大位移井岩屑清洁工具仿真分析

吴百川，余文涛，钟 震

(油气钻井技术国家工程实验室防漏堵漏技术研究室，长江大学(武汉校区) 石油工程学院，武汉 430100)

在定向井钻井作业中，岩屑易在大斜度井段堆积，形成岩屑床，导致机械钻速低，井下卡钻事故频繁发生，严重影响钻井安全与工作效率。一般认为，影响岩屑床堆积的因素包括环空流速、钻井液流变性、井斜角[1]，单纯依靠某一因素解决岩屑床问题，在现场应用中存在一定局限性。本文在对现有岩屑床清洁工具分析的基础上，将不同形状岩屑清理工具的井眼清洗能力进行对比。所得结论可为岩石清理工具的研制和应用提供理论支持。

1 岩屑清洁工具在冀东油区的应用简介

冀东油田受海滩区域影响，油藏勘探开发以大斜度井及大位移井为主。为解决岩屑床在大斜度井钻井施工中引起的摩阻增大、蹩泵、卡钻等井下事故，设计并应用了“V”型岩屑清理工具和螺旋型岩屑清理工具，破坏岩屑床，并提高岩屑的环空返速[2]。

冀东油区某试验井应用“V”型清洁工具清理岩屑床，由表1数据可知，最大井深4 385 m，设计最大井斜60.8°。实际钻进中，钻至3195 m井深，井斜达到45°，岩屑上返量明显减少，摩阻增大。相邻井完钻时上提摩阻为700 kN，试验井完钻时上提摩阻为600 kN。对比相邻井的泵压，试验井泵压比相邻井降低42%。

表1 试验井井眼清洁工具现场试验参数与邻井对比情况

从图1的钻时数据分析可以看出，工具进尺1 100 m，平均钻速21.19 m/h，与邻井平均机械钻速(9.41 m/h)相比提高120%。

图1 试验井与邻井钻时数据

通过摩阻转矩以及平均钻速可以看出，“V”型清洁工具下入后起到了降摩减扭的作用，说明井底岩屑清除效果较好。

2 岩屑清洁工具工作原理和力学仿真分析

2.1 岩屑清洁工具工作原理

螺旋型岩屑清理工具(如图2)的旋转使钻井液在原来流速的基础上产生轴向和切向的附加速度。螺旋槽道的旋转产生漩涡，漩涡具有较大的能量，促使更多沉降在下环空低速区的岩屑颗粒进入上环空高速区。

图2 螺旋型岩屑清理工具结构

“V”型工具(如图3)在正常钻进时，由于脖颈外径的突降，环空泥浆会对岩屑床起到松动作用。同时，“V”型槽随钻杆旋转，使泥浆产生剧烈的湍流，并影响附近环空的流体，这可以有效预防井段内岩屑颗粒的沉降(水力作用)。另一方面，可以对已经形成的岩屑床颗粒进行搅动，搅动起的岩屑颗粒被螺旋槽捕获，然后被带入到具有较高泥浆速度的悬浮层，运送至更远的距离，继而保证钻进的顺利进行[3-5]。

图3 “V” 岩屑清理工具结构

2.2 井眼清洁工具力学仿真

运用ANSYS Workbench有限元软件对不同种类井眼清洁工具进行静力学仿真。工具采用40CrNiMo材料，屈服强度为931 MPa[6-7]。采用悬臂梁模型进行静力学分析，靠近井底一端固定，靠近井口一端施加40 000 N·m的转矩和700 kN的轴向拉力。

模拟不同种类井眼清洁工具在外力作用下的工况，由图4可知，井眼清洁工具最大等效应力位置均在清洁器与杆体的过渡截面上，其中五槽道螺旋清洁工具的最大等效应力为258 MPa，六槽道清洁工具的最大等效应力为292.68 MPa，“V”型清洁工具的最大等效应力为202.83 MPa。

a 五槽道螺旋工具

b 六槽道螺旋工具

c 七槽道螺旋工具

d “V”型工具

利用钻井技术手册提供的公式[8]，分别计算此工况下清洁工具的安全系数，其中五槽道螺旋清洁工具的安全系数为3.247，六槽道清洁工具的安全系数为2.86，七槽道清洁工具的安全系数为2.516，“V”型清洁工具的安全系数为4.148。对比螺旋型清洁工具的力学特性，“V”型清洁工具的安全系数比螺旋型清洁工具高1.28～1.64倍。

3 工具流场及岩屑运移对比分析

3.1 流场边界条件的设定

运用Fluent有限元软件对井下环空流场进行模拟。由于模拟全井段岩屑运移难以实现，故选取部分管柱段作为研究对象。以井深4 300 m，井斜角60°为例，对模型的边界条件进行了如下设定：

