静止岩屑床逐渐消失。

图2 钻柱转速对环空岩屑浓度分布的影响

图3为钻井液在不同入口流速条件下，钻杆转速对环空岩屑浓度影响的对比曲线，随着钻柱转速的增加，岩屑体积近似线性减小，当增至160 r/min后，钻柱转速对改善岩屑运移效率的作用不再显著，环空岩屑浓度降低幅度减小。

3.2 井斜角对岩屑运移的影响

图4为岩屑注入浓度为1.0%、钻井液入口速度为1.67 m/s和黏度为30 mPa·s时，井斜角为60～90 °的大斜度和水平井段岩屑体积浓度分布情况。大斜度井段中岩屑主要以翻滚形式向井口方向运移。当钻柱转速恒定时，增大井斜角，会使得岩屑运移速度增大，环空岩屑体积浓度减小；随着钻杆转速增加，不同井斜角井段岩屑体积浓度均近似线性减小，这与Ali等[13]实验指出在大斜度井段增加井斜角有助于提高钻井液携岩能力的结论一致。

图3 钻井液入口流速对岩屑体积浓度的影响

图4 井斜角对岩屑体积浓度的影响

3.3 岩屑注入速度对岩屑运移的影响

图5为井斜角为75 °、钻井液入口速度为1.67 m/s和黏度为30 mPa·s时不同岩屑注入浓度对环空岩屑体积浓度的影响。随着岩屑注入浓度增加，进入环空岩屑浓度增大，在保持其他参数不变时，最终滞留在环空中的岩屑体积浓度将增加。低岩屑注入浓度时，钻杆转速增加到160 r/min后，钻柱转速对改善岩屑运移效率的作用不再显著，而高岩屑注入浓度时，环空岩屑浓度随着钻杆转速增加呈线性减小。

图5 岩屑注入浓度对岩屑体积浓度的影响

3.4 钻井液黏度对岩屑运移的影响

图6为岩屑注入浓度为1.0%、井斜角为75 °和钻井液入口速度为1.67 m/s时钻井液黏度对环空岩屑体积浓度的影响。随着钻井液黏度增加，钻井液携带岩屑能力增强，环空岩屑体积浓度减小，有利于保持井眼清洁，同时随着钻杆转速增加，岩屑体积浓度线性减小，这与Ford等[14]的实验结果和Li等[15]的理论计算结果一致。

图6 钻井液黏度对岩屑体积浓度的影响

4 结论与建议

(1) 建立了大斜度井偏心环空三维物理模型，采用结构网格划分环空流体域，用滑移网格模拟钻柱旋转。基于欧拉固液两相流模型和Realizablek-ε紊流模型，考虑钻井液对岩屑的举升力、岩屑加速产生的虚质量力以及固液间的动量交换，建立了数字模拟模型。

(2) 钻柱旋转使得岩屑床床面沿旋转方向倾斜，呈不对称分布，当钻柱转速较小时，环空岩屑处于3层流动状态，且随着钻柱转速增大，静止岩屑床逐渐消失，岩屑体积浓度减小，而当增至160 r/min后，旋转作用效果减弱。

(3) 钻井液入口流速、黏度或井斜角越大，岩屑运移速度越大，环空体积浓度越小，有利于保持井眼清洁，但增加岩屑注入浓度，会使得环空岩屑体积浓度增大。

[1] 孙晓峰，闫铁，王克林，等. 复杂结构井井眼清洁技术研究进展[J]. 断块油气田，2013，20(1)：1-4.

[2] Yu M J，Takach N E，Nakamura D R，et al. An experimental study of hole cleaning under simulated downhole conditions[C].SPE Annual Technical Conference and Exhibition， Anaheim，California，2007.

[3] Duan M Q，Miska S，Yu M J，et al. Transport of small cuttings in extended reach drilling[J]. SPE Drilling & Completion，2008，23(3)：258-265.

[4] Sorgun M. Modeling of newtonian fluids and cuttings transport analysis in high inclination wellbores with pipe rotation[D].Ankara：Middle East Technical University，2010.

[5] Sorgun M. Simple correlations and analysis of cuttings transport with newtonian and non-newtonian fluids in horizontal and deviated wells[J]. Journal of Energy Resources Technology，2013，135(3)：1-6.

[6] Han S M，Kim Y J，Woo N S，et al. A study on the solid-liquid 2 phase helical flow in an inclined annulus[J].Journal of Mechanical Science and Technology， 2008，22(10)：1914-1920.

[7] Han S M，Woo N S，Hwang Y K.Solid-liquid mixture flow through a slim hole annulus with rotating inner cylinder[J].Journal of Mechanical Science and Technology， 2009，23(2)：569-577.

[8] 汪海阁，刘希圣，丁岗.水平井段岩屑床厚度模式的建立[J].石油大学学报：自然科学版，1993，17(3)：25-32.

[9] Naganawa S，Jogmec T N.Simulating transient behavior of cuttings transport over whole trajectory of extended-reach well[C].IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition，Thailand，2006.

[10] 郭晓乐，汪志明，龙芝辉.大位移井全井段岩屑动态运移规律[J].中国石油大学学报：自然科学版，2011，35(1)：72-76.

[11] 孙晓峰，闫铁，崔世铭，等. 钻杆旋转影响大斜度井段岩屑分布的数值模拟[J].断块油气田，2014，21(1)：92-96.

[12] Akhshik S，Behzad M，Rajabi M.CFD-DEM approach to investigate the effect of drill pipe rotation on cuttings transport behavior[J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2015(127)：229-244.

[13] Ali P，Issham I，Zulkefli Y，et al.Impact of drilling fluid viscosity，velocity and hole inclination on cuttings transport in horizontal and highly deviated wells[J]. Journal of Petroleum Exploration Production and Technology，2012，2(3)：149-156.

[14] Ford J T，Peden J M，Oyeneyin M B，et al.Experimental investigation of drilled cuttings transport in inclined boreholes[C].SPE annual technical conference and exhibition，New Orleans，Louisiana，1990.

[15] Li Y，Bjorndalen N，Kuru E O.Numerical modelling of cuttings transport in horizontal wells using conventional drilling fluids[C].Canadian International Petroleum Conference，Calgary，Alberta，2004.

编辑 孟凡勤

20150718；改回日期：20150923

国家自然科学基金项目“钻柱旋转作用的大位移井环空岩屑运移机制研究”(51204056)；中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“钻井新装备新工具研制”(2014B-4314)

孙晓峰(1980-)，男，讲师，2005年毕业于大庆石油学院油气储运专业，2014年毕业于东北石油大学石油与天然气工程专业，获博士学位，现从事油气钻井井眼清洁技术和井控工艺科研工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.031

TE24

A

1006-6535(2015)06-0133-04