1) 进口条件。采用速度入口，钻井液在入口流速垂直于边界面。入口速度1.03 m/s。

2) 出口条件。采用压力边界大小与环境压力保持一致，岩屑颗粒回流率为0。

3) 壁面边界条件。将钻杆等设定为光滑无滑移，井壁为固定壁面，且速度满足无滑移条件，钻具外表面为旋转壁面，对壁面进行封闭。

4) 其他。钻井液为幂律流体，稠度系数取0.45，流性指数取0.55，泥浆密度为1.2×103kg/m3。岩屑颗粒设置为球形，密度为2.6×103kg/m3，粒径为2 mm。井眼壁面采用无滑移壁面条件。工具旋转速度1 rad/s，岩屑床厚度为13 mm[9-11]。设定y轴负方向为重力场方向，且重力加速度设定为9.81 m/s2。

3.2 内流场仿真计算

3.2.1 岩屑运移速度的计算

以“V”型清洁工具为例，改变井眼清洁工具的类型，研究不同种工具性能的影响，以表征流场运移性能的运移速度和体积系数作为评价指标。

图5为“V”型岩屑清理工具的中心位置处岩屑运移速度分布。初始阶段，脖颈外径突降，环空中的钻井液对岩屑床起到松动作用，同时螺旋槽随钻杆旋转引起泥浆产生剧烈的湍流，并影响附近环空的流体，进一步将已经形成的岩屑床颗粒进行搅动，搅动起的岩屑颗粒被螺旋槽捕获，最后被带入到具有较高泥浆速度的悬浮层，并运送至更远的距离。

图5 “V”型岩屑清理工具的岩屑运移速度云图

运用Fluent软件计算各个清洁工具的最大岩屑运移速度，由图6可知，螺旋型五槽道清洁工具对岩屑运移的速度最快，数值为2.78 m/s，比“V”型清洁工具对岩屑的运移速度提高11.9%。将“V”型与五槽道螺旋型清岩工具对岩屑运移的速度进行对比，结果发现，螺旋型叶片具有最强的造涡和保持涡流的能力，虽然“V”型槽道能够形成两种转向不同的涡流，但由于水力机械对岩屑颗粒有阻碍作用，导致岩屑运移速度下降，岩屑最大运移速度为2.48 m/s，对于螺旋型槽道，岩屑颗粒在运动路径上没有阻碍作用的影响。

图6 不同岩屑清洁工具对岩屑的运移速度

3.2.2 岩屑体积系数的计算

通过改变岩屑粒径，研究不同岩屑粒径(1 mm和3 mm)下不同种工具对岩屑运移的影响，计算10 s范围内岩屑体积系数的变化曲线，计算结果如图7所示。

图7 不同清洁工具的岩屑体积系数

岩屑沿着轴向运动，岩屑体积系数先减小，后增大，表现出类似与钻柱转速作用机理，即在1.5 m位置时达到最小，由于此位置是清洁设备出口，环空面积急剧增大导致单位体积岩屑量减少，从而使岩屑体积系数降低；从1.8 m到5.0 m位置，岩屑体积系数逐渐增大。随着岩屑粒径增大，岩屑体积系数逐渐增大，岩屑运移速度逐渐减小，岩屑粒径对岩屑运移影响较大。对比发现，使用五槽道螺旋型清洁工具在清洁大粒径岩屑时效果最好，使用“V”型清洁工具在清洁小粒径岩屑时效果最好。

图8为模拟10 s后环空流体在轴向距离4 m位置处岩屑体积系数切面，岩屑粒径为1 mm时，“V”型清洁工具的清洁能力比螺旋型清洁工具高14%，岩屑粒径为3 mm时，V型清洁工具的清洁能力比螺旋型清洁工具低30%。

图8 岩屑体积系数

通过改变井壁粗糙度，研究了不同井壁粗糙度(1 mm和3 mm)情况下，工具类型对岩屑运移的影响，计算10 s范围内岩屑体积系数的变化曲线，计算结果如图9所示。

图9 不同清洁工具的岩屑体积系数

由图9可知，岩屑沿着轴向运动，岩屑体积系数先减小，后增大。此外，对比发现，使用“V”型工具时，流场中岩屑体积系数低于没有使用螺旋型工具时流场中岩屑体积系数。井壁越不光滑，岩屑运移越通畅，参数的敏感性越不明显。

4 结论

1) 现场试验结果表明，“V”型清洁工具清理岩屑的效果显著，使用寿命长。在大位移井作业中，可以减小钻具运动时的摩阻、泵压，同时可提高机械钻速，改善井眼质量。

2) 运用有限元软件计算不同类型井眼清洁工具在井下工况的受力，其中，“V”型清洁工具在同等工况下的安全系数最高，是螺旋型清洁工具的1.28～1.64倍。因此，适用于高水垂比的大位移钻井作业。

3) 岩屑进入工具槽道后，轴向速度会快速增大，螺旋型工具增速效果明显强于“V”型工具。对比不同槽道螺旋工具可知，五槽道螺旋工具的清洁效果及对岩屑运移的速度优于另外两种工具。

4) 对比分析不同岩屑粒径下工具的清洁效果。“V”型清洁工具适用于清洁小粒径岩屑，六槽道螺旋型清洁工具适用于清洁大粒径岩屑；井壁在相对粗糙时，使用“V”型工具清理岩屑的效果优于螺旋型清洁工具。